劉國(guó)旺，閆春杰

（開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 唐山礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000）

目前，我國(guó)“三下”壓煤量大，傳統(tǒng)綜采將會(huì)造成嚴(yán)重的地表沉陷問題，導(dǎo)致地表建（構(gòu)）筑物發(fā)生破壞變形，嚴(yán)重影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。在此背景下，為解放“三下”煤炭資源，充填開采技術(shù)得到應(yīng)用與發(fā)展。地下煤炭資源被采出后，采空區(qū)圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，覆巖失去支撐力而發(fā)生移動(dòng)變形，當(dāng)采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，地表便會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)和破壞。固體充填開采是指利用煤矸石、粉煤灰等礦山廢棄物或砂土、城市垃圾等對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填控制頂板的一種開采方法，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，避免地表環(huán)境受到影響[1-4]。充填采煤技術(shù)的推廣對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦的綠色開采和地表建（構(gòu)）筑物的保護(hù)具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)固體充填開采條件下地表沉陷問題進(jìn)行了許多研究。張磊等[5]通過數(shù)值模擬方法研究了充填率、松散層厚度及關(guān)鍵層厚度對(duì)地表沉陷的影響。趙同彬等[6]自主開發(fā)了基于進(jìn)化算法的具有模型智能識(shí)別和預(yù)測(cè)功能的礦山巖層運(yùn)動(dòng)模型識(shí)別系統(tǒng)，更加準(zhǔn)確地描述巖層運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜特征，為巖層移動(dòng)與地表沉陷規(guī)律的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。許凱等[7]通過數(shù)值模擬結(jié)合理論分析的方法，研究了等價(jià)采高與充填體壓實(shí)率的關(guān)系。劉曉明等[8-9]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)充填液壓支架工作特性及工作面頂板沉降控制效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明合理的充填支架支護(hù)強(qiáng)度能夠減小覆巖及地表變形。

唐山礦鐵三區(qū)井田上方地表建（構(gòu)）筑物密集，“建下”壓煤占剩余可采儲(chǔ)量的比例高達(dá)79.7%，嚴(yán)重制約礦井的可持續(xù)發(fā)展，T3281N工作面是唐山礦8煤層固體充填首采工作面，其密集建筑物下開采的特點(diǎn)決定了需要對(duì)地表沉陷進(jìn)行有效的控制，在等價(jià)采高理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLAC3D軟件模擬不同推進(jìn)距離、不同充填率及不同壓縮率條件下地表變形規(guī)律，為礦區(qū)充填開采提供指導(dǎo)。

1 等價(jià)采高理論

充填開采中用實(shí)際采高減去充填材料高度，即為等價(jià)采高[10]，進(jìn)而可用傳統(tǒng)的非充填開采巖層控制理論對(duì)采場(chǎng)覆巖移動(dòng)變形特征進(jìn)行分析。其中充填體高度與充填率與壓縮率有關(guān)，充填體壓縮率可通過壓縮實(shí)驗(yàn)得出。根據(jù)固體充填開采上覆巖層移動(dòng)和破壞的機(jī)理和地表沉陷的影響因素分析，固體充填工作面等價(jià)采高示意圖如圖1。

圖1 固體充填工作面等價(jià)采高示意圖

設(shè)已經(jīng)充填的充填體充填率為ρ，壓縮率為η，固體充填開采上覆巖層移動(dòng)穩(wěn)定后，煤層的等效開采高度hz可以表示為：

式中：hz為煤層的等價(jià)開采高度，m；hd為未充填時(shí)頂板下沉量，m；hm為煤層的實(shí)際開采高度，m；ρ為充填體充填率；η為充填體壓縮率。

基于等價(jià)采高的充填開采地表最大下沉值可表示為[11]:

式中：W為地表最大下沉值；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角。

因此，地表沉陷與煤層實(shí)際開采高度、充填體壓縮率及充填率等因素相關(guān)。

2 工程地質(zhì)條件

T3281N充填工作面所在煤層為8煤層，煤層傾角 7°～10°，平均為 8.5°，厚度平均為 3.7 m，采面埋深為670～730 m，平均為700 m。工作面回采走向長(zhǎng)188 m，傾向?qū)?19 m，開采區(qū)域面積約為22 372 m2，采用綜合機(jī)械化采煤方法，矸石充填采空區(qū)管理頂板，平均日進(jìn)尺2 m。開采過程中，以MG200/500-QWD采煤機(jī)沿頂板割煤，充填液壓支架維護(hù)作業(yè)空間，使用SDY80/500/55S矸石轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)將充填矸石料卸到采空區(qū)后進(jìn)行夯實(shí)充填，實(shí)現(xiàn)架后充填與架前采煤在同一工作面中并行作業(yè)。該工作面能保證充填體和頂板充分接觸，采充質(zhì)量比為1∶1.36，設(shè)計(jì)充填率為95%。按照實(shí)驗(yàn)室矸石壓縮試驗(yàn)，矸石充填體壓縮率η=10%。

