建筑物下固體充填開采地表沉陷規(guī)律分析

劉國旺，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“三下”壓煤量大，傳統(tǒng)綜采將會造成嚴(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)生移動變形，當(dāng)采空區(qū)上覆巖層移動發(fā)展到地表，地表便會產(chǎn)生移動和破壞。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。

國內(nèi)學(xué)者對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別和預(yù)測功能的礦山巖層運(yùn)動模型識別系統(tǒng)，更加準(zhǔn)確地描述巖層運(yùn)動的復(fù)雜特征，為巖層移動與地表沉陷規(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)場實(shí)測、數(shù)值模擬、理論分析相結(jié)合的方法，對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采場覆巖移動變形特征進(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軟件對不同充填率、壓縮率條件下固體充填開采覆巖移動過程進(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)室測得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(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)場觀測結(jié)果

為了解決建筑物下開采安全問題，評價(jià)固體充填綜采的效果，在T3281N工作面的地表設(shè)置觀測站（圖2）。共設(shè)置2條觀測線（1號線、2號線），根據(jù)現(xiàn)場條件，布設(shè)煤層走向觀測線1條，平均間距30 m，共22個(gè)測點(diǎn)。由于工作面對應(yīng)地面建筑物情況較復(fù)雜，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，增設(shè)了煤層走向觀測線延長線，共計(jì)18個(gè)點(diǎn)，平均間距30 m。

圖2 地表沉陷觀測站布置

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

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。模擬中對工作面進(jìn)行延長，模擬最大開采距離為800 m，采寬為120 m。對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)測值為38 mm，二者相差5%，可見模擬結(jié)果與實(shí)測值較為接近。

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應(yīng)地表上布置觀測線，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，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，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)地表水平移動曲線

不同壓縮率地表移動和變形最大值見表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值關(guān)系

對數(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。

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。