不同采煤方法下開采沉陷的數值模擬研究

劉樹新，蘇彥斌，韓興華(.內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古 包頭 0400；.太原理工大學采礦工藝研究所，山西 太原 03004)

不同采煤方法下開采沉陷的數值模擬研究

劉樹新1，蘇彥斌1，韓興華2
(1.內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古 包頭 014010；2.太原理工大學采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

為了對比充填開采及條帶開采對地表及覆巖破壞控制的效果，本文基于實驗室制備的充填材料和理論計算得到的條帶開采方案，運用數值模擬軟件FLAC3D對條帶開采、充填開采過程中地表移動變形及覆巖應力場變化情況進行詳細分析。結果表明：充填開采中覆巖釋放了少許彈性應變能，其應力略小于原巖應力，覆巖應力場呈線性規律變化。條帶開采中覆巖應力場出現應力增高區，煤柱兩端應力集中現象嚴重，圍巖穩定性弱于充填開采。兩種開采方法下地表沉陷均遠小于垮落開采，條帶開采中地表各變形值均小于建筑物I級破壞允許值，充填法中地表曲率僅比該允許值大0.02mm/m2，仍能保證地面建筑物的安全性。故采用充填開采對地表及覆巖變形的控制效果更佳。

開采沉陷；控制效果；條帶開采；充填開采；數值模擬

大規模的地下采礦會造成一系列的開采沉陷問題。開采沉陷會造成礦區土地塌陷、地面積水、農田損壞、道路塌陷、地表建筑物變形破壞等。目前我國不少煤礦采煤花費在遷村、修路方面的費用已經到了無法承受的地步。地下開采所引起的覆巖運動與地表沉陷是一個復雜的力學變化過程[1-2]。從煤層開采、頂板垮落、覆巖破壞至地表變形，是一個原巖應力場破壞、新應力場重新分布、平衡的過程。當采場開挖后，采空區直接頂在自重應力場作用下，產生下沉、彎曲直至垮落。老頂則以懸臂梁彎曲的形式沿層理面法線方向運動，最終斷裂、離層。隨著工作面繼續推進，覆巖變形將波及地表，在地表形成一個比采空區大得多的下沉盆地。因此由開采引起的巖層及地表移動變形是造成礦區塌陷的根源，有效控制地表塌陷程度是解決此問題的根本之路。

目前控制和減小地表沉陷的主要途徑有充填開采、條帶開采等[3-6]。充填開采是采用充填材料來充填開采形成的采空區，其地表沉陷控制效果取決于充填體自身的強度、充填的接頂程度以及采空區的密實程度。國內主要的充填方法有水砂充填、矸石充填、膏體充填及高水充填[7-9]。條帶開采是目前國內“三下”開采地表沉陷控制的主要途徑，應用最為廣泛[10]。條帶開采的原理是把要開采的煤層劃分成走向條帶或傾斜條帶，采一條，留一條，并利用保留的條帶煤柱支撐上覆巖層，從而減少覆巖沉陷控制地表的移動和變形，達到地面保護目[11]。

本文采用實驗室制備的充填材料通過數值模擬的方法對垮落開采、充填開采以及條帶開采引起的覆巖移動、圍巖應力變化及地表移動變形等方面進行了初步探討。

1 工程背景及數值模型

文章以山西某煤礦為工程背景，該礦平均采厚4m，為近水平煤層且埋藏較淺，平均埋深為311m，地質參數如表1所示。模型走向長度為620m，傾向長度為550m，模擬工作面為150m，推進長度為300m。模型兩側限制水平移動，下部邊界為固支約束，上表面為自由面。采區上部地表被2個村莊覆蓋，由于地表建筑抗變形能力較差，而傳統的開采方法必然會造成嚴重的地表沉陷，最終使得建筑物破壞。為了實現不遷村開采并把開采沉陷控制在合理的范圍內，文中對比了條帶法和充填法對地表沉陷的控制作用，并得出了合理的方案。

表1 覆巖物理力學參數

2 開采方案及數值分析

2.1 開采方案

1)垮落開采。為了對比以下兩種方法控制開采沉陷的效果，文章模擬了垮落法開采下地表及覆巖的移動變形。

2)充填開采。膏體充填材料由實驗室按粉煤灰、水泥和煤矸石比例為4∶1∶3，并加入不同含量的膨潤土配置而成。這樣，膏體材料不但不下沉并且膨脹率大于1，從而解決了充填體不能完全接頂的問題。模擬過程采用全采全充的方式，并對充填體強度循環賦值來實現井下充填過程中膏體由流態變為固態過程中強度逐漸增強的實際情況。

3)條帶開采。采出寬度根據采深、采高以及關鍵層極限跨距確定，留設煤柱寬度根據煤柱能長期保持穩定的安全因素及采出率來確定。經過理論計算最終確定采、留寬度均為55m，采出率達到50%。

