人工湖下連采連充煤炭開采地表移動變形預測研究

張國建 孟浩 熊威 白濤 孟現臣 王軍 呂曉

摘要：為研究人工湖下煤炭連采連充開采后的地表移動變形規律，對連采連充工作面進行了室內力學試驗和現場取芯力學試驗，驗證充填體的可行性；基于等價采高概率積分法，對連采連充工作面進行地表沉陷預測；通過數值模擬計算，分析導水裂縫帶發育高度，并與概率積分法結果進行對比。結果表明：充填體的強度5.063 MPa超過設計強度2.0 MPa，能夠確保礦井的安全開采；連采連充工作面開采后，地表傾斜值極值0.3 mm/m，地表水平變形極值-0.2 mm/m，小于磚混結構建筑I級損壞范圍，周圍地表沉陷平緩，無安全隱患；導水裂縫帶發育高度約49.7 m，距離隔水層約160.3 m，水下采煤安全，FLAC3D數值模擬和概率積分法結果比較接近，驗證連采連充技術可有效減緩地表移動變形。

關鍵詞：連采連充；充填體；地表移動變形預測；概率積分法；數值模擬

中圖分類號：TD823?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1002-4026（2023）05-0033-11

Predicting surface movement and deformation for continuous mining and continuous backfilling under an artificial lake

ZHANG Guojian1，2a，3，MENG Hao1*，XIONG Wei4，BAI Tao5，MENG Xianchen5，WANG Jun2b，LV Xiao2b

（1.School of Environment and Spatial Informatics， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China;2. a.School of Surveying and Geo-Informatics; b. School of Civil Engineering， Shandong Jianzhu University，Jinan 250101， China; 3. Technology Research Institute of Shandong Energy Group， Jinan 250101， China;4. Shandong Road and Bridge Engineering Design Consulting Institute， Jinan 250000， China;5. Inner Mongolia Yuxing Mining Institute， Chifeng 016064， China）

Abstract∶To investigate surface movement and deformation characteristics due to continuous mining and continuous backfilling （CMCB）of coal under artificial lakes， laboratory and field coring mechanical tests were conducted on the CMCB area to verify the feasibility of the filling body. Based on the equivalent mining height probability integration method， the surface subsidence of the CMCB area was predicted. The height of the water-conducting fracture zone was analyzed using numerical simulation， and its results were compared with those of the probability integration method. The results show that the strength of the filling body is 5.063 MPa， which is higher than the designed strength of 2.0 MPa， ensuring safe mining.Owing to continuous mining and backfilling in the area， the maximum inclination value of the surface was 0.3 mm/m and the maximum horizontal deformation value of the surface was -0.2 mm/m， respectively， which is less than the range of grade Ⅰ damage to brick and concrete structures. The surrounding surface subsidence was gentle， and there was no safety hazard. The height of the water-conducting fracture zone was about 49.7 m，and the distance from the waterproof layer was about 160.3 m， indicating the safety of underwater coal mining. Results of the FLAC3D numerical simulation and probability integration method were close， thereby verifying that the CMCB technology can effectively slow down surface movement and deformation.

Key words∶continuous mining and continuous backfilling;backfill; surface movement and deformation prediction; probability integration method; numerical simulation

在河流、湖泊、池塘、水庫等水體下方進行的采煤工作叫做水體下采煤。在我國，水體下采煤曾引起多次突水安全事故，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。充填開采是進行水體下安全采煤的有效防治措施，是煤礦綠色開采的研究方向之一[1-3]。當采空區采用充填法管理頂板時，可有效抑制采煤引起的導水裂縫帶發育，減輕工作面支撐壓力產生的礦壓顯現，減緩地表沉陷，實現水體下安全采煤。因此，研究水體下充填采煤技術具有重要的理論價值和研究意義。

近些年來，許多學者對采煤引起地表沉陷的控制方法進行研究。在充填開采方面，王炯等[4]根據實測數據資料對花園煤礦充填開采地表沉陷預計參數進行計算反演，研究出充填開采巖層移動變形特征。郭廣禮等[5]通過相似材料模擬和數值模擬實驗探究了充填開采的地表沉陷規律，發現充填開采巖層下沉緩慢，上覆巖層破壞程度較低，僅在采空區附近發育一定范圍的裂縫帶，且發育高度有限。在條帶開采方面，王冰等[6]采用數值模擬的方法，提出煤層錯動系數用于解釋條帶開采的地表移動變形、上覆巖層的應力變化規律。殷和健等[7]采用理論分析和數值模擬，設計出采留比的優化設計方案，研究在特定地質采礦條件下的條帶開采最佳采寬和留寬。但是利用充填開采管理頂板時，需要專門的充填材料及充填系統，這會額外增加開采成本；而條帶開采往往會造成煤炭資源的浪費，煤炭采出率低，工作效率低。針對上述問題，國內有學者提出了全負壓式連采連充采煤技術[8]。經過多年來的理論研究和現場工程應用，不斷改進充填采煤工藝、研制相應的采充系統，形成了比較完善的煤礦連采連充式充填采煤技術。

