固體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)與控制研究

李新旺，屈正一，程立朝，郭翔宇，李文貴

（1.河北工程大學(xué)礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué)河北省高校煤炭資源開發(fā)與建設(shè)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

我國(guó)每年遭到破壞的土地中有10%是由于煤礦開采活動(dòng)造成的，煤炭開采活動(dòng)引起的覆巖沉陷對(duì)地表環(huán)境的影響是非常巨大的[1-2]。固體充填開采可以有效解決礦區(qū)地表沉陷，符合國(guó)家“十三五”規(guī)劃中礦業(yè)綠色發(fā)展的要求，因此進(jìn)行了大量的工程運(yùn)用[3-4]。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者通過(guò)不同角度，針對(duì)固體充填開采覆巖移動(dòng)變形控制及地表沉陷預(yù)計(jì)理論方面取得了大量研究成果，繆協(xié)興、張吉雄[5-6]等通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了“等價(jià)采高”模型，將垮落法采場(chǎng)礦壓理論與開采沉陷預(yù)計(jì)相結(jié)合，以此研究得到采空區(qū)矸石充填時(shí)的地表下沉及變形的峰值；張升[7]等通過(guò)垮落法與固體充填法開采條件下的覆巖運(yùn)移特征，得到了極近距離煤層覆巖運(yùn)移控制關(guān)鍵；許家林[8]等通過(guò)實(shí)測(cè)和模擬的方式研究了關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)上覆巖層和地表的控制作用；王磊[9]提出了固體密實(shí)充填開采有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層和無(wú)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層兩種巖層移動(dòng)模式，并通過(guò)相似材料模擬研究了兩種模式下固體密實(shí)充填開采巖層移動(dòng)特征。

前人取得了大量研究成果，但是目前我國(guó)固體充填開采仍然存在著經(jīng)驗(yàn)化、定性決策的開采理念，針對(duì)具體的工程背景對(duì)地表沉陷值進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)計(jì)，以及不同初始充填率條件下的覆巖運(yùn)移和地表沉陷特征的研究較少。本文以邢臺(tái)礦充填工作面為背景，采用理論分析、相似模擬和數(shù)值模擬方法，分析固體充填開采初始充填率與地表沉陷值之間的量化關(guān)系和控制效果，為我國(guó)精準(zhǔn)量化充填開采技術(shù)方面的研究提供一定的參考。

1 固體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)理論分析

1.1 覆巖運(yùn)移與地表沉陷影響因素分析

固體充填開采作業(yè)時(shí)，工作面覆巖運(yùn)移主要由充填法開采的3個(gè)因素所引起：充填前工作面頂板下沉量z0；充填率決定的充填體欠接頂量W1；充填體壓縮率決定的壓縮量W2。

1.2 固體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型

根據(jù)礦山開采沉陷學(xué)[10]的概率積分法，計(jì)算垮落法開采的地表下沉公式：

式中：q為地表下沉系數(shù)；M為采高；α為煤層傾角。

借鑒垮落法處理采空區(qū)時(shí)地表下沉公式，采用充填法處理近水平和緩傾斜的采空區(qū)，地表最大下沉值[11]

式中：Wz為充填法開采引起的地表下沉值；qc為充填開采地表下沉系數(shù)；α為煤層傾角；kg為充填體地基系數(shù)；km為煤層地基系數(shù)；Pz為工作面覆巖載荷；U0為頂板與充填體接觸時(shí)的下沉量。

由式（2）可知，采區(qū)其他條件確定的情況下，提高kg和減少U0可有效降低地表沉降。其中，在充填工作面進(jìn)行“即采即充”的作業(yè)條件下，可以將初始充填率決定的充填體欠接頂量視為頂板與充填體接觸時(shí)的下沉量：

