膏體充填開采圍巖變形及地表移動實驗模擬研究

賈林剛，孫萬明，張華興

(天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

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膏體充填開采圍巖變形及地表移動實驗模擬研究

賈林剛，孫萬明，張華興

(天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

[摘要]以某煤礦2307充填開采工作面為原型，采用相似模擬與數值模擬相結合的方法，建立地質力學模型，模擬分析了開采充填過程中圍巖、地表的力學演化規律和移動變形過程。研究表明：充填開采可有效控制覆巖破壞和地表變形，頂板出現離層裂隙，但未垮落，最大下沉滯后工作面約58.5m；開采過程中圍巖應力釋放，頂板出現拉伸，采空區前后端及底板出現應力集中，為開采前的1.47~1.78倍，充填工作面周期來壓不明顯；開挖后地面下沉值為212.7mm，下沉系數為0.06，地面水平變形和傾斜變形形態與垮落法管理頂板曲線形態相似，量值較小。

[關鍵詞]充填開采；模擬實驗；數值計算；圍巖應力；地表移動

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.016

[引用格式]賈林剛，孫萬明，張華興.膏體充填開采圍巖變形及地表移動實驗模擬研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：57-61.

1概述

充填開采是一種以提高煤炭資源采出率、保護地面環境為目的的礦山綠色開采技術[1-3]。據不完全統計，全國“三下”壓煤達13.7Gt[4]。煤炭作為目前主要的能源，“三下”壓煤應盡量采出，同時要保護地面建筑物及環境不被破壞，充填開采能很好地兼顧煤炭資源的充分回收和環境的有效保護問題。充填開采技術發展幾十年來，許多專家學者在這方面進行了大量的理論研究和工程實踐，文獻[5]～[8]研究了膏體材料的力學性能、圍巖結構模型、充填工作面支架與圍巖壓力關系等問題。文獻[9]進行了條帶充填開采的沉陷研究，建立了條帶充填開采設計原則,研究了條帶充填開采技術原理和適用性。文獻[10]進行了三軸蠕變試驗，推導了時間和應力變量的損傷演化方程,研究了膏體充填開采膠結體的蠕變特性。文獻[11]采用相似模擬研究了山區地表的采動影響移動規律，揭示了山區地表移動與變形的特點和基本規律。各專家學者雖然做了大量的工作，從各自角度得出了許多有益的結論，并在生產實踐中取得了良好的效果，但由于充填區域具有“黑箱”效應，充填開采過程中，難以直接觀測得到覆巖應力變化及變形特征數據，覆巖破壞機理及移動規律需要以實驗室相似材料模擬試驗和數值模擬計算等手段進行情景再現，取得相應數據并進行覆巖的力學演化特性和地表移動變形規律的深入研究。本文以陜西某礦膏體充填開采工作面為實踐背景，進行了充填開采相似模擬試驗和數值模擬計算分析，以研究揭示該種條件下采場覆巖的應力及地表位移變化規律，為膏體充填開采采場覆巖及地表活動規律提供理論依據。

2工程實例

陜西某煤礦2307工作面位于該礦井的西南部，主采3號煤層位于侏羅系中侏羅統延安組，平均埋深190m，采厚3.5m，煤層傾角為1°，該區域地質構造簡單，第四系松散層厚度約20m，工作面長1150m，寬160m。該區域地面為風積沙，屬于半沙漠丘陵地貌，生態系統比較脆弱。為了控制地表沉陷，保持含水層不被破壞，采用綜合機械化長壁膏體充填開采工藝進行回采，充填體為風積沙、粉煤灰、水泥和輔料制成的膏體。煤層頂板巖性為砂巖、粉砂巖、泥質砂巖和泥巖，直接頂板厚度約為2.2m，底板為細粒砂巖和泥巖，巖性較軟，易底鼓。回采過程中，在運輸巷采取沿空留巷。

3相似模擬實驗設計

3.1　相似原理

按照相似理論，相似模擬實驗必須滿足以下相似條件[12-14]。

(1)幾何相似：

CL=L1/L2

(1)

式中，CL為幾何相似比；L1，L2分別為原型和模型尺寸，m。

(2)動力相似：

Cγ=γ1/γ2

(2)

Cσ=σ1/σ2

(3)

式中，Cγ為容重比；γ1，γ2分別為原型和模型巖層的容重；Cσ為單軸抗壓強度比；σ1，σ2分別為原型和模型巖層的單軸抗壓強度。

(3)運動相似：

Ct=t1/t2

(4)

式中，Ct為時間相似比；t1，t2分別為原型和模型中對應點完成沿幾何相似的軌跡運動所需的時間。

3.2　模型材料

根據該煤礦2307工作面煤巖層條件，選擇制作相似模擬材料的原材料。相似模擬材料主要由兩種成分組成：骨料和膠結料。骨料所占比重較大，是膠結料膠結的對象，其物理力學性質對相似材料的性質有重要的影響，本實驗骨料選用細砂，膠結料采用石灰和石膏。充填體為按照煤體強度比例、充填開采步距及充填率按90%制成的模塊，模型材料及配比如表1所示。

