條帶膏體充填開采地表沉陷研究

李叔磊，馮 濤，李石林

（湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201）

條帶膏體充填開采地表沉陷研究

李叔磊，馮 濤，李石林

（湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201）

條帶開采技術(shù)是有效解決“三下”壓煤的主要技術(shù)之一。將條帶開采和膏體充填兩種方法有機結(jié)合，提出了條帶膏體充填開采的新概念。以周源山煤礦24采區(qū)條帶膏體充填開采為工程背景，基于FLAC3D軟件分別對采寬、留寬均為50m的條帶開采和條帶膏體充填開采兩種開采方案進(jìn)行數(shù)值研究。研究結(jié)果表明，條帶膏體充填開采的地表下沉值大于條帶開采相應(yīng)位置的地表下沉值，但是其下沉系數(shù)滿足條帶開采的允許下沉系數(shù)的要求，這說明條帶開采理論應(yīng)用于條帶膏體充填開采中是可行的。研究結(jié)果對以后周源山煤礦24采區(qū)的充填開采有一定的指導(dǎo)意義，并為類似的工程實踐提供一定參考。

條帶開采；膏體充填；地表沉降；數(shù)值模擬

0 前 言

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國“三下”壓煤量達(dá)12.2Gt，其中建筑物下壓煤7.83Gt，鐵路下壓煤1.49Gt。目前開采“三下”壓煤的常用方法有條帶開采和充填開采等方法［1］。條帶開采實質(zhì)是將被開采的煤層劃分成若干條帶，開采一條（即采出條帶），保留一條（即保留煤柱），用留下不采的煤柱支撐頂板，以達(dá)到減小地表移動和變形的目的。條帶開采屬于部分開采，采出率過低，資源浪費嚴(yán)重［2］。膏體充填是目前發(fā)展較快、對受護(hù)對象保護(hù)效果較好的一種充填開采方法，可有效減少地面沉降，能大幅提高煤炭的采出率，還能減少矸石山、粉煤灰等工業(yè)廢棄物占用田地、污染環(huán)境等問題［3］，但也直接造成噸煤成本提高。

為提高采出率，降低充填體成本，安全高效回采“三下”壓煤資源，可將條帶開采和膏體充填兩種方法有機結(jié)合起來，即：條帶膏體充填開采方法。條帶膏體充填開采方法即以條帶開采理論指導(dǎo)設(shè)計條帶寬度，把條帶開采中的煤柱用膏體材料置換出來，也就是對采空區(qū)進(jìn)行條帶式部分充填。條帶膏體充填開采對采空區(qū)最終的處理和條帶開采相似，均留設(shè)部分支撐體，但條帶膏體充填開采中的條帶膏體性能、圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)與條帶開采均有差異。因此，利用數(shù)值模擬方法研究條帶膏體充填開采在同樣地質(zhì)、同樣采寬留寬條件下與普通條帶開采在下沉值與下沉系數(shù)等方面的差異，以期對條帶膏體充填開采的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)［4－6］。

1 工程概況及條帶開采理論

1.1 工程概況

周源山煤礦24采區(qū)位于周源山井田北翼，老平庵?jǐn)鄬右员?，寶黎斷層以南，屬深部開采。走向長1000m，傾斜寬1100m，分別為一煤、二煤、三煤、四煤，可采煤層為一煤和四煤。24采區(qū)對應(yīng)地表南與東部為山區(qū)地帶，北部有寶源河、張家垅水庫、洗煤焦化廠、寶源鐵路、山地公路，西部有矸石電廠和其他建筑。該采區(qū)上部保護(hù)建筑物眾多，已不能用全部垮落法進(jìn)行開采，需采用特殊開采方法。