本研究驗證了赤峰市某礦連采連充技術充填體的可行性。采用等價采高概率積分法預測地表移動變形。同時，使用FLAC3D軟件模擬了煤礦連采連充數值模型，分析了導水裂縫帶高度，并將其與概率積分法結果進行對比。通過綜合實驗和數值模擬方法，研究了人工湖下煤炭連采連充后地表移動變形，提供了地表沉陷預測，驗證了技術的安全性和有效性。

1 煤礦概況

1.1 采區概況

該煤礦位于內蒙古自治區鄂托克旗境內，行政區劃歸赤峰市鄂托克旗棋盤井鎮鎮政府管轄。礦區屬溫帶半荒漠大陸性氣候區，日照豐富，太陽輻射強烈，年總降水量小于200 mm，蒸發量大。礦區地勢北高南低。圖1為礦區綜合水文柱狀圖，下二疊系中下統和上石炭中下統為本區主要含煤地層，含2～16號共13個煤層。主要由灰色中粒砂巖，雜砂泥巖，細砂巖，灰色中粒、細粒砂巖，灰黑色砂泥巖，灰色粗粒、細粒石英砂巖，泥巖和煤層組成。

1.2 連采連充工作面

連采連充工作面的開采厚度4.5～6.6 m，平均6 m，煤層傾角在6°～14°，平均8°。井下標高+1 134 m，地面標高+1 314 m，位于棋盤井鎮鎮政府以西500 m處，工作面周圍地形多為丘陵，地面無大型建筑。工作面由相鄰布置的若干采場支巷和保護煤柱組成，間隔5 m分別布置采場支巷和保護煤柱，形成奇數巷和偶數巷的相鄰對稱的布置局面。連采連充采場可選擇長壁式工作面形式布設回風巷、運輸巷及開切眼，使工作面整體上形成負壓通風模式。在實際生產開采作業過程中，采用大型綜采設備進行開采，無軌化輪胎煤車牽引運輸煤炭。開采之前，將采場支巷劃分成2～5個開采階段，為確保充填和開采始終處于穩定且獨立的作業空間內，采場支巷在同一開采階段需要彼此獨立，并保持一定距離的間隔，采場支巷在同一開采階段需采用連續采煤設備依次進行開采，并對采煤結束的采場支巷立即密閉并迅速充填，使得工作面呈現出連采連充的作業模式，直至所有采場支巷開采并充填完成[9-11]。

2 充填體物理力學性能

2.1 室內力學試驗

矸石、水泥、粉煤灰、水的質量分數分別為：77.5%、7.0%、5.0%、10.5%，選取立方體28 d試塊取標準巖芯后在實驗室做了圍壓為1、3 MPa三軸壓縮試驗，試驗結果見圖2，試驗強度極限、殘余強度結果如表1所示。

2.2 現場取芯力學試驗

本次試驗以該礦的連采連充工作面作為工程實踐背景，旨在研究充填體的力學性能。因此在現場分別鉆取了10、30、60 m深度的鉆孔已獲取充填體試樣。在取芯后，立即進行了密封保存，以最大程度地防止風化并保持原貌。由于本節主要考察充填體的強度，因此主要完成了與單軸抗壓強度相關的試驗數據，即從現場取得的部分充填體試塊，加工成標準充填體試樣進行單軸壓縮試驗，圖3所示為充填體試塊及標準試件，充填體單軸壓縮試驗結果見表2。

根據《煤礦采空區建（構）筑物地基處理技術規范》（GB 51180—2016）[12]中要求，綜合考慮煤礦地質采礦條件，要求充填體的最終單軸抗壓強度不低于2.0 MPa。現場取芯力學試驗中，對連采連充工作面5# 10 m、9# 10 m、5# 30 m、9# 30 m、5# 60 m、9# 60 m進行了現場取芯，并進行了單軸壓縮試驗，結果表明：現場取樣充填體單軸抗壓強度平均為5.093 MPa。通過不同位置、不同區段的充填體取芯試驗表明，煤矸石通過連采連充工藝充填后，充填體的強度超過設計強度2.0 MPa，能夠確保礦井的安全開采。

