充填開采地表移動(dòng)變形規(guī)律數(shù)值模擬分析

楊寶貴 彭?xiàng)铕?李 楊 匡 漢

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

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充填開采地表移動(dòng)變形規(guī)律數(shù)值模擬分析

楊寶貴 彭?xiàng)铕?李 楊 匡 漢

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

為了研究充填開采地表移動(dòng)變形規(guī)律，簡(jiǎn)要介紹了地下開采引起的地表移動(dòng)和變形5項(xiàng)指標(biāo)對(duì)地表建筑物影響情況，分析了5項(xiàng)指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系和對(duì)地表建筑物造成破壞的直接原因，引入了地表“下沉梯度”和“水平移動(dòng)梯度”的概念，從而對(duì)充填開采提出了新的評(píng)價(jià)指標(biāo)和要求，在減緩地表下沉量和水平移動(dòng)量的基礎(chǔ)上，需要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)梯度的控制情況。針對(duì)新陽(yáng)礦十采區(qū)10203充填開采工作面現(xiàn)場(chǎng)條件建立FLAC3D數(shù)值模型，對(duì)比分析充填法和垮落法開采的地表移動(dòng)梯度變化規(guī)律。研究表明:充填開采減小了地表下沉量和水平移動(dòng)量，顯著降低了地表下沉梯度和水平移動(dòng)梯度，地表趨近于均勻下沉和連續(xù)變形，能夠有效地保證地表建筑物的安全。

充填開采 地表移動(dòng)變形 下沉梯度 水平移動(dòng)梯度 建筑物保護(hù)

我國(guó)“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)積壓了大量的煤炭資源，僅統(tǒng)配煤礦生產(chǎn)礦井壓煤量達(dá)13.79 Gt，其中建筑物下9.468 Gt，占總壓煤量的68.7%。然而由于傳統(tǒng)的開采方法采出率較低，造成了煤炭資源的極大浪費(fèi)，充填開采為我國(guó)安全、高效開采建筑物下煤炭資源、減少環(huán)境污染、提高資源采出率提供了較為理想的途徑[1-2]。

隨著充填開采技術(shù)的廣泛應(yīng)用，很多學(xué)者開始加強(qiáng)對(duì)充填材料、設(shè)備、工藝、方法[3-6]、充填開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[7-8]、關(guān)鍵層移動(dòng)變形特征、開采沉陷機(jī)理和過(guò)程[9-12]等的相關(guān)研究，側(cè)重研究了充填開采相對(duì)于垮落法開采地表下沉量和水平移動(dòng)量的減小，但對(duì)地表移動(dòng)規(guī)律中直接影響建筑物安全的因素，如傾斜、曲率、水平變形的變化規(guī)律卻很少涉及。在介紹地下開采引起的地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑物的影響破壞的基礎(chǔ)上，根據(jù)新陽(yáng)礦十采區(qū)10203充填工作面的現(xiàn)場(chǎng)條件利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，通過(guò)對(duì)比充填法和垮落法開采地表移動(dòng)規(guī)律，在分析地表下沉和水平移動(dòng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注了傾斜、曲率、水平變形等指標(biāo)的變化，揭示了充填法開采與建筑物保護(hù)的實(shí)質(zhì)性聯(lián)系，引入了“下沉梯度”和“水平移動(dòng)梯度”的概念，補(bǔ)充地表下沉量和水平移動(dòng)量作為充填開采效果評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)，為今后指導(dǎo)工程實(shí)踐和充填開采理論的進(jìn)一步研究提供參考和積累經(jīng)驗(yàn)。

1 地表移動(dòng)和變形指標(biāo)對(duì)建筑物的影響

地下開采引起的地表移動(dòng)過(guò)程是很復(fù)雜的，假設(shè)只研究地表移動(dòng)的最終結(jié)果，按開采活動(dòng)對(duì)地表的影響可以分為5項(xiàng)指標(biāo)，包括下沉、水平移動(dòng)、傾斜、曲率和水平變形。

(1)下沉。地表移動(dòng)結(jié)束后，任意點(diǎn)的位移向量都可沿垂直方向和水平方向分解為鉛直分量和水平分量，下沉就是地表移動(dòng)盆地主斷面內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位移的鉛直分量，用W表示。當(dāng)建筑物所處地表出現(xiàn)均勻下沉而下沉量又不足達(dá)到當(dāng)?shù)氐叵滤粫r(shí)，建筑物構(gòu)件間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就不會(huì)發(fā)生相互拉伸或壓縮，則處于均勻下沉區(qū)域內(nèi)的建筑物受到的危害并不大。

(2)傾斜。傾斜是指地表下沉的變化率，用i表示，單位為mm/m。地表的傾斜引起建筑物傾斜，造成建筑物重心偏移，既影響建筑物的穩(wěn)定性，又使建筑物基礎(chǔ)受力狀態(tài)發(fā)生變化，尤其對(duì)桿狀建筑物影響較大。

