建筑物下固体充填开采地表沉陷规律分析

2019-03-20刘国旺闫春杰

煤矿安全 2019年2期

刘国旺，闫春杰

（开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司，河北唐山 063000）

目前，我国“三下”压煤量大，传统综采将会造成严重的地表沉陷问题，导致地表建（构）筑物发生破坏变形，严重影响矿区生态环境。在此背景下，为解放“三下”煤炭资源，充填开采技术得到应用与发展。地下煤炭资源被采出后，采空区围岩应力平衡状态被打破，覆岩失去支撑力而发生移动变形，当采空区上覆岩层移动发展到地表，地表便会产生移动和破坏。固体充填开采是指利用煤矸石、粉煤灰等矿山废弃物或砂土、城市垃圾等对采空区进行充填控制顶板的一种开采方法，既能有效地控制地表沉陷，提高煤炭回收率，又能合理利用矸石，避免地表环境受到影响[1-4]。充填采煤技术的推广对实现煤矿的绿色开采和地表建（构）筑物的保护具有十分重要的意义。

国内学者对固体充填开采条件下地表沉陷问题进行了许多研究。张磊等[5]通过数值模拟方法研究了充填率、松散层厚度及关键层厚度对地表沉陷的影响。赵同彬等[6]自主开发了基于进化算法的具有模型智能识别和预测功能的矿山岩层运动模型识别系统，更加准确地描述岩层运动的复杂特征，为岩层移动与地表沉陷规律的研究提供了技术基础。许凯等[7]通过数值模拟结合理论分析的方法，研究了等价采高与充填体压实率的关系。刘晓明等[8-9]采用现场实测、数值模拟、理论分析相结合的方法，对充填液压支架工作特性及工作面顶板沉降控制效果进行研究，结果表明合理的充填支架支护强度能够减小覆岩及地表变形。

唐山矿铁三区井田上方地表建（构）筑物密集，“建下”压煤占剩余可采储量的比例高达79.7%，严重制约矿井的可持续发展，T3281N工作面是唐山矿8煤层固体充填首采工作面，其密集建筑物下开采的特点决定了需要对地表沉陷进行有效的控制，在等价采高理论的基础上，运用FLAC3D软件模拟不同推进距离、不同充填率及不同压缩率条件下地表变形规律，为矿区充填开采提供指导。

1 等价采高理论

充填开采中用实际采高减去充填材料高度，即为等价采高[10]，进而可用传统的非充填开采岩层控制理论对采场覆岩移动变形特征进行分析。其中充填体高度与充填率与压缩率有关，充填体压缩率可通过压缩实验得出。根据固体充填开采上覆岩层移动和破坏的机理和地表沉陷的影响因素分析，固体充填工作面等价采高示意图如图1。

图1 固体充填工作面等价采高示意图

设已经充填的充填体充填率为ρ，压缩率为η，固体充填开采上覆岩层移动稳定后，煤层的等效开采高度hz可以表示为：

式中：hz为煤层的等价开采高度，m；hd为未充填时顶板下沉量，m；hm为煤层的实际开采高度，m；ρ为充填体充填率；η为充填体压缩率。

基于等价采高的充填开采地表最大下沉值可表示为[11]:

式中：W为地表最大下沉值；q为下沉系数；α为煤层倾角。

因此，地表沉陷与煤层实际开采高度、充填体压缩率及充填率等因素相关。

2 工程地质条件

T3281N充填工作面所在煤层为8煤层，煤层倾角 7°～10°，平均为 8.5°，厚度平均为 3.7 m，采面埋深为670～730 m，平均为700 m。工作面回采走向长188 m，倾向宽119 m，开采区域面积约为22 372 m2，采用综合机械化采煤方法，矸石充填采空区管理顶板，平均日进尺2 m。开采过程中，以MG200/500-QWD采煤机沿顶板割煤，充填液压支架维护作业空间，使用SDY80/500/55S矸石转载运输机将充填矸石料卸到采空区后进行夯实充填，实现架后充填与架前采煤在同一工作面中并行作业。该工作面能保证充填体和顶板充分接触，采充质量比为1∶1.36，设计充填率为95%。按照实验室矸石压缩试验，矸石充填体压缩率η=10%。

3 充填开采地表沉陷实测及数值模拟分析

为研究充填开采过程地表沉陷规律，根据T3281N充填工作面的工程地质条件，运用FLAC3D软件对不同充填率、压缩率条件下固体充填开采覆岩移动过程进行模拟分析。为提高数值模拟准确性，采用的岩层物理力学参数均以实验室测得数据为基础，并根据现场实测结果验证数值模拟结果的准确性。

3.1 充填开采地表沉陷现场观测结果

为了解决建筑物下开采安全问题，评价固体充填综采的效果，在T3281N工作面的地表设置观测站（图2）。共设置2条观测线（1号线、2号线），根据现场条件，布设煤层走向观测线1条，平均间距30 m，共22个测点。由于工作面对应地面建筑物情况较复杂，依据现场实际情况，增设了煤层走向观测线延长线，共计18个点，平均间距30 m。

