Study on the Influence of Filling Compressibility on Surface Subsidence

Hao Meng, Xiongfei Xiao, Yuanyuan Zhao

Mining Institute, General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing

Abstract

Keywords

1.引言

隨著我國對煤炭需求量的持續(xù)增加，煤炭開采后會引起更多的地表沉陷，常常會影響井上構(gòu)筑物的正常使用。煤炭開采會使工作面原有的受力發(fā)生變化，造成應(yīng)力平衡破壞，引起一系列的煤巖層運動，采場頂部覆巖下降，進(jìn)而會造成地表沉陷。地表沉陷常會造成房屋破壞，影響道路設(shè)施的正常使用，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1][2][3][4][5]。只有提高井下開采技術(shù)水平，采取一些措施防治地表沉陷，才可保障礦井健康長久發(fā)展。充填采煤作為一種綠色開采方法，能有效控制地表沉陷，更充分地利用地下煤炭資源。傳統(tǒng)的矸石充填采煤法控制地表沉陷的效果有限；而高水充填后期的穩(wěn)定性較差；膏體充填體質(zhì)量比較好，但其料漿輸送比較困難，充填系統(tǒng)易發(fā)生堵管現(xiàn)象。矸石充填開采技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有一段時間，但井下綜合機械化矸石粉煤灰充填開采技術(shù)的發(fā)展還處于初級階段[6]-[13]。目前，井下開采過程中產(chǎn)生約占煤炭開采量 8%～20%的廢棄矸石，地面上原本就放置一些廢棄的煤矸石，并且每年新產(chǎn)生的矸石量也較多。為解決矸石堆放問題，高產(chǎn)、高效綜合機械化矸石粉煤灰充填采煤方法應(yīng)運而生。雖然矸石粉煤灰直接充填開采工藝還處于初級階段，但該充填方法優(yōu)勢明顯，會在將來得到更為廣泛的應(yīng)用。完善矸石粉煤灰直接充填的開采工藝，對更好地推廣該綠色充填采礦技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

以冀中能源集團(tuán)金牛能源股份有限公司邢臺煤礦為工程背景，采用數(shù)值模擬得出不同充填體壓縮率與地表沉陷之間的對應(yīng)關(guān)系。同時根據(jù)現(xiàn)場實際情況對原有的充填開采方法進(jìn)行完善，研究充填體壓縮性能影響地表沉陷的規(guī)律，以便在將來對煤礦充填采煤地表沉陷控制進(jìn)行理論指導(dǎo)。

2.工程及工作面概況

2.1.工程概況

邢臺礦位于邢臺市西南方位，屬于河北金牛能源股份有限公司，京廣鐵路在礦區(qū)東側(cè)，礦區(qū)運煤專用鐵路與京廣線接軌，交通便利。井田現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)南北傾斜寬3000 m，東西走向9000 m，面積31.9218 km2，開采深度87～750 m。2號煤層位于山西組的下部，最小厚度4 m，最大厚度9.5 m，平均厚度為6.2 m。煤層屬穩(wěn)定的厚煤層，為礦井主采煤層。煤層頂板一般為灰黑色粉砂巖，底板一般為粉砂巖、細(xì)砂巖和黏土巖。工作面狀況比較復(fù)雜，對開采方法和設(shè)備的要求比較高。該礦煤炭資源儲量豐富，勘探區(qū)2號煤層資源儲量為1700 × 104t，主要村莊煤柱2號煤層壓煤將近700 × 104t。該礦的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，斷層數(shù)量較多。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜使得工作面開采變得復(fù)雜，為工作面的布置和生產(chǎn)接替帶來了難度，煤礦生產(chǎn)面臨較大挑戰(zhàn)。

2.2.工作面概況

7608工作面的主采煤層為2號煤層，2號煤層位于山西組的下部，最小厚度4.19 m，最大厚度9.47 m，平均厚度為6.20 m，其中工作面內(nèi)平均煤厚為6.1 m。煤層的中、下部有一層夾矸，由于煤層中夾矸的存在，將煤層分成上、下兩部分，現(xiàn)模擬充填開采厚度為3.1 m的上分層煤層，剩下3 m左右的下分層煤層。煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)見表1。

Table 1.The geological survey of coal strata表1.煤巖層地質(zhì)概況

3.充填體壓縮率模擬分析

3.1.模型建立

數(shù)值模擬主要研究長壁充填開采不同壓縮率充填體對地表沉陷的影響。程序模擬模型以邢臺礦采煤工作面為原型，模擬巖層總厚度為300 m，煤層傾角2～14?簡化為水平煤層進(jìn)行研究，距離邊界100 m處開切眼，模擬開挖的長度為200 m，煤巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

