條帶充填開采沉陷影響因素分析

趙世振，翟 迪

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

條帶開采法是一種非充分的部分開采方法[1-3]，條帶開采的沉陷控制效果較好，但采出率低、生產(chǎn)效率低，顯然不應(yīng)成為主要的沉陷控制方法。充填開采技術(shù)不僅可以解放“三下”壓煤，提高采煤率，還可以有效保護(hù)環(huán)境，但其實際應(yīng)用效果、可靠性受到多種因素影響，與預(yù)期還存在較大的差異，全采全充布置模式因覆巖整體性擾動，還存在沉陷失控的風(fēng)險，并且充填成本較高，材料來源難以保障，充填可靠性還有待提高，這些問題給充填開采方法的推廣應(yīng)用造成了障礙[4-6]。

協(xié)調(diào)開采是一種寬泛的巖層移動時空控制理念[7-9]，是指通過采區(qū)或工作面優(yōu)化布置和開采過程調(diào)整來控制巖層移動的程度、均勻性和影響過程的技術(shù)手段。朱曉俊等[10]對帶狀充填開采巖層移動機(jī)理進(jìn)行了研究，并得出了充填體與煤柱復(fù)合支撐體的強(qiáng)度規(guī)律；馬立強(qiáng)等[11]研究了淺埋煤層保水開采技術(shù)工藝并在適宜地質(zhì)條件下得到了成功應(yīng)用，戴華陽等[8]通過應(yīng)用設(shè)計，提出了村莊下“采-充-留”協(xié)調(diào)開采方案設(shè)計，并驗證了該方法對地表移動變形的良好控制效果。結(jié)合已有研究，提出了一種網(wǎng)狀帶式充填開采技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合條帶開采及充填開采的優(yōu)點，在條帶開采的同時，對上一個采空條帶即時進(jìn)行充填；再以充填體為保護(hù)條帶，對條帶煤柱采用部分充填開采，最后充填大巷，形成一個整體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充填體，充填體支撐覆巖達(dá)到減沉目的，最終實現(xiàn)煤炭全采。

1 網(wǎng)狀帶式充填開采技術(shù)

1.1 基本原理

網(wǎng)狀帶式充填開采技術(shù)是一種第Ⅰ階段先部分開采，再即時充填，第Ⅱ階段開采條帶保護(hù)煤柱，再部分充填的全采方法。依據(jù)開采沉陷基本原理，在非充分開采條件下，地表的移動變形可以得到較好的控制；而極不充分開采[12]能更大幅度地減小地表移動變形，從而達(dá)到控制地表沉陷與保護(hù)地表建(構(gòu))筑物的目的。一般來說，在采礦地質(zhì)條件一定的情況下，工作面尺寸越小，采動程度越小，對地表的影響程度越弱。結(jié)合協(xié)調(diào)開采的基本思想，在煤層中構(gòu)建多個非充分采動工作面，是網(wǎng)狀帶式充填開采的必要條件，也是其基本原理。

1.2 技術(shù)步驟

第Ⅰ階段為即時充填的條帶開采。根據(jù)具體地質(zhì)采礦條件，遵循開采寬度小于頂板破斷距的原則[13]設(shè)計條帶開采參數(shù)，在進(jìn)行下一個條帶開采的同時，對上一個開采條帶進(jìn)行充填如圖1(a)所示。第Ⅱ階段為置換條帶煤柱的部分充填開采。在工作面完成預(yù)先設(shè)定的條帶開采，假設(shè)完成即時充填措施后，巷道圍巖受開采擾動較小，巷道可再次使用。在工作面形成回采條帶煤柱的生產(chǎn)系統(tǒng)后，對保留條帶煤柱進(jìn)行開采，每開采一個條帶，隨即進(jìn)行充填，但只充填回采巷道的一部分，當(dāng)整個工作面充填完成后，充填回風(fēng)與運輸順槽，整個采區(qū)會形成一個整體連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充填體以減緩上覆巖層的垮落和地表沉陷，如圖1(b)所示。

圖1 開采流程示意

1.3 主要參數(shù)確定

根據(jù)我國開采實踐經(jīng)驗表明，考慮到現(xiàn)有的連采機(jī)連采技術(shù)的熟練使用，為提高采煤效率支巷寬度應(yīng)該盡可能的大于5 m。對于充填條帶開采而言，根據(jù)保留煤柱最小強(qiáng)度規(guī)定[14]，寬高比應(yīng)大于2，因此保留條帶寬度應(yīng)該大于4 m。

2 帶式充填開采數(shù)值模擬研究

2.1 工程概況

某礦采區(qū)走向長約3.3～4 km，傾斜寬約1.9 km，面積約6.8 km2。煤層開采上限標(biāo)高+380 m，開采下限標(biāo)高+140 m。本區(qū)主采煤層平均埋深308 m，煤層厚度2 m，為近水平煤層。