图2 地表沉陷观测站布置

对2条观测线共进行了30多个月的观测，根据长期观测结果，沿1号、2号线的地表下沉曲线如图3。观测点 N10～N15、W4～W7在 T3281N 工作面的正上方，下沉值偏大，其中观测点N15的累计最大下沉值为38 mm，仅占采高的1%，实测结果表明，T3281N工作面充填开采对地表影响很小。

图3 地表下沉曲线

3.2 充填开采地表沉陷数值模拟方案

模型上边界选取至地表，下边界选取至9煤层底板，尺寸为 x×y×z=2 800 m×800 m× 800 m。模拟中对工作面进行延长，模拟最大开采距离为800 m，采宽为120 m。对模型的下部和左右边界施加位移边界，其中模型底部边界固定，边界水平、垂直位移均为0，左右边界施加位移边界条件，边界初始位移均为0，模型顶部为自由边界。本构模型为摩尔库伦模型，煤岩物理力学参数见表1。

表1 煤岩物理力学参数

根据等效采高理论，上覆岩层移动破坏程度与充填体压缩率及充填率等因素有关。本次模拟对工作面推进距离、充填率与地表沉陷的关系进行研究，开采方案如下：

1）模拟方案1。在充填率为95%、压缩率为10%的条件下，工作面依次推进 50、100、200、400、600、800 m。

2）模拟方案2。在压缩率为10%、充填面推进800 m的条件下，充填率分别为70%、75%、80%、85%、90%、95%。

3）模拟方案3。在充填率为95%、充填面推进800 m的条件下，充填体的压缩率为25%、20%、15%、10%、5%。

根据模拟得到工作面推进至200 m时最大下沉值为36 mm，实测值为38 mm，二者相差5%，可见模拟结果与实测值较为接近。

3.3 工作面推进过程地表沉陷规律分析

在充填率为95%、压缩率为10%的条件下模拟工作面推进过程，在工作面主断面位置对应地表上布置观测线，提取地表下沉值与水平变形值得到地表变形曲线。工作面推进过程地表下沉曲线如图4，工作面推进过程地表水平位移曲线如图5（负值为左移，正值为右移）。

图4 推进过程中地表下沉曲线

图5 推进过程中地表水平位移曲线

1）工作面推进至50～100 m过程中，地表下沉与水平位移均小于10 mm，此时地表未受到明显影响，工作面推进至200 m时，最大下沉值达到36 m m，地表受到明显扰动，开始产生地表沉陷。

2）随着充填面推进距离的增加，地表沉陷影响范围逐渐增大，下沉曲线与水平位移曲线均关于沉陷中心对称，沉陷中心为地表最大下沉值点和水平位移“零点”，位于采空区中心处且向工作面推进方向移动，工作面推进至800 m时地表变形达到最大，最大下沉值为109 mm，最大水平位移为33 mm。

3.4 不同充填率地表沉陷规律分析

充填率分别为 70%、75%、80%、85%、90%、95%时地表下沉曲线、水平位移曲线如图6、图7。

图6 不同充填率时地表垂直位移曲线

图7 不同充填率时地表水平位移曲线

1）地表沉陷影响范围受充填率影响较小，地表下沉与水平移动影响范围几乎不发生变化。

2）随着充填率的增大，地表变形值显著减小，充填率由70%增大至95%时，地表最大下沉值由331 mm减小至109 mm，水平变形值由110 mm减小至33 mm，分别降低了67.1%和70%。

提高充填率后，有效减轻了地表沉陷程度。不同充填率地表移动和变形最大值见表2。将最大下沉值、水平变形值与充填率进行拟合得到的曲线如图8、图9。

表2 不同充填率地表变形极值

图8 地表垂直位移峰值随充填率变化曲线

地表最大下沉值与最大水平变形值均随充填率的提高而减小。充填率与地表最大下沉值、最大水平位移值之间的回归方程为：

图9 地表水平位移峰值随充填率变化曲线

式中：w0为地表最大下沉值，mm；u0为地表最大水平移动值，mm；ρ为充填率，0<η<1。

在该地质采矿条件下，地表最大下沉值与充填率之间为指数函数关系。充填体和围岩相互作用[12]，改变了围岩力学环境，因此不同充填率，地表的下沉情况不同。

3.5 不同压缩率地表沉陷规律分析

通过改变充填体的强度改变其压缩率为25%、20%、15%、10%、5%，模拟得到的地表下沉曲线、水平位移曲线如图10、图11。从图中可以得出：地表变形值压缩率的降低而减小，改变压缩率由25%至5%时，地表最大下沉值由191 mm减小至73 mm，水平变形值由75 mm减小至29 mm，分别降低了61.8%和61.3%。降低压缩率是提高充填开采地表沉陷控制效果的重要途径之一。