充填开采地表变形规律数值模拟研究

刘程

（安徽理工大学 矿业工程学院，安徽 淮南 232001）

我国的能源结构主要以煤炭为主，煤炭在能源产出和消费中占据着主体地位，可传统的垮落法开采煤炭方式却会带来煤炭资源采出率不高、地表沉陷等一系列问题。随着绿色发展理念的深入，对煤矿的开采应用绿色开采技术符合环境友好、安全可靠的发展理念。充填开采作为绿色开采技术之一，不仅提高了煤炭的采出率还有效的解决了地表沉陷等问题，很大程度上解放了“三下一上”压煤，延长了矿井的服务年限，实现安全绿色置换煤炭资源的目的，具有生态、经济和社会等多重效益，是实现生态文明建设、煤炭企业转型升级和绿色安全高质量发展的重要途径。

郭传超对充填开采地表沉陷影响因素进行了正交试验，研究了煤层倾角、采宽、采厚、充填率充填开采中对地表移动的敏感性。张滨对条带充填开采充填率对地表移动影响因素进行了研究，得出了不同充填率下主断面地表移动变形的下沉值、倾斜值、曲率值、水平变形值的变化情况。上述文献研究了不同的因素对开采时地表变形规律产生的影响。在现实开采中由于开采条件、所处地质环境条件的不同，还需要依据所开采的条件进行相关的研究。

1 影响充填开采地表沉陷的因素

煤矿进行充填开采过程中，影响充填开采效果的因素有很多，其中受充填技术、充填材料和煤矿地质条件的影响最大，而煤矿的覆岩岩性、煤层厚度和倾角等地质条件是人为不可改变的。现实中煤矿一旦确定了充填方案，对于充填所涉及的充填材料也会根据现实条件确定下来，改变也会增加充填开采的成本。因此，从充填技术进行研究，对比分析工作面采用不同开采宽度、工作面推进距离、工作面推进速度进行开采时的地表沉降特征，从而得到有利于充填开采的最佳方案。

2 充填开采地表变形规律数值模拟研究

2.1 数值模拟模型的建立

为了方便研究，构建了基本底、直接底、煤层、直接顶、基本顶的模型，其余未构建的煤层以上岩层通过施加相应的应力来达到效果，此次数值模拟采用莫尔-库伦模型，模型的尺寸大小为200m×56m×110m（长×宽×高），相应岩体的物理力学参数见表1。

表1 岩体的物理力学参数

该模型的边界条件为：对X 轴和Y 轴方向的两个面以及Z轴方向的底面的自由度进行了约束，也就是对底面进行了固定，Z 轴方向上表面没有任何边界固定的限制，通过施加应力来达到未模拟岩层的作用效果。

2.2 数值模拟开挖方案的设计

为研究充填开采地表移动和变形规律，总结充填开采地表变形规律的异同，为深部“三下”开采提供依据和支撑，结合固体充填开采地表变形的影响因素，对比研究工作面采用不同开采宽度、工作面推进距离、工作面推进速度进行开采时的地表沉降特征，具体的开挖方案如表2。

表2 数值模拟开挖方案

2.2.1 为研究不同开采宽度对充填开采地表移动规律的影响，设计了工作面推进速度、推进距离一定下开采宽度分别为30m、50m、70m 的数值模拟模型。

2.2.2 为研究不同工作面推进速度对充填开采地表移动规律的影响，设计了工作面推进距离、开采宽度一定下不同工作面推进速度的数值模拟模型，在数值模拟中工作面推进速度可由相应的计算时间步表示，时间步越小，表示工作面推进速度越快。

2.2.3 为研究不同工作面推进距离对充填开采地表移动规律的影响，设计了工作面推进速度、开采宽度一定下工作面推进距离分别为16m、36m、56m 的数值模拟模型。

2.3 充填开采地表变形数值模拟结果及规律分析

2.3.1 开采宽度对地表变形规律影响分析

为研究不同开采宽度对开采时覆岩运移的影响，分别模拟了不同的开采宽度条件下覆岩运移情况。根据数值模拟结果，得到了不同的开采宽度条件下的垂直方向位移图，如图1-3。

图1 开采宽度30m 时步10000 推进距离56m

图2 开采宽度50m 时步10000 推进距离56m

图3 开采宽度70m 时步10000 推进距离56m

由图1-3 可知：在对煤层开挖后还未进行充填的情况下，当开采宽度较小时，采空区上方的覆岩在工作面前方未开挖媒体及液压支架的支撑作用下，上覆岩层的移动空间及运移程度都较小，其所导致的地表变形相应较小，可知开采宽度较小时地表没有达到充分采动。当随着开采宽度的逐渐增大，上覆岩层的可移动空间也随着逐渐增大，由于上覆岩层的移动，地表的变形量也会随开采宽度的增大而增大，而且速度也逐渐加快。当开采宽度继续增加，尤其达到充分采动之后，此时的地表变形量反而会逐渐减小。

2.3.2 工作面推进距离对地表变形规律影响分析

为研究不同工作面推进距离对开采时地表垂直方向位移的影响，分别模拟了不同的工作面推进距离条件下覆岩运移情况。根据数值模拟结果，得到了不同的工作面推进距离条件下的垂直方向位移图，如图4-5。

图4 开采宽度30m 时步10000 推进距离16m

图5 开采宽度30m 时步10000 推进距离36m

由图4-5 可知：在对煤层开挖后还未进行充填的情况下，与开采宽度相同，当工作面推进距离较小时，由于地表未达到充分采动，上覆岩层的移动空间及运移程度都较小，其所导致的地表变形相应较小。当随着工作面推进距离的逐渐增大，上覆岩层的可移动空间也随着逐渐增大，地表的变形量也会随着工作面推进距离的增大而增大。当达到充分采动之后，此时的地表变形量及应力反而会逐渐减小。工作面推进距离还可以作为地表是否达到充分采动的一个标志。

2.3.3 工作面推进速度对地表变形规律影响分析

为研究不同工作面推进速度对开采时地表垂直方向位移的影响，分别模拟了不同的工作面推进速度条件下覆岩运移情况。根据数值模拟结果，得到了不同的工作面推进速度条件下的垂直方向位移图，如图6-7。

图6 开采宽度30m 时步15000 推进距离56m

图7 开采宽度30m 时步20000 推进距离56m

由图6-7 可知：在对煤层开挖后还未进行充填的情况下，与开采宽度和工作面推进距离不同，随着工作面推进速度的加快，上覆岩层的移动反而有所减小。工作面推进速度作为影响煤矿开采地表变形的重要可控因素之一，在其他条件一定的情况下，应该对工作面推进的速度进行合理的把控。

3 结论

3.1 通过对数值模拟的模型进行分析，影响充填开采地表移动规律的因素有开采宽度、工作面推进距离、工作面推进速度。除此之外还与充填前顶板移近量、充填率、初始压实率、充实率、充填材料自身方面、覆岩自身岩性、煤层厚度及倾角等有关。

3.2 根据数值模拟结果分析，开采宽度与工作面推进距离越大对地表的移动影响越大，工作面推进速度越快对地表的移动影响越小，可知：控制好开采宽度与推进距离，加快工作面推进速度，有利于事故的减少。