3 連采連充地表移動變形預測

3.1 預測方法

本文采用等價采高概率積分法進行變形預測。在采用傳統的完全垮落法處理采空區時，上覆巖層下沉和地表移動變形程度主要是由煤層實際采高決定。在相同地質采礦條件下，對礦區進行充填開采，充填采空區的充填體會占據上覆巖層一部分有效下沉空間，從而控制上覆巖層的下沉和移動變形，使得上覆巖層下沉和移動變形的主控因素變成了由實際采高減去充填體高度后的剩余高度，這被稱為等價采高[13]，如圖4所示。

假設巖層和巖體介質是由眾多微小的顆粒單元組成的介質，這些顆粒單元之間沒有聯系，保持著獨立性。大量單元顆粒介質之間的相互移動被視為一個隨機過程。在水平煤層條件下，單元開采導致單元下沉盆地的剖面形態呈正態分布概率密度函數。這一方法被稱為概率積分法。通過查詢相關資料，我們發現所研究煤礦開采引起的沉陷與概率積分法預測模型是相符的。

利用基于等價采高的概率積分法，可以預測充填開采引起的地表移動變形，預測公式如下：

式中：w（x）、i（x）、k（x）、u（x）、ε（x）分別表示為地表下沉、地表傾斜、地表曲率、地表水平移動、地表水平變形，r表示為主要影響半徑，W0表示為最大下沉值，b表示為水平移動系數。

根據等價采高原理，可以利用等價采高代替實際采高，然后應用概率積分法進行地表沉陷預測。這種方法被稱為基于等價采高的概率積分法，其預測參數可以通過對實測地表移動變形數據進行擬合計算來確定。

3.2 預測參數選取

礦井在二采區東翼9#煤層充填開采過程中均設置了地面移動觀測站，故本次預測參數的選取參考二采區東翼9#煤層充填開采時的觀測數據。通過對觀測的下沉曲線進行擬合計算，其擬合結果見擬合曲線函數圖5，相關系數為0.965 25，滿足精度要求，得到充填開采概率積分法預計參數：下沉系數q=0.5、水平移動系數b=0.2、主要影響角正切tan β=1.8、開采影響傳播角θ=87°、拐點偏移距S=0 m。

3.3 地表移動變形預測

基于等價采高概率積分法，采用表4充填開采預測參數，使用山東科技大學特殊開采研究所設計的巖移數據處理系統進行計算，得到連采連充地表移動變形數據，利用Surfer軟件繪制地表移動變形等值線圖。連采連充工作面充填開采后地表下沉及水平移動等值線圖如圖6所示。

連采連充工作面充填開采后，地表最大下沉值34.0 mm；走向方向地表傾斜極值0.2 mm/m，傾向方向地表傾斜極值0.3 mm/m；走向方向地表水平移動極值7.0 mm，傾向方向地表水平移動極值11.0 mm；走向方向地表水平變形極值-0.1 mm/m，傾向方向地表水平變形極值-0.2 mm/m。遠小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》[14]中的磚混結構建筑Ⅰ級損壞范圍（水平變形<2.0 mm/m；i<3.0 mm/m）。連采連充工作面充填開采后，觀光塔區域地表沉陷平緩，無安全隱患。

4 數值模擬

4.1 數值模型建立

根據連采連充工作面的地質采礦條件，對巖層的厚度進行近似取整，傾角簡化為0°，簡化后的模型沿地表方向垂直從上往下依次為：表土層、中粒砂巖、雜砂質泥巖、中粗粒砂巖、砂泥巖、細粒砂巖、煤層、砂質泥巖[15]。其模型巖層物理力學參數見表3。

為研究連采連充工作面充填開采條件下的地表下沉和地表移動變形規律，采用莫爾－庫倫模型，建立數值模擬模型，模型的尺寸為1 200 m×1 200 m×218 m（長×寬×高），模型共劃分為187 200個單元、307 461個節點，模型從左到右開采，為減小邊界效應影響，左側留設200 m，一次開采170 m，共充填開采4次，推進長度800 m，模型底部邊緣沿y軸方向位移是恒定，兩側邊界邊緣沿x軸方向位移是恒定，而模型頂部不設置位移約束條件，為自由表面[16]。建立的數值模型見圖7所示。[]

4.2 數值模擬結果分析

經過圖8和圖9的數值模擬結果以及塑性區導水裂縫帶分析，隨著充填開采次數的增加，上覆巖層的塑性區破壞程度逐漸加劇，導水裂縫帶的發育高度與之呈正相關。在工作面開采完畢后，導水裂縫帶的發育高度約為49.7 m。此后高度基本穩定，由此得出FLAC3D模擬的導水裂縫帶最大發育高度為49.7 m。