式中：μ為初始充填率；M為采高。

將式（3）代入式（2），充填開采地表最大下沉值：

分析充填開采地表下沉值與充填體之間的量化關(guān)系可知，采高一定的條件下，地表下沉值主要與充填體地基梁地基系數(shù)kg、初始充填率μ有關(guān)。因此，精準(zhǔn)控制kg和μ的大小，可以進(jìn)行地表沉降預(yù)計(jì)，精準(zhǔn)控制地表沉陷，滿足不同工程需要。

2 充填開采地表沉陷相似模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

選擇邢臺(tái)礦為實(shí)際地質(zhì)原型。該礦充填工作面所在煤層平均埋深為320 m，平均厚度為6 m，平均傾角9°，容重1.8 t/m3，煤層直接頂?shù)装鍘r性均為砂質(zhì)頁(yè)巖。相似模擬平臺(tái)規(guī)格為長(zhǎng)×寬×高=250 cm×18 cm×120 cm。模型煤層簡(jiǎn)化為水平煤層，煤層覆巖與底板巖性不變并適當(dāng)調(diào)整各巖層厚度，模型巖層搭建直達(dá)地表，不施加任何載荷。為消除邊界效應(yīng)，煤層左右兩邊各設(shè)置30 cm煤柱，工作面長(zhǎng)度為190 cm。根據(jù)其實(shí)際地質(zhì)資料和實(shí)驗(yàn)室條件，確定幾何相似比1∶250，容重相似比1∶1.6，應(yīng)力相似比1∶400，選用細(xì)沙作為骨料，石膏和膩?zhàn)臃圩鳛槟z結(jié)料，材料配比見表1。

表1 模型巖層材料配比Table 1 Material ratio of model rock stratum

續(xù)表

2.2 開挖充填模擬方案設(shè)計(jì)

在模型鋪設(shè)過(guò)程中，依據(jù)模型巖層材料配比表依次鋪設(shè)各層材料，模型自然養(yǎng)護(hù)至完全風(fēng)干，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室與工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，模型需靜置30 min后進(jìn)行充采作業(yè)，每次開采長(zhǎng)度為5 cm，間隔時(shí)間為30 min，初始充填率為90%。實(shí)驗(yàn)計(jì)劃每開挖一個(gè)步距用時(shí)約5 min，靜置25 min后再開挖下一步，以此類推直至停采線。為記錄工作面充采過(guò)程中覆巖及地表的移動(dòng)與變形情況，使用XTDP三維光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，從上至下設(shè)置10條測(cè)線。

為記錄充采過(guò)程中工作面覆巖及煤柱的應(yīng)力變化，使用YBY-4010應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)記錄，在煤層開采范圍上方10 cm處每間隔15 cm布置1個(gè)微型土壓力盒，同時(shí)在煤層左右煤柱距離邊界20 cm處各布置1個(gè)微型土壓力盒，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。為了保證模型開挖充填過(guò)程中充填體模擬材料與現(xiàn)場(chǎng)充填材料變形特性盡可能相似，最符合相似模擬實(shí)驗(yàn)充填相似材料的泡沫組合應(yīng)為軟泡沫∶硬泡沫=1∶3[12]。

圖1 物理模型測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of measuring points of physical model

2.3 充填開采覆巖運(yùn)移及地表沉陷規(guī)律

采用XTDP三維光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模型每開挖5 cm后的工作面覆巖運(yùn)移活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，經(jīng)過(guò)軟件處理，分別選取初始狀態(tài)、工作面推進(jìn)60、120、180及190 cm（實(shí)際推進(jìn)分別為150、300、450及475 m）的覆巖運(yùn)移云圖，如圖2所示，并提取圖1中1號(hào)測(cè)線所代表的地表沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖2 工作面不同推進(jìn)距離上覆巖層運(yùn)移云圖Fig.2 The migration nephogram of overlying strata at different advancing distances of working face

（1）由圖2可知，工作面推進(jìn)60、120、180及190 cm的直接頂最大沉降值分別為2.42、4.405、4.612和5.067 mm，實(shí)際最大沉降值分別為0.605、1.101、1.153和1.267 m，表明隨著充填工作面推進(jìn)，工作面前后覆巖出現(xiàn)了不同程度的運(yùn)移、變形和破壞。

