充填體強(qiáng)度對(duì)厚松散層下條帶充填開(kāi)采地表下沉的影響分析

李騰飛++武泉林++秦元真++董毅++劉毓

摘 要：為了研究厚松散層下條帶充填開(kāi)采時(shí)充填體強(qiáng)度對(duì)地表下沉的影響規(guī)律，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬，探討了充填體強(qiáng)度對(duì)地表最大下沉值的影響規(guī)律：在其他地質(zhì)條件不變的情況下，隨著充填體強(qiáng)度的增加，地表最大下沉值逐漸減小，并且其減小幅度也在逐漸減小。其主要原因是：充填體由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)的過(guò)渡使得地表下沉值發(fā)生顯著變化。

關(guān)鍵詞：充填體強(qiáng)度；條帶充填；地表下沉；FLAC3D數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD823.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.011

在我國(guó)華東、華中、華北等礦區(qū)，厚松散層這種特殊地質(zhì)條件分布較廣泛，并且這些礦區(qū)多數(shù)存在“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）壓煤情況，造成資源的大量浪費(fèi)。因此，控制其開(kāi)采沉陷帶來(lái)的環(huán)境破壞，實(shí)現(xiàn)煤礦的綠色開(kāi)采是個(gè)亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)，條帶充填技術(shù)發(fā)展成為一種有效的解決途徑，相對(duì)于全部充填開(kāi)采，條帶充填有充填率低、充填成本小、工作面回采效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，針對(duì)條帶充填開(kāi)采方面的研究相對(duì)較少，其中郭愛(ài)國(guó)等通過(guò)對(duì)寬條帶充填全柱開(kāi)采地表沉陷機(jī)理及影響因素的研究得出，在一定地質(zhì)條件下，寬條帶充填全柱開(kāi)采地表沉陷的主要影響因素有充填率、充填體強(qiáng)度和隔離煤柱留設(shè)寬度；許家林等研究了條帶充填開(kāi)采技術(shù)原理及其適用性，并提出了條帶充填開(kāi)采的設(shè)計(jì)原則。在對(duì)厚松散層下開(kāi)采地表沉陷的研究中，郝延錦等研究了厚松散層條件下地表移動(dòng)變形情況，得出該條件下地表移動(dòng)變形的基本規(guī)律；王保棟等分析了厚松散層因素對(duì)地表移動(dòng)的影響，得出了條件下開(kāi)采的地表移動(dòng)參數(shù)。本文通過(guò)充填體強(qiáng)度對(duì)厚松散層條件下條帶充填開(kāi)采地表下沉影響的數(shù)值模擬，分析了充填體強(qiáng)度對(duì)地表下沉影響的規(guī)律及原因。

1 條帶充填開(kāi)采技術(shù)原理

煤礦條帶充填開(kāi)采技術(shù)的研究應(yīng)充分利用煤系層狀巖層的移動(dòng)規(guī)律和控制特點(diǎn)，許家林等研究了覆巖主關(guān)鍵層對(duì)地表下沉動(dòng)態(tài)的影響，得出覆巖主關(guān)鍵層對(duì)地表的移動(dòng)過(guò)程起到了控制作用，地表的下沉速度隨主關(guān)鍵層周期性的斷裂破壞而呈現(xiàn)周期性跳躍式變化。條帶充填開(kāi)采通過(guò)構(gòu)筑條帶相間的充填體，形成“條帶充填體-覆巖主關(guān)鍵層”組合結(jié)構(gòu)，只要保證未充填采空區(qū)的間隔寬度小于覆巖主關(guān)鍵層的初次破斷跨距，覆巖主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，且充填體強(qiáng)度能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，就可以有效控制地表沉陷。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立及力學(xué)參數(shù)

本文利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，主要研究不同充填體強(qiáng)度地表下沉的影響規(guī)律。模擬分析以二維平面的形式進(jìn)行，模擬上覆巖層為連續(xù)介質(zhì)，考慮到地表充分采動(dòng)及邊界效應(yīng)的影響，工作面的水平方向長(zhǎng)度為1400 m。

假設(shè)工作面推進(jìn)方向無(wú)限長(zhǎng)，分析平面垂直于工作面推進(jìn)方向，采用位移邊界條件。根據(jù)某礦五采區(qū)實(shí)測(cè)地質(zhì)條件，本次模擬所采用的各煤巖層及充填體強(qiáng)度的主要物理參數(shù)見(jiàn)2.2 數(shù)值模擬方案

針對(duì)研究目的共設(shè)計(jì)5個(gè)模擬方案（充填體強(qiáng)度為：1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa），分別對(duì)不同充填體強(qiáng)度條件下條帶充填開(kāi)采地表下沉規(guī)律進(jìn)行模擬研究?；灸M條件為：充填率60%、基巖厚度70 m、松散層厚度200 m。

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同充填體強(qiáng)度的條帶充填開(kāi)采方案地表下沉曲線如圖1和圖2所示。由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在其他地質(zhì)條件相同的條件下，當(dāng)充填體強(qiáng)度在1.5～3.0 MPa時(shí)，地表最大下沉值隨充填體強(qiáng)度的增加不斷減小。主要原因是：此時(shí)充填體強(qiáng)度足以支撐上覆巖層，并且強(qiáng)度越大，其受壓時(shí)的壓縮量越小，能更好地控制覆巖主關(guān)鍵層的移動(dòng)變形，所以地表下沉最大值逐漸減??；但是當(dāng)充填體強(qiáng)度從1.5 Mpa減小到1.0 Mpa時(shí)，由于充填體強(qiáng)度低，上覆巖層應(yīng)力集中使得充填體由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其自身顯著壓縮量增大，所以地表最大下沉值也顯著增大。

4 結(jié)論

當(dāng)充填體強(qiáng)度在1.5～3.0 MPa時(shí)，隨著充填體強(qiáng)度的增加，地表最大下沉值逐漸減小；但是當(dāng)充填體強(qiáng)度從1.5 MPa減小到1.0 MPa時(shí)，地表最大下沉值呈顯著增大趨勢(shì)。

5 建議

條帶充填開(kāi)采引起的地表下沉是條帶充填體、基巖和松散層三者移動(dòng)變形相互疊加的結(jié)果，是一個(gè)復(fù)合的、動(dòng)態(tài)的過(guò)程。限于作者水平及篇幅的原因，本文沒(méi)有對(duì)基巖厚度、松散層厚度、采深、采厚、覆巖結(jié)構(gòu)等影響因素做進(jìn)一步的研究，這也是下一步深入研究的重點(diǎn)。

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〔編輯：胡雪飛〕