充填開(kāi)采地表變形規(guī)律數(shù)值模擬研究

劉程

（安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)主要以煤炭為主，煤炭在能源產(chǎn)出和消費(fèi)中占據(jù)著主體地位，可傳統(tǒng)的垮落法開(kāi)采煤炭方式卻會(huì)帶來(lái)煤炭資源采出率不高、地表沉陷等一系列問(wèn)題。隨著綠色發(fā)展理念的深入，對(duì)煤礦的開(kāi)采應(yīng)用綠色開(kāi)采技術(shù)符合環(huán)境友好、安全可靠的發(fā)展理念。充填開(kāi)采作為綠色開(kāi)采技術(shù)之一，不僅提高了煤炭的采出率還有效的解決了地表沉陷等問(wèn)題，很大程度上解放了“三下一上”壓煤，延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限，實(shí)現(xiàn)安全綠色置換煤炭資源的目的，具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多重效益，是實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)、煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和綠色安全高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。

郭傳超對(duì)充填開(kāi)采地表沉陷影響因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)，研究了煤層傾角、采寬、采厚、充填率充填開(kāi)采中對(duì)地表移動(dòng)的敏感性。張濱對(duì)條帶充填開(kāi)采充填率對(duì)地表移動(dòng)影響因素進(jìn)行了研究，得出了不同充填率下主斷面地表移動(dòng)變形的下沉值、傾斜值、曲率值、水平變形值的變化情況。上述文獻(xiàn)研究了不同的因素對(duì)開(kāi)采時(shí)地表變形規(guī)律產(chǎn)生的影響。在現(xiàn)實(shí)開(kāi)采中由于開(kāi)采條件、所處地質(zhì)環(huán)境條件的不同，還需要依據(jù)所開(kāi)采的條件進(jìn)行相關(guān)的研究。

1 影響充填開(kāi)采地表沉陷的因素

煤礦進(jìn)行充填開(kāi)采過(guò)程中，影響充填開(kāi)采效果的因素有很多，其中受充填技術(shù)、充填材料和煤礦地質(zhì)條件的影響最大，而煤礦的覆巖巖性、煤層厚度和傾角等地質(zhì)條件是人為不可改變的。現(xiàn)實(shí)中煤礦一旦確定了充填方案，對(duì)于充填所涉及的充填材料也會(huì)根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件確定下來(lái)，改變也會(huì)增加充填開(kāi)采的成本。因此，從充填技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)比分析工作面采用不同開(kāi)采寬度、工作面推進(jìn)距離、工作面推進(jìn)速度進(jìn)行開(kāi)采時(shí)的地表沉降特征，從而得到有利于充填開(kāi)采的最佳方案。

2 充填開(kāi)采地表變形規(guī)律數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

為了方便研究，構(gòu)建了基本底、直接底、煤層、直接頂、基本頂?shù)哪Ｐ停溆辔礃?gòu)建的煤層以上巖層通過(guò)施加相應(yīng)的應(yīng)力來(lái)達(dá)到效果，此次數(shù)值模擬采用莫爾-庫(kù)倫模型，模型的尺寸大小為200m×56m×110m（長(zhǎng)×寬×高），相應(yīng)巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體的物理力學(xué)參數(shù)

該模型的邊界條件為：對(duì)X 軸和Y 軸方向的兩個(gè)面以及Z軸方向的底面的自由度進(jìn)行了約束，也就是對(duì)底面進(jìn)行了固定，Z 軸方向上表面沒(méi)有任何邊界固定的限制，通過(guò)施加應(yīng)力來(lái)達(dá)到未模擬巖層的作用效果。

2.2 數(shù)值模擬開(kāi)挖方案的設(shè)計(jì)

為研究充填開(kāi)采地表移動(dòng)和變形規(guī)律，總結(jié)充填開(kāi)采地表變形規(guī)律的異同，為深部“三下”開(kāi)采提供依據(jù)和支撐，結(jié)合固體充填開(kāi)采地表變形的影響因素，對(duì)比研究工作面采用不同開(kāi)采寬度、工作面推進(jìn)距離、工作面推進(jìn)速度進(jìn)行開(kāi)采時(shí)的地表沉降特征，具體的開(kāi)挖方案如表2。

表2 數(shù)值模擬開(kāi)挖方案

2.2.1 為研究不同開(kāi)采寬度對(duì)充填開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律的影響，設(shè)計(jì)了工作面推進(jìn)速度、推進(jìn)距離一定下開(kāi)采寬度分別為30m、50m、70m 的數(shù)值模擬模型。

2.2.2 為研究不同工作面推進(jìn)速度對(duì)充填開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律的影響，設(shè)計(jì)了工作面推進(jìn)距離、開(kāi)采寬度一定下不同工作面推進(jìn)速度的數(shù)值模擬模型，在數(shù)值模擬中工作面推進(jìn)速度可由相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間步表示，時(shí)間步越小，表示工作面推進(jìn)速度越快。

2.2.3 為研究不同工作面推進(jìn)距離對(duì)充填開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律的影響，設(shè)計(jì)了工作面推進(jìn)速度、開(kāi)采寬度一定下工作面推進(jìn)距離分別為16m、36m、56m 的數(shù)值模擬模型。