Table 2.The mechanical parameters of coal-rock mass表2.煤巖體力學(xué)參數(shù)

Figure 1.The grid model for numerical simulation圖1.數(shù)值模擬網(wǎng)格模型

該模型主要研究工作面向前推進(jìn)后，在矸石粉煤灰混合充填體不同壓縮率下，采場上方地表沉陷情況。其中，工作面實際開采走向方向較長，工作面長度為88 m，工作面進(jìn)行邊采邊充。考慮到模擬研究目的以及方便計算，可設(shè)計模型長度為290 m × 400 m × 300 m。為模擬地下開采情況，設(shè)置工作面長度為90 m，即在X軸方向100 m至190 m，沿Y軸方向向前推進(jìn)，推進(jìn)總長度為200 m。構(gòu)建數(shù)值模擬模型如圖1所示。根據(jù)邢臺礦以往資料，設(shè)置該工作面充填前頂?shù)装逡平繛?00 mm，充填體欠接頂量為方便計算可設(shè)置成零，模仿理想狀態(tài)下矸石粉煤灰混合體充實采場采空區(qū)。先采上分層，采高取3.1 m。根據(jù)模擬矸石粉煤灰充填體壓縮率分別為32%、22%、12%對應(yīng)的計算采高依次可簡化為1.0、0.7、0.4 m，據(jù)此計算采高并進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，32%和矸石粉煤灰干式充填的充填體壓縮率大小接近，22%可對應(yīng)注漿補強后的充填體壓縮率的數(shù)值，通過近似類比現(xiàn)場實踐情況，對比充填效果。

3.2.模擬結(jié)果分析

其中，以充填體壓縮率32%為代表，研究地表沉陷值大小隨推進(jìn)長度變化規(guī)律，模擬情況如圖2所示。

Figure 2.The values of surface subsidence under different lengths of working face advancing圖2.不同工作面推進(jìn)長度下地表沉陷值

由圖2(a)～(d)可知，當(dāng)矸石粉煤灰混合充填體壓縮率為32%時，工作面推進(jìn)50 m后，由于頂板開始出現(xiàn)下沉，此時會出現(xiàn)離層現(xiàn)象。根據(jù)模擬可知，地表最大下沉值為28.9 mm，當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m位置時，頂部的覆巖繼續(xù)下沉，由于煤層上部到地表的每一層巖性不同，發(fā)生破壞的程度也不相同，但會自下而上發(fā)生破壞，直至影響地表，地表最大的下沉值為98.5 mm。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)到150 m時，所建模型的地表靠近中間位置的最大下沉量為179.3 mm，工作面上方巖層繼續(xù)產(chǎn)生彎曲或垮落，最終導(dǎo)致地表出現(xiàn)較大的沉降。當(dāng)工作面推進(jìn)到200 m時，地表下沉點中的最大值為272.5 mm，觀察發(fā)現(xiàn)，采場推進(jìn)的正上方為下沉值最大的位置。通過對比圖2(a)～(d)可知，地表出現(xiàn)的最大下沉點隨著工作面向前推進(jìn)也同時向前移動，并且地表沉陷值也會越來越大。

分別模擬垮落法、充填體壓縮率為32%、22%、12%共4種情況下工作面推進(jìn)200 m的地表沉降情況，如圖3(a)～(d)所示。

由圖3可知，采用垮落法時，采場上方的地表下沉量在以上4種情況中最大，最大下沉值將近400 mm，會嚴(yán)重影響井上地面構(gòu)筑物的正常使用。當(dāng)充填體壓縮率為32%時，留給上覆巖層的下沉空間比垮落法要小一些，但同樣會造成地表的下沉，模擬的地表下沉量在272.5 mm左右；當(dāng)模擬的矸石粉煤灰充填體壓縮率為22%時，巖層的彎曲、垮落程度會變得更弱一些，會造成地表下沉，下沉值為182.8 mm，小于200 mm，影響井上地面的構(gòu)筑物正常使用的程度有限；繼續(xù)減小充填體壓縮率，模擬數(shù)值為12%時，巖層的彎曲只會發(fā)生在采場周邊附近，帶來的地表下沉值為69.0 mm，地表幾乎不受影響。

針對地表沉陷與充填體壓縮率之間關(guān)系，可根據(jù)模擬結(jié)果，對地表最大下沉值與充填體壓縮率進(jìn)行簡單線性回歸分析，煤礦在一定情況可采用該線性關(guān)系分析，如圖4所示。

Figure 3.The values of surface subsidence under different filling conditions圖3.不同充填情況地表沉陷值

