条带充填开采沉陷影响因素分析

2021-02-22赵世振

陕西煤炭 2021年1期

赵世振，翟迪

(西安科技大学能源学院，陕西西安 710054)

0 引言

条带开采法是一种非充分的部分开采方法[1-3]，条带开采的沉陷控制效果较好，但采出率低、生产效率低，显然不应成为主要的沉陷控制方法。充填开采技术不仅可以解放“三下”压煤，提高采煤率，还可以有效保护环境，但其实际应用效果、可靠性受到多种因素影响，与预期还存在较大的差异，全采全充布置模式因覆岩整体性扰动，还存在沉陷失控的风险，并且充填成本较高，材料来源难以保障，充填可靠性还有待提高，这些问题给充填开采方法的推广应用造成了障碍[4-6]。

协调开采是一种宽泛的岩层移动时空控制理念[7-9]，是指通过采区或工作面优化布置和开采过程调整来控制岩层移动的程度、均匀性和影响过程的技术手段。朱晓俊等[10]对带状充填开采岩层移动机理进行了研究，并得出了充填体与煤柱复合支撑体的强度规律；马立强等[11]研究了浅埋煤层保水开采技术工艺并在适宜地质条件下得到了成功应用，戴华阳等[8]通过应用设计，提出了村庄下“采-充-留”协调开采方案设计，并验证了该方法对地表移动变形的良好控制效果。结合已有研究，提出了一种网状带式充填开采技术，该技术结合条带开采及充填开采的优点，在条带开采的同时，对上一个采空条带即时进行充填；再以充填体为保护条带，对条带煤柱采用部分充填开采，最后充填大巷，形成一个整体的网状结构充填体，充填体支撑覆岩达到减沉目的，最终实现煤炭全采。

1 网状带式充填开采技术

1.1 基本原理

网状带式充填开采技术是一种第Ⅰ阶段先部分开采，再即时充填，第Ⅱ阶段开采条带保护煤柱，再部分充填的全采方法。依据开采沉陷基本原理，在非充分开采条件下，地表的移动变形可以得到较好的控制；而极不充分开采[12]能更大幅度地减小地表移动变形，从而达到控制地表沉陷与保护地表建(构)筑物的目的。一般来说，在采矿地质条件一定的情况下，工作面尺寸越小，采动程度越小，对地表的影响程度越弱。结合协调开采的基本思想，在煤层中构建多个非充分采动工作面，是网状带式充填开采的必要条件，也是其基本原理。

1.2 技术步骤

第Ⅰ阶段为即时充填的条带开采。根据具体地质采矿条件，遵循开采宽度小于顶板破断距的原则[13]设计条带开采参数，在进行下一个条带开采的同时，对上一个开采条带进行充填如图1(a)所示。第Ⅱ阶段为置换条带煤柱的部分充填开采。在工作面完成预先设定的条带开采，假设完成即时充填措施后，巷道围岩受开采扰动较小，巷道可再次使用。在工作面形成回采条带煤柱的生产系统后，对保留条带煤柱进行开采，每开采一个条带，随即进行充填，但只充填回采巷道的一部分，当整个工作面充填完成后，充填回风与运输顺槽，整个采区会形成一个整体连接的网状结构充填体以减缓上覆岩层的垮落和地表沉陷，如图1(b)所示。

图1 开采流程示意

1.3 主要参数确定

根据我国开采实践经验表明，考虑到现有的连采机连采技术的熟练使用，为提高采煤效率支巷宽度应该尽可能的大于5 m。对于充填条带开采而言，根据保留煤柱最小强度规定[14]，宽高比应大于2，因此保留条带宽度应该大于4 m。

2 带式充填开采数值模拟研究

2.1 工程概况

某矿采区走向长约3.3～4 km，倾斜宽约1.9 km，面积约6.8 km2。煤层开采上限标高+380 m，开采下限标高+140 m。本区主采煤层平均埋深308 m，煤层厚度2 m，为近水平煤层。

2.2 模型参数的选取与建立

2.2.1 计算模型的建立

考虑到该地区的地表变形移动角和边界角等因素，为了保证地表的充分采动，模拟开采长度定为500 m，约1.5倍采深，向开采边界以外延伸600 m，约2倍采深，建立对称模型；模型高度从地表到煤层底板以下30 m。煤岩层顶底板组成及物理力学参数见表1。

表1 煤岩层顶底板及物理力学参数

2.2.2 地表移动观测线的布置

沿采煤工作面走向和倾向布设两条观测线，如图2所示。记录下沉值，走向测线从切眼前50 m开始每隔10 m设一测点，考虑到模型边界效应，测点布置到距采空区右边界50 m处，共60个顶板测点，编号从“2”到“62”。倾向测线从下到上多出工作面宽度各50 m，共53个，编号从“63”到“115”。每个开采循环，记录所有测点数据，每开挖10步记一次，由此可得出各测点在整个开采过程中的动态下沉值，绘制出各点动态变形曲线。