3 充填開采地表沉陷實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬分析

為研究充填開采過程地表沉陷規(guī)律，根據(jù)T3281N充填工作面的工程地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)不同充填率、壓縮率條件下固體充填開采覆巖移動(dòng)過程進(jìn)行模擬分析。為提高數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，采用的巖層物理力學(xué)參數(shù)均以實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1 充填開采地表沉陷現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果

為了解決建筑物下開采安全問題，評(píng)價(jià)固體充填綜采的效果，在T3281N工作面的地表設(shè)置觀測(cè)站（圖2）。共設(shè)置2條觀測(cè)線（1號(hào)線、2號(hào)線），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，布設(shè)煤層走向觀測(cè)線1條，平均間距30 m，共22個(gè)測(cè)點(diǎn)。由于工作面對(duì)應(yīng)地面建筑物情況較復(fù)雜，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，增設(shè)了煤層走向觀測(cè)線延長(zhǎng)線，共計(jì)18個(gè)點(diǎn)，平均間距30 m。

圖2 地表沉陷觀測(cè)站布置

對(duì)2條觀測(cè)線共進(jìn)行了30多個(gè)月的觀測(cè)，根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果，沿1號(hào)、2號(hào)線的地表下沉曲線如圖3。觀測(cè)點(diǎn) N10～N15、W4～W7在 T3281N 工作面的正上方，下沉值偏大，其中觀測(cè)點(diǎn)N15的累計(jì)最大下沉值為38 mm，僅占采高的1%，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，T3281N工作面充填開采對(duì)地表影響很小。

圖3 地表下沉曲線

3.2 充填開采地表沉陷數(shù)值模擬方案

模型上邊界選取至地表，下邊界選取至9煤層底板，尺寸為 x×y×z=2 800 m×800 m× 800 m。模擬中對(duì)工作面進(jìn)行延長(zhǎng)，模擬最大開采距離為800 m，采寬為120 m。對(duì)模型的下部和左右邊界施加位移邊界，其中模型底部邊界固定，邊界水平、垂直位移均為0，左右邊界施加位移邊界條件，邊界初始位移均為0，模型頂部為自由邊界。本構(gòu)模型為摩爾庫倫模型，煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)等效采高理論，上覆巖層移動(dòng)破壞程度與充填體壓縮率及充填率等因素有關(guān)。本次模擬對(duì)工作面推進(jìn)距離、充填率與地表沉陷的關(guān)系進(jìn)行研究，開采方案如下：

1）模擬方案1。在充填率為95%、壓縮率為10%的條件下，工作面依次推進(jìn) 50、100、200、400、600、800 m。

2）模擬方案2。在壓縮率為10%、充填面推進(jìn)800 m的條件下，充填率分別為70%、75%、80%、85%、90%、95%。

3）模擬方案3。在充填率為95%、充填面推進(jìn)800 m的條件下，充填體的壓縮率為25%、20%、15%、10%、5%。

根據(jù)模擬得到工作面推進(jìn)至200 m時(shí)最大下沉值為36 mm，實(shí)測(cè)值為38 mm，二者相差5%，可見模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近。

3.3 工作面推進(jìn)過程地表沉陷規(guī)律分析

在充填率為95%、壓縮率為10%的條件下模擬工作面推進(jìn)過程，在工作面主斷面位置對(duì)應(yīng)地表上布置觀測(cè)線，提取地表下沉值與水平變形值得到地表變形曲線。工作面推進(jìn)過程地表下沉曲線如圖4，工作面推進(jìn)過程地表水平位移曲線如圖5（負(fù)值為左移，正值為右移）。

圖4 推進(jìn)過程中地表下沉曲線

圖5 推進(jìn)過程中地表水平位移曲線

1）工作面推進(jìn)至50～100 m過程中，地表下沉與水平位移均小于10 mm，此時(shí)地表未受到明顯影響，工作面推進(jìn)至200 m時(shí)，最大下沉值達(dá)到36 m m，地表受到明顯擾動(dòng)，開始產(chǎn)生地表沉陷。