Figure 4.The linear model of surface subsidence圖4.地表沉陷線性模型

由線性模型可以看出，地表最大下沉值隨充填體壓縮率增加呈線性增長。充填體壓縮率相差10%時，地表下沉值變化較大，故提高充填體抗壓縮性能顯得尤為重要?？迓浞ǖ氖褂妹黠@不利于地表沉陷控制，12%的壓縮率對于煤礦來說又有很大操作難度，32%的壓縮率對應(yīng)的下沉值明顯大于壓縮率為 22%的情況。當(dāng)充填體壓縮率在22%時，其地表沉陷等高線如圖5所示，可以清楚了解到地表各點下沉值均較小。

可以對該充填體壓縮率情況下水平變形和傾斜值進(jìn)行監(jiān)測，驗證是否滿足安全生產(chǎn)要求。對地表進(jìn)行水平變形監(jiān)測，采用模擬得來的數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)處理，得到地表的水平移動變形值和傾斜值。

Figure 5.The contour map of surface subsidence圖5.地表沉陷等高線圖

由圖6可知，其中傾向最大拉伸水平變形為0.25 mm/m，傾向最大壓縮水平變形為?0.25 mm/m，走向最大拉伸水平變形為0.35 mm/m，走向最大壓縮水平變形為?0.35 mm/m。水平變形最大值均小于2.0 mm/m，沒有達(dá)到建筑物損害的等級I級標(biāo)準(zhǔn)，滿足生產(chǎn)安全需要。

Figure 6.Surface horizontal displacement of inclination direction (a)and strike direction (b)圖6.傾向(a)、走向(b)地表水平移動變形

根據(jù)圖7可知，由模擬分析得到的傾向地表傾斜的最大值為0.35 mm/m，走向傾斜的最大值為0.50 mm/m，傾斜最大值均小于3.0 mm/m，沒有達(dá)到磚混結(jié)構(gòu)建筑物損害等級I級標(biāo)準(zhǔn)，該壓縮變形情況下能滿足保護(hù)地表建筑物的要求。

Figure 7.The surface tilt value of inclination direction (a)and strike direction (b)圖7.傾向(a)、走向(b)地表傾斜

綜上所述，充填體壓縮率越低，地表沉陷越不明顯。在滿足安全生產(chǎn)的條件下，為創(chuàng)造更多的企業(yè)利潤，降低生產(chǎn)成本，采用破碎機將原生矸石適當(dāng)減小，達(dá)到滿足國家規(guī)定的要求。顯而易見，充填體壓縮率越小越好。壓縮率為32%時地表下沉比較明顯，而充填體壓縮率為12%時對煤礦設(shè)備和工藝的要求較高。模擬結(jié)果表明，當(dāng)充填體壓縮率的范圍在22%左右即可滿足安全生產(chǎn)要求。當(dāng)壓縮率在22%左右時，也接近于實際現(xiàn)場注漿補強后的充填體壓縮率，成本和工藝要求不高，制備也比較實際，各項數(shù)值均小于國內(nèi)規(guī)定等級的 I級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。為達(dá)到需要的壓縮率，還可以根據(jù)工作面載荷大小找到合適粒徑大小的矸石進(jìn)行充填。根據(jù)以上分析可得出結(jié)論：地表沉陷的主要因素之一就是充填體的壓縮量，表現(xiàn)為抵抗壓縮變形的特性。通過模擬發(fā)現(xiàn)，壓縮率22%時，走向和傾向水平變形都比較小，沒有超過國家規(guī)定的I級允許變形。

4.結(jié)論

1)通過數(shù)值軟件進(jìn)行模擬，模擬壓縮率對應(yīng)分別為32%、22%、12%充填法以及垮落法的地表位移變化情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著充填體壓縮率的減小，控制地表下沉的效果越好，能更好地保證地面構(gòu)筑物的安全和工作設(shè)備的正常運行。選取適中的充填體壓縮率為22%左右時，傾向方向和走向方向地表的最大水平變形值均較小，傾斜值也在安全范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 I級采動損害程度。注漿補強工藝后矸石粉煤灰能達(dá)到較小的壓縮率，抵抗變形的能力明顯變大，充填體面對相同軸向應(yīng)力情況后，能有效減小地表沉陷值，更適合建下充填開采。

2)如果矸石粉煤灰充填體沒有達(dá)到要求的壓縮率，就需要采取相應(yīng)的措施，如調(diào)節(jié)充填料中矸石粒徑大小、調(diào)整矸石粉煤灰質(zhì)量配比或者在矸石粉煤灰充填后進(jìn)行注漿補強。通過以上方法，可以更好地發(fā)揮矸石粉煤灰充填采煤法的優(yōu)勢，帶來預(yù)期的技術(shù)效果、安全效果和經(jīng)濟(jì)效果。