(3)曲率。曲率是指地表傾斜的變化率，用K表示，單位為mm/m2或10-3/m。地表平面因地表曲率的產(chǎn)生發(fā)生彎曲，破壞了建筑物基礎(chǔ)與地表之間力的平衡狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)建筑物造成影響和破壞。在正曲率情況下，建筑物會(huì)出現(xiàn)倒八字形的豎向裂紋；在負(fù)曲率的情況下，建筑物易出現(xiàn)正八字形裂紋。

(4)水平移動(dòng)。水平移動(dòng)是主斷面內(nèi)地表位移向量的水平分量，用U表示，單位為mm。

(5)水平變形。水平變形是指地表水平移動(dòng)的變化率，用ε表示，單位為mm/m。地表建筑物一般為磚混結(jié)構(gòu)，有一定的抵抗壓縮變形的能力，但抵抗拉伸變形的能力很小，在較小的水平拉伸變形條件下其薄弱部分就會(huì)出現(xiàn)裂紋，發(fā)生斷裂破壞；但當(dāng)?shù)乇硭綁嚎s變形較大時(shí)，建筑物也可能會(huì)發(fā)生單軸壓縮縱向劈裂或剪切破壞產(chǎn)生水平裂紋，給建筑物造成比較大的損害。

綜合分析以上5項(xiàng)指標(biāo)可知，真正使地表建筑物產(chǎn)生損害和破壞的原因不是地表下沉和水平移動(dòng)，而是傾斜、曲率和水平變形。同時(shí)為了現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單和研究方便，在已有的地表下沉和水平移動(dòng)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充研究?jī)A斜和水平變形即可全面了解地表的移動(dòng)和變形情況以及對(duì)建筑物的破壞等級(jí)，在充填開采技術(shù)條件下，評(píng)價(jià)充填開采的效果僅僅關(guān)注地表下沉量和水平移動(dòng)量的減小是不夠的，還需要綜合比較傾斜和水平變形的減弱情況。因此，為了表征地下開采引起的地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑物的影響，我們不妨引入“下沉梯度”和“水平移動(dòng)梯度”2個(gè)概念。下沉梯度即地表下沉量W(x)對(duì)位置 的一階導(dǎo)數(shù)，反映地表下沉的均勻程度，用▽W(xué)表示，單位為mm/m；水平移動(dòng)梯度即水平移動(dòng)U(x)對(duì)位置 的一階導(dǎo)數(shù)，反應(yīng)地表水平移動(dòng)的均勻程度，用▽U表示，單位為mm/m。

(1)

(2)

“梯度”雖然是地表下沉量和水平移動(dòng)量的派生量，但從建筑物保護(hù)角度來(lái)看，卻是影響建筑物安全的直接因素，也是充填開采效果好壞的決定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而對(duì)充填開采提出了新的要求。在減緩地表下沉量和水平移動(dòng)量的同時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)其梯度的控制情況，即在保證出現(xiàn)一定的下沉量但未達(dá)到地下水位時(shí)，充填開采如能實(shí)現(xiàn)地表的均勻下沉和移動(dòng)，即下沉梯度和水平移動(dòng)梯度趨近于零，建筑物也會(huì)得到很好的保護(hù)。

本研究就以新陽(yáng)礦十采區(qū)10203工作面為原型，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)比分析充填開采與垮落法開采的地表移動(dòng)規(guī)律，在取得地表下沉量和水平移動(dòng)量的基礎(chǔ)上，主要從梯度方面來(lái)對(duì)充填開采保護(hù)建筑物的合理性做進(jìn)一步研究。

2 數(shù)值模擬模型的建立

2.1 工作面地質(zhì)概況

本次模擬原型為新陽(yáng)煤礦十采區(qū)10203綜合機(jī)械化充填開采工作面，主采煤層2#煤，煤層厚度2.33 m，充填工藝采用泵送矸石、粉煤灰高濃度膠結(jié)充填，全采全充，充填體的設(shè)計(jì)充填率為90%，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的充填體的壓縮率為12%，充填前頂板下沉量取最大值100 mm，模擬充填體高H=(2.33-0.1)×0.9 ≈ 2.1 m。煤層傾角3°，可認(rèn)為是水平煤層，平均埋藏深度200 m，上距1#煤層8.03 m。根據(jù)礦井地質(zhì)勘探資料，各煤巖層分布及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 數(shù)值模型的建立