图2 地表移动观测线布置

充填体力学参数采用密度为1 370 kg/m3、体积模量为2.83 GPa、剪切模量为1.31 GPa、内聚力为3.8 MPa、抗拉强度0.9 MPa及内摩擦角为20°的高强度膏体充填材料。模型如图3所示。

图3 FLAC3D模型

3 数值模拟结果

将采用传统条带开采采煤方法与采用带状充填法开采时地表变形的竖向位移提取出来，并绘制其等值线下沉图。从图4～图7可以看出无论采用何种充填工艺进行充填开采时地表都会出现中间下沉盆地，这与开采沉陷理论相符。当采用采10留5条带开采时地表变形明显，盆地中心下沉值最大值为120 mm，如图4所示；当采用这种带式充填采煤方法进行开采时，地表变形比采用条带开采时明显有所减小，此时盆地中心的最大下沉值为55 mm，比图4中最大下沉值减小了一半以上，如图5所示；当采用采10留10的条带开采采煤方法进行开采时，相比于采用采10留5条带开采的地表沉陷三维图，此时的地表沉陷下沉值缩小了约60%，如图6所示；当采用采10留10带式充填开采方法进行开采，盆地中心的最大下沉值与采10留5网状充填开采方法相比相差15 mm，但回采率低了17%，如图7所示。

图4 采10留5条带开采

图5 采10留5条带充填协调开采

图6 采10留10条带开采

图7 采10留10条带充填协调开采

4 地表岩移参数分析

4.1 最终下沉值

不同方法开采时的最终下沉值如图8所示(TD-条带开采；DC-带式充填)，对应地表下沉系数见表2。地表下沉系数计算式为

表2 不同开采方法的地表下沉最大值与下沉系数

图8 地表下沉值

qc=wmax/Mcosα

(1)

式中，qc为下沉系数；wmax为地表最大下沉值；M为煤层厚度；α为煤层倾角。

由表2中对比可以看出对于条带开采来说采留比与下沉系数之间有着一定的联系，当保留煤柱为10 m时下沉系数qc仅为保留煤柱为5 m时的42%左右，所以保留煤柱是值得关注并研究的问题，既能保证采出率达到效益最大化而又不影响地表建构筑物的安全。而对于这种带式充填开采，由表3可知地表下沉主要发生在条采充填的第Ⅰ阶段，第Ⅱ阶段置换保留煤柱的开采方式对地表的影响微乎其微，地表最大下沉值变化对于两种采留宽方式的不同，差别仅在10～20 mm左右，但回采率相差17%，为进一步研究这种带式充填开采地表下沉系数与采留比之间的关系，在不改变地质条件的前提下，以上述高强度充填体为原型通过改变其采留宽进行数值模拟，得到了开采地表下沉系数和采留比的数据，见表3。

从表3可看出，随着地表最大下沉值与下沉系数qc的增加，随开采条带宽度与保留煤柱宽度的增加而显著增大。当采留宽分别为40时，第Ⅱ阶段的地表下沉值是第Ⅰ阶段的2倍，因此可以推测了这种充填方式充填完成后空顶破坏的临界采留宽为40：40。

表3 不同采留比条件下的地表下沉系数

为进一步探究该网状带式充填采煤方法的影响因素，以FLAC3D建模采20留10为背景，以上述充填体为原型，通过改变充填体弹性模量或改变采高的方式进行数值模拟,得到数据见表4、表5。

表4 不同弹性模量充填体探究

表5 不同采高对下沉值的影响

从表4中可以看出，下沉值W随充填体的强度增加而减小，当强度增大到一定程度，下沉值不会有所改变，而此时的下沉值近似为未充填区域的平均下沉值。

而表5中对于不同采高的变化，下沉值的增长呈现线性增长，对比条带开采的临界采高值[16-18]，这种网状带式充填开采，临界采高相对更大，也适用于大采高。

基于FLAC3D建立数值模型，得出各因素对最大下沉值及下沉系数关联度排序，各因素对地表最大下沉值影响程度排序为：采留宽>采出率>采高>充填体强度。

4.2 主要影响半径及主要影响角正切

在半无限开采情况下，除下沉外，主要的移动和变形值均发生在x=-r～+r的范围之内。故称r为主要影响半径如图10所示。

图10 参数r与tanβ的几何意义

将x=±r的地表点与煤壁(煤层水平上x=0的点)相连，其连线与水平线之间所夹的锐角β称为主要影响角，其正切tanβ称为主要影响角正切。其公式为

(2)

规程中列出了我国各大矿区的实测tanβ值，一般tanβ在1.2～2.6。根据实测资料求取tanβ的方法是在倾向充分采动、走向半无限开采的走向实测下沉曲线W(x)上，分别确定下沉值为0.16W0和0.84W0的点，它们和下沉值为0.5W0的点之平距均应为0.4r，从中求出r(若两个平距求得的r值稍有不同，可取均值)；然后再根据采深计算出tanβ。按照覆岩性质区分的概率积分参数的经验值，此处取tanβ为1.5。