2.2 數值結果分析

FLAC3D能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為。但其在圖形結果后處理上存在著不足，其結果云圖中位移和應力分布等值線沒有定量的顯示出具體結果，不利于進一步分析。Tecplot是Amtec公司推出的一個功能強大的數據分析和可視化處理軟件，是數值模擬后對結果數據進行分析和處理的理想工具。文中用Tecplot對FLAC3D模擬結果進行量化處理，得到不同開采方法下走向主斷面的下沉等值線和應力分布等值線。

2.2.1 變形分析

圖1為由地表水平移動值計算得到的水平變形曲線，最大壓縮變形發生在采空區中心處以上地表，最大拉伸變形發生在邊界點與拐點之間。由于沙土的抗壓強度遠大于抗拉強度，所以地表破壞一般都是拉伸破壞，故應加強處于拉伸區地表建筑物的保護。

圖1 地表水平變形曲線

圖2、圖3為走向主斷面，其中橫軸表示工作面推進方向，縱軸表示地層標高。圖2為不同開采條件下走向主斷面變形等值線。移動盆地的邊界角是主斷面下沉為0.01m的點和采空區的連線與水平線在煤柱一側的夾角。顯然，圖2中邊界角由大到小依次為b、c、a，故下沉盆地范圍為垮落法大于條帶法大于充填法。圖2(a)垮落法開采中，隨著工作面的推進，直接頂的下沉量達到0.3m，并與基本頂相繼垮落，關鍵層產生較大的彎曲變形，當達到其極限跨距時發生破斷，因此標高為-230m以上區域發生離層。這種變形波及到地表，并形成走向長度遠大于500m的移動盆地。圖2(b)充填開采中，由于充填體早期強度較低，部分直接頂發生垮落。隨著充填體后期強度的增強及垮落巖石的碎脹壓實，基本頂并不垮落，而只發生彎曲。而這種彎曲通過關鍵層傳遞到地表，造成地表下沉。圖2(c)條帶開采中，條帶采空區頂板發生垮落，下沉量達到0.13m，其上方覆巖下沉量大于條帶煤柱上方覆巖。但在標高為-220m以上區域，條帶采空區和煤柱上方下沉量趨于一致，并一致傳遞到地表。表明條帶法開采時地表變形是由標高-220m以下區域的下沉累積而成。表2列出了不同開采條件下地表變形各指標的最大值。

表2 不同開采方法下地表變形指標

2.2.2 應力場分析

圖3為走向主斷面垂直應力等值線，比較圖3a、b、c可知，標高-75m之上，三種開采方法均處于原巖應力區，并無出現二次應力擾動。圖3(a)中，采空區以上覆巖由于垮落破壞造成巖石中部分彈性變形能釋放，從而出現應力降低甚至應力為零區。而大部分應力則轉移到煤柱兩側，使得兩側煤柱出現應力集中，最大應力達到14MPa，應力集中系數為2。故采空區兩端煤柱破壞最嚴重。圖3(b)充填法中，由于充填體強度的滯后性，使得上覆巖層少許破壞，故而垂直應力分布略小于原巖應力，且采空區兩端煤柱略有應力集中現象，最大應力為9.5MPa，應力集中系數為1.35。但由于后期充填體發揮支撐作用，故充填開采下覆巖的垂直應力呈線性分布。圖3(c)中，標高-150m之上，垂直應力為原巖應力場。而條帶采空區之上區域由于巖層破壞，應力減小，并轉移到留設煤柱上，故煤柱上方應力大于原巖應力。煤柱兩端最大應力11MPa，應力集中系數1.56。對比得出，充填法上覆巖層應力場最接近原巖應力場，故而圍巖最穩定。

2.2.3 破壞過程分析

2.2.3.1 穩態分析

圖2 走向主斷面下沉等值線
(圖中曲線表示走向主斷面覆巖下沉值，單位m)

圖3 走向主斷面垂直應力分布等值線
(注：圖中曲線表示走向主斷面覆巖垂直應力分布，單位Pa)

圖4為開采穩定后各開采方法塑性區分布。圖4(a)為垮落法開采塑性區分布，傳統開采覆巖破壞嚴重，破壞高度為126m處泥巖，大面積垮落為中砂巖，高度為33m。砂礫巖以上亞關鍵層以下并不出現大面積垮落，只在煤柱兩端上覆巖層出現拉伸破壞。亞關鍵層之上細砂巖破壞區域也較大，隨著主關鍵層下方巖層的破斷垮落，巖層間的鉸接力消失，導致了主關鍵層的斷裂。采用充填法開采時(圖4(b))，頂板4m處發生拉伸破壞，兩端邊緣發生少許剪切破壞，部分底板出現拉伸破壞，正是充填體的支護作用減弱了頂板的破壞。采用條帶法開采時(圖4(c))，條帶采空區上方破壞高度達到20m，且中部垮落最為嚴重為拉伸破壞。煤柱兩端為應力增高區，為壓剪破壞，煤柱中部并無發生破壞。說明煤柱兩端的塑性區承載了大部分載荷，而核區處載荷較小，保證了煤柱的穩定性。