2.3 充填開(kāi)采地表變形數(shù)值模擬結(jié)果及規(guī)律分析

2.3.1 開(kāi)采寬度對(duì)地表變形規(guī)律影響分析

為研究不同開(kāi)采寬度對(duì)開(kāi)采時(shí)覆巖運(yùn)移的影響，分別模擬了不同的開(kāi)采寬度條件下覆巖運(yùn)移情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到了不同的開(kāi)采寬度條件下的垂直方向位移圖，如圖1-3。

圖1 開(kāi)采寬度30m 時(shí)步10000 推進(jìn)距離56m

圖2 開(kāi)采寬度50m 時(shí)步10000 推進(jìn)距離56m

圖3 開(kāi)采寬度70m 時(shí)步10000 推進(jìn)距離56m

由圖1-3 可知：在對(duì)煤層開(kāi)挖后還未進(jìn)行充填的情況下，當(dāng)開(kāi)采寬度較小時(shí)，采空區(qū)上方的覆巖在工作面前方未開(kāi)挖媒體及液壓支架的支撐作用下，上覆巖層的移動(dòng)空間及運(yùn)移程度都較小，其所導(dǎo)致的地表變形相應(yīng)較小，可知開(kāi)采寬度較小時(shí)地表沒(méi)有達(dá)到充分采動(dòng)。當(dāng)隨著開(kāi)采寬度的逐漸增大，上覆巖層的可移動(dòng)空間也隨著逐漸增大，由于上覆巖層的移動(dòng)，地表的變形量也會(huì)隨開(kāi)采寬度的增大而增大，而且速度也逐漸加快。當(dāng)開(kāi)采寬度繼續(xù)增加，尤其達(dá)到充分采動(dòng)之后，此時(shí)的地表變形量反而會(huì)逐漸減小。

2.3.2 工作面推進(jìn)距離對(duì)地表變形規(guī)律影響分析

為研究不同工作面推進(jìn)距離對(duì)開(kāi)采時(shí)地表垂直方向位移的影響，分別模擬了不同的工作面推進(jìn)距離條件下覆巖運(yùn)移情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到了不同的工作面推進(jìn)距離條件下的垂直方向位移圖，如圖4-5。

圖4 開(kāi)采寬度30m 時(shí)步10000 推進(jìn)距離16m

圖5 開(kāi)采寬度30m 時(shí)步10000 推進(jìn)距離36m

由圖4-5 可知：在對(duì)煤層開(kāi)挖后還未進(jìn)行充填的情況下，與開(kāi)采寬度相同，當(dāng)工作面推進(jìn)距離較小時(shí)，由于地表未達(dá)到充分采動(dòng)，上覆巖層的移動(dòng)空間及運(yùn)移程度都較小，其所導(dǎo)致的地表變形相應(yīng)較小。當(dāng)隨著工作面推進(jìn)距離的逐漸增大，上覆巖層的可移動(dòng)空間也隨著逐漸增大，地表的變形量也會(huì)隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大。當(dāng)達(dá)到充分采動(dòng)之后，此時(shí)的地表變形量及應(yīng)力反而會(huì)逐漸減小。工作面推進(jìn)距離還可以作為地表是否達(dá)到充分采動(dòng)的一個(gè)標(biāo)志。

2.3.3 工作面推進(jìn)速度對(duì)地表變形規(guī)律影響分析

為研究不同工作面推進(jìn)速度對(duì)開(kāi)采時(shí)地表垂直方向位移的影響，分別模擬了不同的工作面推進(jìn)速度條件下覆巖運(yùn)移情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到了不同的工作面推進(jìn)速度條件下的垂直方向位移圖，如圖6-7。

圖6 開(kāi)采寬度30m 時(shí)步15000 推進(jìn)距離56m

圖7 開(kāi)采寬度30m 時(shí)步20000 推進(jìn)距離56m

由圖6-7 可知：在對(duì)煤層開(kāi)挖后還未進(jìn)行充填的情況下，與開(kāi)采寬度和工作面推進(jìn)距離不同，隨著工作面推進(jìn)速度的加快，上覆巖層的移動(dòng)反而有所減小。工作面推進(jìn)速度作為影響煤礦開(kāi)采地表變形的重要可控因素之一，在其他條件一定的情況下，應(yīng)該對(duì)工作面推進(jìn)的速度進(jìn)行合理的把控。

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬的模型進(jìn)行分析，影響充填開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律的因素有開(kāi)采寬度、工作面推進(jìn)距離、工作面推進(jìn)速度。除此之外還與充填前頂板移近量、充填率、初始?jí)簩?shí)率、充實(shí)率、充填材料自身方面、覆巖自身巖性、煤層厚度及傾角等有關(guān)。

3.2 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，開(kāi)采寬度與工作面推進(jìn)距離越大對(duì)地表的移動(dòng)影響越大，工作面推進(jìn)速度越快對(duì)地表的移動(dòng)影響越小，可知：控制好開(kāi)采寬度與推進(jìn)距離，加快工作面推進(jìn)速度，有利于事故的減少。