選取模擬數值49.7 m作為該連采連充工作面的導水裂縫帶發育高度，人工湖處的煤層埋藏深度在204～210 m左右，最小的防水安全煤柱的高度為154.3 m，符合防水安全煤巖柱的高度要求，導水裂縫帶不會波及人工湖。數值模擬塑性區顯示，煤層頂板以彎曲下沉為主，不存在垮落帶，上覆巖層僅產生少量斷裂隙，主要集中在煤層上方0～3 m，故人工湖不會對工作面開采產生影響，湖水不會流入礦井下，可實現水下安全開采[17]。

利用FLAC3D軟件建立數值模型，提取在連采連充工作面充填開采后的地表下沉值和地表水平移動值。圖10是利用Origin軟件繪制出的連采連充工作面開采后的地表下沉和地表水平移動曲線圖。本研究比較了兩種不同的方法：一種是基于FLAC3D軟件的數值模擬，另一種是基于等價采高概率積分法的分析。對這兩種方法的相對誤差進行對比，旨在評估它們在解決采煤引起的地表沉陷問題時的一致性和準確性。具體結果見表4。

由表4可知，用FLAC3D軟件模擬的連采連充工作面開采后產生的地表最大下沉值是28.742 2 mm，地表最大水平移動是9.701 6 mm，而利用等價采高概率積分法求的地表最大下沉值是34 mm，地表最大水平移動是11 mm。兩種方法地表最大下沉值相差5.257 8 mm，相對誤差約為16.8%，地表最大水平移動相差1.298 4 mm，相對誤差約12.5%；[JP]利用概率積分法求的地表下沉和水平移動均大于數值模擬結果，其產生誤差的原因可能是利用FLAC3D進行數值模擬巖層時，其復雜巖體的裂縫、節理等因素未充分考慮、未能著重考慮時間效應等非采動因素造成的沉陷，造成數值模擬結果偏小。假如考慮上述因素，相對誤差將進一步減小，概率積分法和數值模擬的結果也可以進一步驗證出連采連充技術可以有效減緩地表移動變形。

4.3 地表沉陷機理解釋

如圖11（a）所示，常規垮落法對頂板進行管理，在工作面推進過程中，由于上覆巖層壓力增加和巖層自身重力影響，頂板會因為開采空間的增大，產生向下的彎曲變形。當頂板上覆巖層極限荷載壓力小于其上覆巖層壓力時，會使頂板產生破碎和斷裂現象，形成許多的碎塊巖石，雜亂地堆積在采空區內，形成垮落帶。由于開采空間的進一步增大，更會出現離層和斷裂問題，形成斷裂帶。水下采煤時，垮落帶和斷裂帶合稱導水裂縫帶。這個現象會在開采過程中循環發生，直至上覆巖層和垮落的破碎巖石重新達到應力平衡后結束，在斷裂帶之上形成彎曲帶[18]。

如圖11（b）所示，工作面采用連采連充技術時，充填體主要由開采出的煤矸石和其他廢料組成。采空區的充填體占據了上覆巖層的一部分有效下沉空間。上覆巖層在下沉過程中很快接觸到充填體，在充填體的支撐作用之下，整個上覆巖層的下沉速度將逐漸變得緩慢，在充填體逐漸被壓實后，其承載應力迅速增加、壓縮變形逐漸減小并最后趨向于穩定。在充填體支撐作用限制下，上覆巖層垮落空間極小或無垮落空間，僅發育斷裂帶和彎曲帶，導水裂縫帶發育高度低，有利于水下安全采煤[19]。因此在連采連充工作面開采時，上覆巖層沉陷緩慢，這就是連采連充技術可以有效減緩地表移動變形的原因。

5 結論

本文以赤峰市某礦連采連充技術為例，通過充填體力學實驗，采用等價采高概率積分法對連采連充工作面進行地表沉陷預測，結合數值模擬實驗，深入研究了連采連充技術減緩地表沉陷的機理，得到以下主要結論：

（1）通過室內力學試驗和現場取芯力學試驗，充填體單軸抗壓強度平均為5.093 MPa，煤矸石通過連采連充工藝充填后，充填體的強度超過設計強度2.0 MPa，能夠確保礦井的安全開采。

（2）根據煤礦二采區東翼9#煤層實測數據，擬合反演出預測參數，基于等價采高概率積分法，使用巖移數據處理系統進行計算，對連采連充工作面開采后進行地表沉陷預測，地表傾斜值極值0.3 mm/m，地表水平變形極值-0.2 mm/m，小于磚混結構建筑Ⅰ級損壞范圍。工作面充填開采后，地面沉陷平緩，無安全隱患。

（3）利用FLAC3D軟件，模擬連采連充工作面開采，分析塑性區導水裂縫帶發育高度，可實現水下安全采煤，模擬結果與概率積分法結果對比，驗證連采連充技術可以有效減緩地表移動變形。

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