2.2 模型參數(shù)的選取與建立

2.2.1 計算模型的建立

考慮到該地區(qū)的地表變形移動角和邊界角等因素，為了保證地表的充分采動，模擬開采長度定為500 m，約1.5倍采深，向開采邊界以外延伸600 m，約2倍采深，建立對稱模型；模型高度從地表到煤層底板以下30 m。煤巖層頂?shù)装褰M成及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層頂?shù)装寮拔锢砹W(xué)參數(shù)

2.2.2 地表移動觀測線的布置

沿采煤工作面走向和傾向布設(shè)兩條觀測線，如圖2所示。記錄下沉值，走向測線從切眼前50 m開始每隔10 m設(shè)一測點，考慮到模型邊界效應(yīng)，測點布置到距采空區(qū)右邊界50 m處，共60個頂板測點，編號從“2”到“62”。傾向測線從下到上多出工作面寬度各50 m，共53個，編號從“63”到“115”。每個開采循環(huán)，記錄所有測點數(shù)據(jù)，每開挖10步記一次，由此可得出各測點在整個開采過程中的動態(tài)下沉值，繪制出各點動態(tài)變形曲線。

圖2 地表移動觀測線布置

充填體力學(xué)參數(shù)采用密度為1 370 kg/m3、體積模量為2.83 GPa、剪切模量為1.31 GPa、內(nèi)聚力為3.8 MPa、抗拉強(qiáng)度0.9 MPa及內(nèi)摩擦角為20°的高強(qiáng)度膏體充填材料。模型如圖3所示。

圖3 FLAC3D模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果

將采用傳統(tǒng)條帶開采采煤方法與采用帶狀充填法開采時地表變形的豎向位移提取出來，并繪制其等值線下沉圖。從圖4～圖7可以看出無論采用何種充填工藝進(jìn)行充填開采時地表都會出現(xiàn)中間下沉盆地，這與開采沉陷理論相符。當(dāng)采用采10留5條帶開采時地表變形明顯，盆地中心下沉值最大值為120 mm，如圖4所示；當(dāng)采用這種帶式充填采煤方法進(jìn)行開采時，地表變形比采用條帶開采時明顯有所減小，此時盆地中心的最大下沉值為55 mm，比圖4中最大下沉值減小了一半以上，如圖5所示；當(dāng)采用采10留10的條帶開采采煤方法進(jìn)行開采時，相比于采用采10留5條帶開采的地表沉陷三維圖，此時的地表沉陷下沉值縮小了約60%，如圖6所示；當(dāng)采用采10留10帶式充填開采方法進(jìn)行開采，盆地中心的最大下沉值與采10留5網(wǎng)狀充填開采方法相比相差15 mm，但回采率低了17%，如圖7所示。

圖4 采10留5條帶開采

圖5 采10留5條帶充填協(xié)調(diào)開采

圖6 采10留10條帶開采

圖7 采10留10條帶充填協(xié)調(diào)開采

4 地表巖移參數(shù)分析

4.1 最終下沉值

不同方法開采時的最終下沉值如圖8所示(TD-條帶開采；DC-帶式充填)，對應(yīng)地表下沉系數(shù)見表2。地表下沉系數(shù)計算式為

表2 不同開采方法的地表下沉最大值與下沉系數(shù)

圖8 地表下沉值

qc=wmax/Mcosα

(1)

式中，qc為下沉系數(shù)；wmax為地表最大下沉值；M為煤層厚度；α為煤層傾角。

由表2中對比可以看出對于條帶開采來說采留比與下沉系數(shù)之間有著一定的聯(lián)系，當(dāng)保留煤柱為10 m時下沉系數(shù)qc僅為保留煤柱為5 m時的42%左右，所以保留煤柱是值得關(guān)注并研究的問題，既能保證采出率達(dá)到效益最大化而又不影響地表建構(gòu)筑物的安全。而對于這種帶式充填開采，由表3可知地表下沉主要發(fā)生在條采充填的第Ⅰ階段，第Ⅱ階段置換保留煤柱的開采方式對地表的影響微乎其微，地表最大下沉值變化對于兩種采留寬方式的不同，差別僅在10～20 mm左右，但回采率相差17%，為進(jìn)一步研究這種帶式充填開采地表下沉系數(shù)與采留比之間的關(guān)系，在不改變地質(zhì)條件的前提下，以上述高強(qiáng)度充填體為原型通過改變其采留寬進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了開采地表下沉系數(shù)和采留比的數(shù)據(jù)，見表3。