考慮到消除邊界影響和簡(jiǎn)化計(jì)算的需要，根據(jù)對(duì)工作面地質(zhì)條件的分析和文獻(xiàn)[13]中對(duì)地表移動(dòng)數(shù)值分析模型邊界的確定方法，建立尺寸為340 m×300 m×207 m數(shù)值模擬模型，即沿x方向長(zhǎng)340 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度140 m；y方向長(zhǎng)300 m，工作面長(zhǎng)度為100 m；模型z方向的高度按主采煤層到地表的總高度進(jìn)行計(jì)算，取207 m。模型采用不等分劃分網(wǎng)格，對(duì)地表表土層進(jìn)行細(xì)劃單元處理。分析研究現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用分步開挖的方式實(shí)現(xiàn)煤層的模擬開采。煤巖層的本構(gòu)關(guān)系符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，故數(shù)值計(jì)算選用摩爾-庫(kù)倫模型。建立的數(shù)值模型如圖1所示。

表1 模型中各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模型

2.3 地表觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了獲得充填法開采和傳統(tǒng)垮落法開采引起的地表移動(dòng)穩(wěn)定后的地表下沉和水平移動(dòng)量，在采空區(qū)中心投影的地表位置沿走向和傾向方向分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并通過(guò)位移記錄輸出命令獲得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表下沉量W和水平移動(dòng)值U。根據(jù)模擬試驗(yàn)的要求，沿走向方向布置19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿傾向布置17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2所示。

圖2 地表觀測(cè)點(diǎn)布置

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1充填法和垮落法開采地表下沉和水平移動(dòng)情況

圖3和圖4分別為充填法和垮落法開采走向主斷面和傾向主斷面的地表下沉等值線云圖。圖5和圖6分別為充填法和垮落法開采走向主斷面和傾向主斷面的地表水平移動(dòng)等值線云圖。

由圖3、圖4對(duì)比可知，采動(dòng)影響過(guò)后，地表下沉逐漸趨于穩(wěn)定，充填法開采的最大地表下沉量為30 mm左右，而垮落法開采的最大地表下沉值穩(wěn)定在95 mm左右，最大地表下沉量為充填法的3倍。由圖5、圖6對(duì)比可知，地表水平移動(dòng)穩(wěn)定后，充填法開采的最大地表移動(dòng)量為7 mm左右，而垮落法開采的最大地表移動(dòng)值則在25 mm左右，最大地表移動(dòng)量為充填法開采的3～4倍。

圖3 充填法開采地表下沉量等值線云圖

由以上分析可知，充填法開采能夠很好地控制地表移動(dòng)，有效限制地表變形，相比傳統(tǒng)的垮落法開采，地表最大下沉量減小近70%，地表水平移動(dòng)量減小更為明顯，減小約75%，能夠有效地減弱地表活動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)地表建筑物免受高強(qiáng)度的損害。

圖4 垮落法法開采地表下沉量等值線云圖

圖5 充填法開采地表水平移動(dòng)量等值線云圖

圖6 垮落法法開采地表水平移動(dòng)量等值線云圖

3.2 充填法和垮落法開采走向梯度對(duì)比分析

圖7為充填法和垮落法開采走向主斷面地表下沉與下沉梯度曲線圖。

圖8為充填法和垮落法開采走向主斷面地表水平移動(dòng)與水平移動(dòng)梯度曲線圖。

本次模擬新陽(yáng)礦十采區(qū)10203工作面2#煤煤層厚度2.33 m，屬中厚煤層，平均埋深200 m，上覆松散層140.55 m，工作面走向推進(jìn)長(zhǎng)度為140 m，工作面長(zhǎng)度為100 m，采空區(qū)面積較小，開采后地表發(fā)生移動(dòng)變形的量并不很大。由圖7、圖8可知，垮落法開采地表下沉和下沉梯度、水平移動(dòng)和水平移動(dòng)梯度曲線變化幅度較大，最大下沉量約100 mm，下沉梯度最大為0.7 mm/m，最大水平移動(dòng)量為25 mm，水平移動(dòng)梯度最大為0.6 mm/m；充填法開采地表下沉和下沉梯度、水平移動(dòng)和水平移動(dòng)梯度曲線趨于平緩，最大下沉值減小至30 mm，下沉梯度減小至0.1 mm/m，最大水平移動(dòng)量減小至7 mm，最大水平移動(dòng)梯度為0.15 mm/m。

結(jié)果表明，充填開采時(shí)地表走向主斷面各質(zhì)點(diǎn)以最大值為0.1 mm/m的下沉梯度下沉，以最大值為0.15 mm/m的移動(dòng)梯度水平移動(dòng)，地表以緩慢彎曲下沉為主，下沉平緩，水平移動(dòng)減弱，變形連續(xù)，不會(huì)出現(xiàn)垮落法開采時(shí)的下沉移動(dòng)突變對(duì)建筑物造成極大損害的情況，地表控制效果顯著，下沉梯度和水平移動(dòng)梯度得到大幅度的減弱，在地表建筑物允許的變形值一定時(shí)，充填開采條件下地表建筑物能夠得到很好的保護(hù)。