表1　實驗巖層相似材料及配比

3.3　模擬充填開采及測點布置

通過按步距“先開挖、后充填”的方式實現充填開采，其中“充填”是在煤層開挖后通過將預先用相似材料制作的充填塊充填至采空區的方式實現。考慮開采過程中頂板下沉、實際充填體充填及凝固時間段頂板的下沉，模擬時充填率按90%考慮，模型中煤層厚21mm，預先制作的充填塊厚為19mm。

模型制作過程中在煤層底板埋設壓力傳感器，其水平間距100mm，共計15臺，在實驗過程中每開挖1次采集1組數據，用來記錄開采過程中工作面頂板應力及充填體受力變化，測點水平方向間距為150mm，豎直方向80～150mm，共計9行、11列。模擬實驗過程中采用電子經緯儀觀測采集數據，DH3816靜態應變測試系統測試應力。

3.4　模擬結果分析

通過相似模擬實驗，對充填開采過程中覆巖應力變化和位移進行分析，可得出：

(1)充填開采覆巖應力變化較小，未出現明顯周期來壓受充填體支撐作用，頂板及圍巖應力小于巖體抗拉和抗壓強度。當開采至25m時，頂板出現微小裂隙，充填體開始承受頂板壓力，隨著工作面的推進，已替換煤層的充填體逐漸被覆巖壓實，說明直接頂極限跨距為25m，壓力峰值主要集中在采空區前方煤壁，其應力測點壓力在5.15～5.50MPa之間。

(2)充填開采可有效控制覆巖破壞，使地表變形趨勢趨緩在開挖至76.5m時，直接頂與基本頂之間產生明顯裂隙，在滯后工作面處，上位頂板以及基本頂巖層間出現的離層裂隙(圖1(a))，離層裂隙高度為31.6m，處于切眼和工作面煤壁距離的中間；隨著開采充填的繼續，裂隙逐漸向前推移，后方裂隙逐漸閉合，頂板離層裂隙向上發展。模擬長度為135m時，裂隙長度和裂縫寬度達到最大(圖1(b))。經測算，全部開挖、充填后，頂板離層發育位置位于煤層以上約88.4m(圖1(c))處。開采充填過程，由于充填率較高，充填步距控制為10m，頂板和充填體之間空間有限，未出現豎向或斜向裂隙，說明頂板巖層未斷裂、垮落。

圖1　模型裂隙發育

(3)頂板及地表最大下沉值滯后于開采充填工作面在開采充填初期，頂板保持完好，覆巖移動測點位移微小。隨著工作面向前推進，頂板開始下沉并逐漸增大。圖2為工作面推進115m，200m，280m時頂板測點的動態下沉曲線。由圖可知，當推進到距切眼25m時，頂板覆巖下沉移動增大；根據工作面推進到200m，280m時的曲線顯示，工作面推進到距切眼150m處位置時，工作面后方的頂板覆巖下沉趨于緩慢；推進到115m時頂板最大下沉值為40mm，推進到200m時頂板最大下沉值為173mm，當推進到約256m時，頂板下沉達到最大值，最大下沉值約為200mm，最大下沉值滯后于工作面約58.5m。

圖2　充填開采煤層直接頂板下沉量隨工作面推進的變化曲線

4數值模擬計算分析

在充填開采過程中，頂板不垮落，保持連續完整狀態，因此可以采用以連續介質為基礎的FLAC3D數值模擬軟件進行建模，分析其采動充填過程中圍巖的應力變化和模型地表位移情況。

4.1　模型的建立

根據地質采礦資料和相應的巖石力學參數(見表2)建立FLAC3D數值計算模型，模型尺寸為500m×240m，煤層深度190m，底部邊界50m，充填開采區域為中間100～300m，左右各留100m的模型邊界(圖3)。其本構關系采用摩爾-庫倫屈服準則。開挖充填步距為10m，采厚3.5m，通過改變材料屬性，對采空區進行充填，每開挖一步后求取模型最大下沉值來確定下一步充填體高度，逐步開挖、充填再開挖，進行迭代計算。

表2　巖體力學參數

圖3　數值模擬模型

4.2　頂板應力分析

煤層按照充填步距開挖后，由于應力的集聚釋放，圍巖應力重新分布，開挖第1步時采空區兩端出現應力集中，采空區前后幫垂直應力為6.32MPa，是初始應力4.29MPa的1.47倍，直接頂應力降低為3.29MPa，說明在開采過程中，直接頂受拉。