1.2 條帶開采理論

應(yīng)用條帶開采時，在盡量提高采出率的原則下，合理地確定留寬和采寬的尺寸是關(guān)鍵問題。正確地確定條帶尺寸就是要保證采后保留煤柱有足夠的強度和穩(wěn)定性，并將每一采出寬度限制在不使地表出現(xiàn)波浪式下沉盆地的范圍內(nèi)［7］。在此原則基礎(chǔ)上應(yīng)盡量提高采出率。國內(nèi)成功的條采實例表明，采出率一般為40%～60%（即保留煤柱的面積占總開采面積的60%～32%），采寬達(dá)到采深的1/3時，地表才會出現(xiàn)波浪式下沉盆地，考慮到安全系數(shù)，一般采寬為H/4～H/10。留寬則跟煤柱的屈服寬帶D有關(guān)。只有當(dāng)留寬a＞2D時，才能保證煤柱有“核區(qū)”，煤柱的承載能力和穩(wěn)定性才能得到保證。屈服寬度用下式計算：

式中，m為開采厚度；H為開采深度［2］。

條帶膏體充填開采是根據(jù)計算寬度采出開采條帶，采出后用膏體材料進(jìn)行充填，采一條充一條，采完開采條帶后采剩下的保留條帶。

2 數(shù)值模型的建立與模擬方案的選取

2.1 數(shù)值模型的建立

周源山24采區(qū)走向長1000m，傾斜寬為1100 m，傾角為19°。含有四層煤，從四煤底板往上有18組煤巖層，煤巖層厚度和力學(xué)參數(shù)見表1。從表1可知，四層煤的厚度較小并且煤層間距也較小，為了簡化模型將可采煤層一煤和四煤合為一組，以四煤標(biāo)高為準(zhǔn)，將不可采煤層二煤和三煤合為一組，以三煤的標(biāo)高為準(zhǔn)。為減小邊界影響，模型走向比采區(qū)走向多300m，為1300m，傾斜寬為1100m，煤巖層傾角設(shè)為采區(qū)平均傾角19°。從采區(qū)剖面圖可知該采區(qū)地表相對平坦，如果所有巖層均為19°將會導(dǎo)致地面傾斜，為使模型更接近實際情況，將上覆巖層中最厚的第三組巖層上邊界取水平。在四煤底板厚度的基礎(chǔ)上加厚50m，以減小底部邊界的影響。最終模型走向長為1300m，傾斜寬為1100m，高為1054m。模型劃分為179200個單元，189543個節(jié)點。模型的下邊界限制垂直方向位移為零；左、右、前、后邊界施以水平構(gòu)造應(yīng)力；上邊界為自由邊界。建立的模型見圖1。

表1 巖石與煤物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

2.2 模擬方案的選取

本文主要研究條帶開采與充填材料置換條帶之后的開采沉陷，為了減少變量和方便結(jié)果分析，采出率取50%。根據(jù)條帶開采的理論：采出條帶小于H/3時，地表不會出現(xiàn)波浪變形，考慮到安全系數(shù)，一般取H/4～H/10，也就是采出條帶小于H/4可達(dá)到開采要求；保留條帶要大于2D，D按公式（1）計算。該模型最大開采深度為1004m，采厚為2.82 m，計算可知開采條帶寬小于251m，保留條帶大于28.31m。由于煤層傾角為19°，傾角較大，采用傾向條帶。在采出率為50%、條帶寬帶為50m的情況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析。方案一，開采10個50m的條帶，留10個50m的條帶。方案二，先采方案一中不同的10個條帶，采一條充一條，充填開采后再采剩下的10個條帶。膏體充填材料有較好的流動性并且煤層傾角較大且采用走向條帶，可按充填率為100%進(jìn)行計算。方案二是邊采變充，在充填前空頂范圍較小，且兩邊有煤柱支撐，因此頂板下沉較小，主要變形來自于全部開采后，故不考慮充填前頂板下沉。充填體力學(xué)參數(shù)見表2。兩種方案計算時監(jiān)測沿走向方向的3個剖面地表下沉值，3個剖面分別為距下山邊界50m的剖面、采區(qū)中點剖面和距上山邊界50m處的剖面，并且依次命名為a、b、c剖面。監(jiān)測點每50m設(shè)1個，每個剖面有27個監(jiān)測點。

表2 充填體力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

在FLAC3D中對兩種方案的計算結(jié)果進(jìn)行切片操作得a、b、c三個剖面的下沉圖，如圖2～圖4所示。根據(jù)每個剖面監(jiān)測點的數(shù)據(jù)繪制地表下沉曲線圖，如圖5～圖7所示。