2）隨著充填面推進(jìn)距離的增加，地表沉陷影響范圍逐漸增大，下沉曲線與水平位移曲線均關(guān)于沉陷中心對(duì)稱，沉陷中心為地表最大下沉值點(diǎn)和水平位移“零點(diǎn)”，位于采空區(qū)中心處且向工作面推進(jìn)方向移動(dòng)，工作面推進(jìn)至800 m時(shí)地表變形達(dá)到最大，最大下沉值為109 mm，最大水平位移為33 mm。

3.4 不同充填率地表沉陷規(guī)律分析

充填率分別為 70%、75%、80%、85%、90%、95%時(shí)地表下沉曲線、水平位移曲線如圖6、圖7。

圖6 不同充填率時(shí)地表垂直位移曲線

圖7 不同充填率時(shí)地表水平位移曲線

1）地表沉陷影響范圍受充填率影響較小，地表下沉與水平移動(dòng)影響范圍幾乎不發(fā)生變化。

2）隨著充填率的增大，地表變形值顯著減小，充填率由70%增大至95%時(shí)，地表最大下沉值由331 mm減小至109 mm，水平變形值由110 mm減小至33 mm，分別降低了67.1%和70%。

提高充填率后，有效減輕了地表沉陷程度。不同充填率地表移動(dòng)和變形最大值見表2。將最大下沉值、水平變形值與充填率進(jìn)行擬合得到的曲線如圖8、圖9。

表2 不同充填率地表變形極值

圖8 地表垂直位移峰值隨充填率變化曲線

地表最大下沉值與最大水平變形值均隨充填率的提高而減小。充填率與地表最大下沉值、最大水平位移值之間的回歸方程為：

圖9 地表水平位移峰值隨充填率變化曲線

式中：w0為地表最大下沉值，mm；u0為地表最大水平移動(dòng)值，mm；ρ為充填率，0<η<1。

在該地質(zhì)采礦條件下，地表最大下沉值與充填率之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。充填體和圍巖相互作用[12]，改變了圍巖力學(xué)環(huán)境，因此不同充填率，地表的下沉情況不同。

3.5 不同壓縮率地表沉陷規(guī)律分析

通過改變充填體的強(qiáng)度改變其壓縮率為25%、20%、15%、10%、5%，模擬得到的地表下沉曲線、水平位移曲線如圖10、圖11。從圖中可以得出：地表變形值壓縮率的降低而減小，改變壓縮率由25%至5%時(shí)，地表最大下沉值由191 mm減小至73 mm，水平變形值由75 mm減小至29 mm，分別降低了61.8%和61.3%。降低壓縮率是提高充填開采地表沉陷控制效果的重要途徑之一。

圖10 不同壓縮率時(shí)地表下沉曲線

圖11 不同壓縮率時(shí)地表水平移動(dòng)曲線

不同壓縮率地表移動(dòng)和變形最大值見表3。擬合得到的壓縮率與地表最大下沉值和地表最大水平移動(dòng)值之間的關(guān)系如圖12、圖13。

表3 不同壓縮率地表變形極值

圖12 壓縮率與地表最大下沉值關(guān)系

圖13 壓縮率與地表最大水平移動(dòng)值關(guān)系

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到充填體壓縮率與地表最大下沉值、最大水平位移值之間的關(guān)系為：

式中：w0為地表最大下沉值，mm；u0為地表最大水平位移值，mm；η為充填體的壓縮率，0<η<1。

隨著充填體壓縮率的降低，地表最大下沉值與最大水平移動(dòng)值均逐漸減小，兩者之間近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。因此，通過提高壓實(shí)度的方法降低充填體壓縮率，能夠有效提高地表沉陷控制效果，充分保護(hù)地表（建）構(gòu)筑物。

4 結(jié)論

1）T3281N充填工作面開采后地表最大下沉值為38 mm，僅占采高的1%，地表沉陷較小。

2）充填開采中，地表變形關(guān)于沉陷中心對(duì)稱分布，沉陷中心處地表產(chǎn)生最大下沉值，水平位移為0，位于采空區(qū)中心處且向工作面推進(jìn)方向移動(dòng)。

3）充填率由70%增大至95%時(shí)，地表最大下沉值由331 mm減小至109 mm，水平變形值由110 mm減小至33 mm，減幅分別達(dá)到了67.1%和70%，合理提高充填率能夠有效減輕地表沉陷程度。

4）壓縮率由25%減小至5%時(shí)，地表最大下沉值由191 mm降低至73 mm，水平變形值由75 mm降低至29 mm，減幅分別達(dá)到了61.8%和61.3%，合理提高充填體壓實(shí)度，降低壓縮率能夠有效提高開采沉陷控制效果。