從表3可看出，隨著地表最大下沉值與下沉系數(shù)qc的增加，隨開采條帶寬度與保留煤柱寬度的增加而顯著增大。當(dāng)采留寬分別為40時，第Ⅱ階段的地表下沉值是第Ⅰ階段的2倍，因此可以推測了這種充填方式充填完成后空頂破壞的臨界采留寬為40：40。

表3 不同采留比條件下的地表下沉系數(shù)

為進(jìn)一步探究該網(wǎng)狀帶式充填采煤方法的影響因素，以FLAC3D建模采20留10為背景，以上述充填體為原型，通過改變充填體彈性模量或改變采高的方式進(jìn)行數(shù)值模擬,得到數(shù)據(jù)見表4、表5。

表4 不同彈性模量充填體探究

表5 不同采高對下沉值的影響

從表4中可以看出，下沉值W隨充填體的強(qiáng)度增加而減小，當(dāng)強(qiáng)度增大到一定程度，下沉值不會有所改變，而此時的下沉值近似為未充填區(qū)域的平均下沉值。

而表5中對于不同采高的變化，下沉值的增長呈現(xiàn)線性增長，對比條帶開采的臨界采高值[16-18]，這種網(wǎng)狀帶式充填開采，臨界采高相對更大，也適用于大采高。

基于FLAC3D建立數(shù)值模型，得出各因素對最大下沉值及下沉系數(shù)關(guān)聯(lián)度排序，各因素對地表最大下沉值影響程度排序為：采留寬>采出率>采高>充填體強(qiáng)度。

4.2 主要影響半徑及主要影響角正切

在半無限開采情況下，除下沉外，主要的移動和變形值均發(fā)生在x=-r～+r的范圍之內(nèi)。故稱r為主要影響半徑如圖10所示。

圖10 參數(shù)r與tanβ的幾何意義

將x=±r的地表點與煤壁(煤層水平上x=0的點)相連，其連線與水平線之間所夾的銳角β稱為主要影響角，其正切tanβ稱為主要影響角正切。其公式為

(2)

規(guī)程中列出了我國各大礦區(qū)的實測tanβ值，一般tanβ在1.2～2.6。根據(jù)實測資料求取tanβ的方法是在傾向充分采動、走向半無限開采的走向?qū)崪y下沉曲線W(x)上，分別確定下沉值為0.16W0和0.84W0的點，它們和下沉值為0.5W0的點之平距均應(yīng)為0.4r，從中求出r(若兩個平距求得的r值稍有不同，可取均值)；然后再根據(jù)采深計算出tanβ。按照覆巖性質(zhì)區(qū)分的概率積分參數(shù)的經(jīng)驗值，此處取tanβ為1.5。

4.3 拐點偏移距

拐點偏移距就是拐點偏離采空區(qū)邊界的距離。實測曲線上拐點的位置可按其性質(zhì)確定。具體為，拐點處的下沉值為0.5W0，拐點處的傾斜和水平移動值最大，距拐點左右0.4r處的曲率和水平變形值最大。

由于實測誤差，求定的拐點偏距常不重合?？筛鶕?jù)實際情況選定最適當(dāng)?shù)墓拯c位置，拐點偏距一般為(0.05～0.3)H之間。

4.4 水平移動系數(shù)

通過地表移動預(yù)計表明地表建(構(gòu))筑物受開采影響輕微，且均在Ⅰ級以內(nèi)，下沉量較小，能有效地控制地表建(構(gòu))筑物的損害。

5 結(jié)論

(1)針對條帶開采采出率較低、全采全充成本較高的問題，提出了一種條帶開采與充填開采相結(jié)合的網(wǎng)狀帶式充填開采方法，該方法實現(xiàn)了煤層全采，并闡述了其基本原理及技術(shù)步驟。

(2)通過數(shù)值模擬分析條帶開采與帶式充填開采控制地表變形沉陷，相比較帶式充填開采，地表下沉值減少50%以上，并給出了充填區(qū)域的極限垮距為40：40，當(dāng)采留寬為40：40時，第Ⅱ階段置換保留煤柱地表最大下沉值會翻倍。

(3)地表下沉值隨充填體的強(qiáng)度增加而減小，當(dāng)強(qiáng)度增大到一定程度，下沉值不會有所改變，而對于不同采高的變化，下沉值的增長呈線性增長，對比條帶開采的臨界采高值，網(wǎng)狀帶式充填開采，臨界采高相對更大，因此這種方法同樣適用于大采高。

(4)通過模擬，得出各個因素對地表下沉影響程度的排列順序：采留寬>采出率>采高>充填體強(qiáng)度。并通過對臨界采留寬之內(nèi)的不同采留寬布置對地表下沉的預(yù)計，結(jié)果顯示地表下沉對建(構(gòu))筑物的影響都在Ⅰ級影響之內(nèi)。