在10m的采空區前后應力產生明顯變化的范圍為30m。在采空區充填后，頂板及兩端應力維持開采后的應力狀態。隨著向前推進，開挖第2步時，采空區的前方煤壁垂直應力集中為7.21MPa，集中系數為1.68，而后方充填區域應力3.72MPa，說明工作面受采動影響，圍巖應力具有超前性。至開挖結束，前幫煤壁壓力為7.63MPa，集中系數為1.78。開采過程中，采空區煤壁前端出現應力集中區，后端充填區域形成卸壓區，如圖4所示。

圖4　采空區圍巖垂直應力

4.3　地面位移分析

在開采充填過程中，模型表面每10m設置1個位移測點，圖5為位移測點隨開采過程的沉降曲線。開采時各測點位移逐漸增大，充填過程中，測點下沉位移緩慢增加，工作面推進到距切眼約60~100m時，各曲線漸次平緩，最終測點保持一個相對穩定值，工作面開采結束時，位于模型中間的5號測點下沉位移達到最大值。

圖5　地面測點動態下沉曲線

垂直位移云圖如圖6所示。

圖6　垂直位移云圖

第1步開挖后，頂板下沉位移為31.6 mm，采空區上方13.2m范圍內產生明顯沉降，覆巖移動范圍隨著開采充填的推進逐漸向上擴展，最終發展至地表，開采充填后，模型中間最大下沉值為212.7mm，下沉系數為0.06。

根據模擬計算結果，可得地表測點的水平變形和傾斜變形曲線(圖7)，曲線形態與垮落法管理頂板所取得的地表移動變形曲線一致，充填開采的最大水平變形值為0.63mm/m,最大傾斜變形值為0.82mm/m，地表變形指標均在Ⅰ級變形范圍內，充填開采控制地表變形效果顯著，可有效保護地面建筑物。

圖7　地表水平變形和傾斜變形曲線

相似模擬與數值模擬計算研究充填開采可為互補。由于相似模型的邊界效應及模擬環境與地質環境的差異，反映在相似模擬中地表下沉值很小，但巖層之間裂隙位置和發育高度清晰可見，原巖采動裂隙得以真實再現；FLAC3D數值模擬是以網格節點連續變形計算為基礎，頂板的位移會逐點傳遞到地表，可反映開采充填過程中覆巖及地表的運移規律和圍巖的應力變化情況。

5結論

(1)以陜西某礦2307長壁充填開采工作面為原型，實驗模擬和數值計算模擬相結合，逼真再現了開采-充填過程，分析研究了工作面圍巖應力及地表的移動規律。

(2)相似模擬顯示，在開采充填過程中，直接頂板未出現斷裂及垮落破壞，只是巖體裂隙隨著開挖的推進，裂隙高度在不斷向上發展，最大裂隙發育高度為88.4m。

(3)在開挖過程中，煤層頂板受力拉伸，底板及前后煤壁出現應力集中，應力集中值達到了初始應力值的1.47~1.78倍，充填過程中，圍巖應力無變化。工作面開采充填推進過程中，工作面未出現明顯周期來壓，采空區前端煤體形成應力集中區，后端充填區域形成卸壓區。

(4)工作面開采充填后，地面最大下沉值為212.7mm，水平變形最大值0.63mm/m，最大傾斜變形值為0.82mm/m，下沉系數為0.06，實測下沉系數為0.054，模擬結果與實測結果相近，在地表Ⅰ級變形范圍內。模擬計算結果顯示，充填開采控制地表變形效果良好。

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[責任編輯：徐乃忠]

Simulation Experiment of Surface Movement and Surrounding Rock Deformation in Stowing Mining with Paste

JIA Lin-gang，SUN Wan-ming，ZHANG Hua-xing

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China)

Abstract：Applying analogue simulation and numerical simulation，the mechanics variation and movement and deformation in stowing mining 2307 face was analyzed.Results showed that stowing mining could effectively control overlying strata failure and surface deformation，and that separation and fissure occurred but roof was not cave.Maximum subsidence was 58.5m behind of mining face.In mining，surrounding rock stress releasing made roof tensed.Stress concentration occurred at front and rear of gob，and floor which reached 1.47-1.78 times of original stress.Periodical weighting was inconspicuous.Surface subsidence value was 212.7mm after mining and subsidence ratio was 0.06.Surface horizontal deformation and tilt deformation curve was similar with that of roof-caving method，but deformation value was small.

Keywords：stowing mining；simulation experiment；numerical simulation；surrounding rock stress；surface movement

[作者簡介]賈林剛(1978-)，男，內蒙古呼和浩特人，工程師，從事“三下”采煤、開采沉陷損害防治、露天邊坡滑移治理等研究。

[基金項目]天地科技股份有限公司資助項目：充填開采充填率及合理充采步距與控制地表變形的研究(KJ-2013-TDKC-12)

[收稿日期]2015-03-09

[中圖分類號]TD823.7

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0057-05