2.2.3.2 動態分析

圖5為地表走向主斷面測線中點在開采過程中的下沉速率。充填法中由于覆巖變形空間減小，關鍵層變形量較小，地表下沉速率明顯小于垮落法開采。但仍然出現一個高峰值，其原因一方面是因為充填體早期強度較小并未起到支撐作用，另一方面是因為充填前頂板已有下沉，這樣就導致了前期地表下沉出現最大值。后期下沉速率逐漸減小，說明后期充填體的支撐作用阻礙了地表下沉，并且圖5中下沉曲線未出現周期性變化，說明關鍵層并未發生周期性折斷，依然可以作為覆巖自重的承載主體。條帶法中下沉速率略大于充填開采，且下沉曲線出現周期性的增大減小。這是因為條帶開采中隨著條帶不斷地采出，上覆巖層不斷地處于“動態平衡”中，但由于垮落矸石及煤柱的的支撐作用，下沉速率仍然呈減小趨勢。圖5(c)中主關鍵層破斷前，隨著采空區面積的增大，裂隙帶運動范圍急速擴大，使得地表下沉速率處于增速段。當主關鍵層初次斷裂時，地表測點的下沉速度達到高峰值，此后隨著頂板的垮落、壓實以及未垮落關鍵層的支撐作用，地表下沉速度逐漸減小，并隨主關鍵層的周期破斷呈跳躍性變化。每一次主關鍵層破斷，都會引起地表的急劇下沉，但下沉速率的高峰值逐漸減小，地表下沉整體呈現減速段，而且從圖中得知關鍵層的周期垮落歩距小于初次垮落歩距，并且呈遞減規律。

圖4 塑性區分布

圖5 地表點下沉速率

3 結 語

1)充填材料的力學測試及數值模擬表明充填體后期強度大，且有一定膨脹性，能有效支撐頂板，控制地表下沉。充填開采中覆巖變形、破壞較小，圍巖應力場接近于原巖應力，穩定性強于條帶開采。

2)數值分析表明條帶開采對地表下沉的控制效果略好于充填開采。條帶開采過程中表征地表的各項指標均小于建筑物I級破壞范圍；充填開采中，只有最大曲率值0.22m-1·10-3略大于允許值，但仍能保持建筑物的安全。

3)綜合分析可得出在同等采礦條件下，兩種開采方法相較于傳統的垮落法開采，都能很好的限制地表及圍巖變形。但充填開采對覆巖穩定性及地表沉陷的控制程度要優于條帶開采。

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The numerical simulation of the mining subsidence in different mining methods

LIU Shu-xin1，SU Yan-bin1，HAN Xing-hua2

(1.Mining Academy，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China；2.Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

The surface deformation and the variation of overburden stress field in different mining methods are analyzed by FLAC3Din order to contrast the control effect of surface and overlying strata deformation between filling mining and strip mining，which are based on the filling material prepared in the lab and the theoretical strip mining scheme.The results show that a little of overburden elastic strain energy is released in the filling mining，which stress is smaller than the in-situ rock stress and the stress field varies with an almost linear fashion.There exist high-stress area in the overlying strata and stress concentration in the coal pillar of strip mining，so the stability of surrounding rock is less than the filling mining.The surface subsidence in the two mining methods is far less than the caving mining and the values of surface deformation are less than the allowable values of the buildings grade I in strip mining.Though the value of surface curvature is 0.02mm/m2bigger than the allowable value in filling mining，it can insure the safety of ground buildings.So the control effects of surface and overburden deformation are the best in the filling mining.

mining subsidence；control effect；strip mining；filling mining；numerical simulation

2015-02-05

國家自然科學基金項目“開采擾動下峰后煤巖體結構特征及其強度衰減規律研究”資助(編號：51264028)；內蒙古自治區高等學校科學研究項目資助(編號：NJZY11147)；內蒙古科技大學產學研合作培育基金項目資助(編號：PY-201212)

劉樹新(1971-)，男，內蒙古豐鎮人，教授，主要從事巖石力學與工程、礦山地壓控制和礦井開采及災害防治的研究及應用。

蘇彥斌(1989-)，男，山西呂梁人，碩士，攻讀內蒙古科技大學采礦工程專業，研究方向為礦山壓力及巖層控制。

TD327

A

1004-4051(2015)12-0089-05