圖2 a剖面下沉圖

圖3 b剖面下沉圖

圖4 c剖面下沉圖

圖5 a剖面地表下沉曲線

圖6 b剖面地表下沉曲線

圖7 c剖面地表下沉曲線

從圖2～圖4中可知：方案二同一剖面的地表對應(yīng)位置下沉值大于方案一；每個方案中3個剖面下沉數(shù)值從大到小排列為a＞b＞c。方案二下沉大于方案一是因為方案二中充填體強度和穩(wěn)定性比煤差，并且方案二有二次采動的影響。下山方向下沉大于上山方向是由于保留條帶和充填條帶寬度是上下一致的，但是下山方向采深較大，相應(yīng)的受力也較大，因此下山方向煤柱和充填體的壓縮也相應(yīng)的大于上山方向。

從圖5～圖7可以看出，a剖面中方案一地表最大下沉值為140mm，方案二地表最大下沉值為200 mm；b剖面中方案一地表最大下沉值為130mm，方案二地表最大下沉值為180mm；c剖面中方案一地表最大下沉為110mm，方案二地表最大下沉為160 mm。方案二地表下沉大于方案一，但是差別不是太大。條帶開采下沉系數(shù)為0.03～0.15［2］。本次計算采厚為一煤和四煤之和，為2.82m，方案二最大下沉值為0.18m，下沉系數(shù)為0.06，在條帶開采下沉系數(shù)范圍之內(nèi)，并且地表沒有出現(xiàn)波浪下沉盆地。如果要達(dá)到方案一的效果，應(yīng)該加大充填條帶的寬度或者減小采出條帶的寬度，也就是減小條帶開采的采出率的大小。根據(jù)以上分析可知，用條帶開采理論分析確定的條帶寬度，充填開采后符合條帶開采規(guī)律，條帶開采理論可用于指導(dǎo)條帶充填開采。

4 結(jié) 論

通過FLAC3D對條帶開采和條帶膏體充填開采這兩種開采方案進(jìn)行數(shù)值計算，對比兩種方案開采后的地表下沉值和下沉系數(shù)，得出以下結(jié)論：

（1）通過FLAC3D對兩種方案進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果與條帶開采允許下沉系數(shù)的比較可知，計算結(jié)果在條帶開采下沉系數(shù)允許值之間，用FLAC3D對本文中方案進(jìn)行數(shù)值模擬是可行的；

（2）通過計算發(fā)現(xiàn)條帶膏體充填開采的地表下沉值大于條帶開采的地表下沉值，但是其下沉系數(shù)滿足條帶開采允許的下沉系數(shù)的要求，因此將條帶開采理論應(yīng)用于條帶膏體充填開采中是可行的；

（3）將傳統(tǒng)的條帶開采理論應(yīng)用于條帶膏體充填開采中時，必須保障充填體的寬度，本文僅探討了采出率為50%，開采條帶為50m的情況，但是為了盡量降低充填成本，充填體寬度存在一個最優(yōu)的問題，對充填體寬度的優(yōu)化需要進(jìn)一步的研究。

［1］ 蔣 坤，許家林，朱衛(wèi)兵，等.條帶采寬對地表沉陷影響的數(shù)值模擬研究［J］.礦山測量，2005（4）：51－53.

［2］ 孫文華.三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實用手冊［M］.北京：中國煤炭出版社出版，2005.

［3］ 崔石磊.骨架式膏體充填采空區(qū)實驗研究［D］.邯鄲：河北工程大學(xué)，2011.

［4］ 謝和平，周宏偉，王金安，等.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測中的應(yīng)用及對比分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999（4）：397－401.

［5］ 馬 超，茅獻(xiàn)彪，張 春，等.掘進(jìn)順序?qū)Τ涮钕锊擅褐€(wěn)定性的影響研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32（1）：55－58，94.

［6］ 王海峰.基于FLAC的采空區(qū)地表變形及充填效果模擬分析［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2011.

［7］ 袁 堅，馮 濤，劉金海，等.條帶采寬及留寬對地表沉陷影響的研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2007，24（1）：88－91.

2012－06－08）

李叔磊（1988－），男，河南安陽人，碩士研究生，從事煤礦“三下”充填開采方面研究，Email：723395382＠qq.com。