（2）運(yùn)移云圖測(cè)點(diǎn)方向基本朝下，覆巖運(yùn)移變形的范圍隨充填步距的推進(jìn)而向地表蔓延的同時(shí)，運(yùn)移活動(dòng)程度也隨充填工作面的推進(jìn)而加劇，巖層逐步發(fā)生垮落、破壞及變形直至地表。伴隨工作面的推進(jìn)，開采范圍的增大，煤柱及其上方巖層也出現(xiàn)了較小的運(yùn)移形變，說(shuō)明煤柱因?yàn)槭艿介_采擾動(dòng)的影響承載了工作面覆巖的部分載荷。

提取工作面充采過(guò)程中不同推進(jìn)階段的1號(hào)測(cè)線地表沉陷數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 不同推進(jìn)階段地表沉陷曲線Fig.3 Surface subsidence curves at different advancing stages

由圖3可知，受到開采擾動(dòng)影響，地表形成明顯的地表沉陷盆地且圍繞開采邊界范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)移，并且隨著工作面的推進(jìn)，地表沉陷影響范圍逐漸擴(kuò)大，下沉曲線與下沉最大值點(diǎn)基本呈對(duì)稱狀態(tài)，沉陷盆地中心朝充填工作面的推進(jìn)方向移動(dòng)。隨著工作面推進(jìn)至停采線190 cm時(shí)，地表沉陷最大值為1.78 mm，實(shí)際為0.445 m。

3 充填開采覆巖運(yùn)移及地表沉陷數(shù)值模擬

3.1 模型建立與方案設(shè)計(jì)

根據(jù)邢臺(tái)礦實(shí)際地質(zhì)資料，建立不同初始充填率條件下的FLAC3D固體充填開采工作面計(jì)算模型，模型尺寸為625×50×330，如圖4所示。煤巖層本構(gòu)模型采用M-C模型，四周邊界設(shè)置X、Y方向位移約束條件，下部設(shè)置Z方向位移約束條件。為對(duì)比分析充填開采的地表沉陷控制效果，設(shè)置充填開采條件下的不同初始充填率（80%、85%、90%、95%）和垮落法開采條件下的計(jì)算模型?？紤]到實(shí)際情況且減少邊界效應(yīng)，留設(shè)煤層左右各100 m煤柱，煤層中部425 m為開采范圍。為更好表征地表沉陷規(guī)律和控制效果，開采方式設(shè)置為隨采隨充，每一個(gè)步距為12.5 m，以此類推，直至停采。

圖4 固體充填開采煤巖層模型Fig.4 Coal stratum model of solid filling mining

3.2 固體充填開采地表沉陷規(guī)律研究

通過(guò)模擬充填開采和垮落法開采模型，對(duì)地表沉陷值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并繪制曲線圖，如圖5所示。

圖5 充填開采與垮落法開采地表沉陷值變化Fig.5 Changes of surface subsidence value in filling mining and caving mining

（1）由圖5可知，當(dāng)采用固體充填開采技術(shù)時(shí)，采區(qū)地表運(yùn)移狀態(tài)主要體現(xiàn)為垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，在充填體強(qiáng)度及壓縮率一定的情況下，初始充填率為80%、85%、90%及95%的地表下沉最大值分別為24.18、23.76、23.02及22.35 cm，地表沉陷值隨初始充填率的升高而降低。由此可知，提高采空區(qū)初始充填率可以降低充填體欠接頂量，采用隨采隨充的充填開采方式可以有效抑制地表沉陷，抑制地表沉陷影響范圍的擴(kuò)張。

（2）垮落法開采和固體充填開采地表下沉曲線形態(tài)類似，以下沉值為中心左右對(duì)稱，呈“V”形狀，與相似模擬中的地表沉陷盆地相對(duì)應(yīng)。地表沉陷極值處于工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的中心處，即地表沉陷極值離始采線和工作面越遠(yuǎn)，地表下沉量越大。

