充填體強度對厚松散層下條帶充填開采地表下沉的影響分析

李騰飛++武泉林++秦元真++董毅++劉毓

摘 要：為了研究厚松散層下條帶充填開采時充填體強度對地表下沉的影響規律，運用FLAC3D數值模擬，探討了充填體強度對地表最大下沉值的影響規律：在其他地質條件不變的情況下，隨著充填體強度的增加，地表最大下沉值逐漸減小，并且其減小幅度也在逐漸減小。其主要原因是：充填體由彈性狀態向塑性狀態的過渡使得地表下沉值發生顯著變化。

關鍵詞：充填體強度；條帶充填；地表下沉；FLAC3D數值模擬

中圖分類號：TD823.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.011

在我國華東、華中、華北等礦區，厚松散層這種特殊地質條件分布較廣泛，并且這些礦區多數存在“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）壓煤情況，造成資源的大量浪費。因此，控制其開采沉陷帶來的環境破壞，實現煤礦的綠色開采是個亟待解決的問題。近年來，條帶充填技術發展成為一種有效的解決途徑，相對于全部充填開采，條帶充填有充填率低、充填成本小、工作面回采效率高等優點。目前，針對條帶充填開采方面的研究相對較少，其中郭愛國等通過對寬條帶充填全柱開采地表沉陷機理及影響因素的研究得出，在一定地質條件下，寬條帶充填全柱開采地表沉陷的主要影響因素有充填率、充填體強度和隔離煤柱留設寬度；許家林等研究了條帶充填開采技術原理及其適用性，并提出了條帶充填開采的設計原則。在對厚松散層下開采地表沉陷的研究中，郝延錦等研究了厚松散層條件下地表移動變形情況，得出該條件下地表移動變形的基本規律；王保棟等分析了厚松散層因素對地表移動的影響，得出了條件下開采的地表移動參數。本文通過充填體強度對厚松散層條件下條帶充填開采地表下沉影響的數值模擬，分析了充填體強度對地表下沉影響的規律及原因。

1 條帶充填開采技術原理

煤礦條帶充填開采技術的研究應充分利用煤系層狀巖層的移動規律和控制特點，許家林等研究了覆巖主關鍵層對地表下沉動態的影響，得出覆巖主關鍵層對地表的移動過程起到了控制作用，地表的下沉速度隨主關鍵層周期性的斷裂破壞而呈現周期性跳躍式變化。條帶充填開采通過構筑條帶相間的充填體，形成“條帶充填體-覆巖主關鍵層”組合結構，只要保證未充填采空區的間隔寬度小于覆巖主關鍵層的初次破斷跨距，覆巖主關鍵層結構保持穩定，且充填體強度能保持長期穩定，就可以有效控制地表沉陷。

2 數值模擬方案

2.1 模型建立及力學參數

本文利用FLAC3D軟件進行數值模擬研究，主要研究不同充填體強度地表下沉的影響規律。模擬分析以二維平面的形式進行，模擬上覆巖層為連續介質，考慮到地表充分采動及邊界效應的影響，工作面的水平方向長度為1400 m。

假設工作面推進方向無限長，分析平面垂直于工作面推進方向，采用位移邊界條件。根據某礦五采區實測地質條件，本次模擬所采用的各煤巖層及充填體強度的主要物理參數見2.2 數值模擬方案

針對研究目的共設計5個模擬方案（充填體強度為：1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa），分別對不同充填體強度條件下條帶充填開采地表下沉規律進行模擬研究。基本模擬條件為：充填率60%、基巖厚度70 m、松散層厚度200 m。

3 模擬試驗結果及分析

不同充填體強度的條帶充填開采方案地表下沉曲線如圖1和圖2所示。由數值模擬結果可以看出，在其他地質條件相同的條件下，當充填體強度在1.5～3.0 MPa時，地表最大下沉值隨充填體強度的增加不斷減小。主要原因是：此時充填體強度足以支撐上覆巖層，并且強度越大，其受壓時的壓縮量越小，能更好地控制覆巖主關鍵層的移動變形，所以地表下沉最大值逐漸減小；但是當充填體強度從1.5 Mpa減小到1.0 Mpa時，由于充填體強度低，上覆巖層應力集中使得充填體由彈性狀態向塑性狀態轉變，導致其自身顯著壓縮量增大，所以地表最大下沉值也顯著增大。

4 結論

當充填體強度在1.5～3.0 MPa時，隨著充填體強度的增加，地表最大下沉值逐漸減小；但是當充填體強度從1.5 MPa減小到1.0 MPa時，地表最大下沉值呈顯著增大趨勢。

5 建議

條帶充填開采引起的地表下沉是條帶充填體、基巖和松散層三者移動變形相互疊加的結果，是一個復合的、動態的過程。限于作者水平及篇幅的原因，本文沒有對基巖厚度、松散層厚度、采深、采厚、覆巖結構等影響因素做進一步的研究，這也是下一步深入研究的重點。

參考文獻

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〔編輯：胡雪飛〕