3.3 充填法和垮落法開采傾向梯度對(duì)比分析

圖9為充填法和垮落法開采傾向主斷面地表下沉與下沉梯度曲線圖。

圖10為充填法和垮落法開采傾向主斷面地表水平移動(dòng)與水平移動(dòng)梯度曲線圖。

本次模擬充填開采工作面走向推進(jìn)長(zhǎng)度為140 m，工作面長(zhǎng)度為100 m，因此傾向主斷面地表移動(dòng)變形值和走向主斷面相差不大。由圖9、圖10可知，垮落法開采地表下沉和下沉梯度、水平移動(dòng)和水平移動(dòng)梯度曲線波動(dòng)較大，地表最大下沉量約100 mm，下沉梯度最大為0.75 mm/m，最大地表水平移動(dòng)量為25 mm，水平移動(dòng)梯度最大為0.7 mm/m；充填法開采地表下沉和下沉梯度、水平移動(dòng)和水平移動(dòng)梯度曲線光滑平緩，地表最大下沉值減小至30 mm，最大下沉梯度減小至0.1 mm/m，最大水平移動(dòng)量減小至5 mm，最大水平移動(dòng)梯度為0.15 mm/m。

圖7 地表下沉與下沉梯度

圖8 地表水平移動(dòng)與水平移動(dòng)梯度

圖9 地表下沉與地表下沉梯度

圖10 地表水平移動(dòng)與水平移動(dòng)梯度

結(jié)果表明，充填開采時(shí)地表傾向主斷面各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)梯度和走向主斷面基本相似，由于工作面推進(jìn)長(zhǎng)度和寬度的關(guān)系，地表下沉梯度和水平移動(dòng)梯度略有變化，地表緩慢彎曲下沉，單位長(zhǎng)度下沉量變化較小，地表水平移動(dòng)不發(fā)生突變，水平變形連續(xù)，地表接近于均勻下沉和移動(dòng)，能夠有效地保證地表建筑物的安全。

4 結(jié) 論

(1)分析了地表移動(dòng)變形5項(xiàng)指標(biāo)可知，真正使地表建筑物產(chǎn)生損害和破壞的原因是傾斜、曲率和水平變形；水平移動(dòng)和傾斜、曲率和水平變形的變化規(guī)律成同步變化關(guān)系，在已獲得地表下沉和水平移動(dòng)量的情況下，補(bǔ)充研究?jī)A斜和水平變形即可全面了解地面的移動(dòng)和變形情況和對(duì)建筑物的破壞等級(jí)。

(2)“梯度”是地表下沉量和水平移動(dòng)量的派生量，卻是影響建筑物安全的直接因素，從而對(duì)充填開采提出了新的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)和要求，在減緩地表下沉量和水平移動(dòng)量的同時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)其梯度的控制情況。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析充填法與垮落法開采的地表移動(dòng)梯度變化情況，實(shí)施矸石、粉煤灰充填開采后，減小了地表下沉和水平移動(dòng)量的同時(shí)，顯著降低了地表下沉梯度和水平移動(dòng)梯度，地表趨近于均勻下沉和連續(xù)變形，能夠有效地保證地表建筑物的安全，揭示了充填法開采與建筑物保護(hù)的實(shí)質(zhì)性聯(lián)系。

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(責(zé)任編輯 石海林)

NumericalSimulationAnalysisofGroundMovementDeformationLawinBackfillMining

Yang Baogui Peng Yanghao Li Yang Kuang Han

(SchoolofResourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

In order to study ground movement deformation law in backfill mining，the impact of ground movement and deformation five indicators caused by underground mining on surface buildings are briefly introduced，the inner link between the five indexes and the direct cause of the damage to surface building is analyzed.Based on this，the conceptions of surface “subsidence gradient” and “horizontal displacement gradient” are introduced，thus a new evaluation index for filling mining effect and requirement is put forward.On the premise of slowing down the surface subsidence and horizontal movement at the same time，it's necessary to focus on the control of gradient.FLAC3Dnumerical model was set up based on field conditions of the tenth mining area 10203 backfill working face in Xinyang mine and the contrastive analysis of surface movement gradient variation rule between filling method and caving mining method was conducted.Research has shown that the backfill mining reduced the amount of surface subsidence and horizontal movement，significantly lowered the surface subsidence and horizontal displacement gradient.The surface tends to keep uniform movement and continuous deformation，which can effectively guarantee the safety of buildings.

Backfill mining，Ground movement deformation，Subsidence gradient，Horizontal displacement gradient，Building protection

2014-09-04

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2009BAB48B02)。

楊寶貴(1967—)，男，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD325.2，TD823.7

A

1001-1250(2014)-12-169-06