4 工程應(yīng)用及分析

為證明沉陷預(yù)計(jì)模型預(yù)計(jì)地表沉陷方法的可行性，從地表下沉系數(shù)和地表沉陷量?jī)蓚€(gè)角度分析，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬、相似模擬、沉陷預(yù)計(jì)模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

邢臺(tái)礦充填工作面所采煤層為2號(hào)煤，工作面范圍內(nèi)煤層平均厚度為6.14 m，埋深320 m，煤層傾角2°～14°，平均傾角9°，充填工作面采用即采即充方法進(jìn)行作業(yè)。運(yùn)用固體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型對(duì)2號(hào)煤開采后的地表沉陷值進(jìn)行預(yù)計(jì)，沉陷預(yù)計(jì)模型參數(shù)取值見表2。

表2 沉陷預(yù)計(jì)模型固定參數(shù)Table 2 Fixed parameters of settlement prediction model

將地表觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與不同初始充填率條件下的數(shù)值模擬、相似模擬、沉陷預(yù)計(jì)模型的地表沉陷值和下沉系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，見表3。

表3 沉陷預(yù)計(jì)模型、數(shù)值模擬、相似模擬和工程實(shí)測(cè)值結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of subsidence prediction model numerical simulation similar simulation and engineering measured values

（1）邢臺(tái)礦區(qū)多年地表沉降觀測(cè)得到，垮落法開采地表下沉系數(shù)為0.75～0.85，數(shù)值模擬、相似模擬、沉陷預(yù)計(jì)模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)下沉系數(shù)分別為實(shí)際的6.47%～7.73%、8.72%～9.88%、5.88%～6.67%和10.95%～12.41%，說(shuō)明固體充填開采的下沉系數(shù)隨初始充填率的升高而降低，固體充填開采能有效控制地表沉陷。

（2）初始充填率80%條件下的數(shù)值模擬、沉陷預(yù)計(jì)模型和實(shí)測(cè)結(jié)果分別為24.18、29.91和55.7 cm，說(shuō)明采用沉陷預(yù)計(jì)模型對(duì)地表沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì)的方法是可行的，但是沉陷預(yù)計(jì)模型的結(jié)果較比工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏小，說(shuō)明在井下實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于初始充填率的把控沒有像數(shù)值模擬和沉陷預(yù)計(jì)模型一樣精確。

（3）沉陷預(yù)計(jì)模型對(duì)于數(shù)值模擬條件下是適用的，兩者結(jié)果相近，通過(guò)調(diào)整不同工程背景的煤巖層參數(shù)，可以得到符合沉陷預(yù)計(jì)模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，為充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)和地表沉陷控制方案提供一定的借鑒。

5 結(jié) 論

（1）基于概率積分法與彈性地基理論相結(jié)合，構(gòu)建固體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型，采用不同方法分析驗(yàn)證了通過(guò)控制初始充填率對(duì)地表沉陷值進(jìn)行預(yù)計(jì)的方法是可行的，為固體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)和控制做出了一定的理論參考。

（2）揭示了固體充填開采中充填工作面覆巖和地表隨不同推進(jìn)階段而表現(xiàn)出的運(yùn)移變形規(guī)律，充填工作面地表運(yùn)移關(guān)于沉陷中心對(duì)稱并產(chǎn)生最大下沉值，地表沉陷中心隨充填工作面的推進(jìn)而移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本反映了充填開采過(guò)程中采區(qū)地表的下沉規(guī)律，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

（3）初始充填率是控制地表沉陷的關(guān)鍵因素，與地表沉陷值呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)初始充填率由80%提升到95%時(shí)，地表沉陷值由24.18 cm降至22.35 cm，降幅為7.57%，因此合理提高初始充填率能降低充填體欠接頂量，有效降低工作面地表沉陷，保護(hù)地表建、構(gòu)筑物。