充填開采上覆巖層移動變形研究*

楊寶貴，楊 捷，王玉凱，楊向向

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

0 引 言

充填開采解放了“三下壓煤”，提高了資源利用率，實現(xiàn)了礦山“綠色開采”，已經(jīng)成為未來煤礦開采的發(fā)展趨勢［1-3］。與傳統(tǒng)垮落式開采相比，充填開采其上覆巖層能夠保持一定的完整性和連續(xù)性，不會發(fā)生大的變形破壞。充填過程中，基本頂巖層以彎曲下沉為主，地表沉降因此而減弱變緩，充填開采有效的控制了上覆巖層的移動變形［4-5］。研究表明［6-9］充填開采地表下沉主要是由充填前的頂?shù)装逡平俊⒊涮铙w欠接頂量和充填體壓縮量造成的。鑒于此，文中從充填開采引起的地表沉陷關(guān)鍵因素入手，探究了充填開采上覆巖層移動變形規(guī)律，分析了覆巖移動量與覆巖高度及等價采高三者間的關(guān)系，而且合理地對充填后地表變形進(jìn)行了預(yù)測，具有十分重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 地表沉降關(guān)鍵因素分析

1.1 充填前頂?shù)装逡平?/h3>

充填前頂?shù)装逡平坑身敯逑鲁亮?、底鼓量以及頂?shù)装鍘r層應(yīng)力擴(kuò)容組成，其中主要以頂板下沉量為主。充填前頂板下沉量決定著頂?shù)装逡平?，頂板下沉量隨著時間的推移而變大，隨著頂板裸露面積的增加而增大。

所以對充填前的頂板要及時有效地控制，要提高充填支架的初撐力，以減少頂板下沉量。要縮小充填步距，充填步距越小，其頂板裸露面積就越小，頂板下沉量也就越小。要保證頂板的整體性和穩(wěn)定性，頂板的整體性越好，則頂板的下沉量也就越小。

1.2 充填體欠接頂量

在充填結(jié)束后，充填體與頂板之間存在的空間即為充填體欠接頂量。充填體欠接頂量一般認(rèn)為是由充填技術(shù)工藝造成的。比如常用到的掛袋充填，就是在充填液壓支架尾梁下懸掛充填布袋，充填漿體灌滿布袋，布袋擠滿支架尾梁與底板間的空間，充填完畢后，前移支架，支架尾梁移動后造成的空隙就屬于欠接頂量。欠接頂量會馬上反映到上覆巖層，使頂板下沉。

為減小欠接頂量，通常還可以在充填料漿中適當(dāng)加入一些膨脹劑，如3% ～5%的生石灰，能夠有效改善充填的欠接頂現(xiàn)象。

1.3 充填體壓縮量

充填體各種物理參數(shù)相對于煤層頂?shù)装鍘r石都要低的多。充填以后，在頂板相對較大的壓力作用下，充填體頂部和底部就不可避免的會產(chǎn)生壓縮變形，從而引起地表的下沉。

提高充填體形成強(qiáng)度的速率及所達(dá)到的最終強(qiáng)度，改進(jìn)充填料漿的泌水性等是改善充填體的壓縮量的有效手段。但充填料漿的泌水性與充填材料本身及漿液配比有關(guān)，充填體強(qiáng)度的提高也依賴于充填漿體材料的進(jìn)步。因此，改善充填體壓縮量受到充填材料的來源、種類、成本等方面的較大限制。

充填前的頂?shù)装逡平?、充填體欠接頂量和充填體壓縮量是造成充填開采地表沉降的主要原因。因此，為提升充填效果，可以由提高充填體強(qiáng)度和充填率2 方面入手。充填率指的是物料充填高度與采高的比值，減小充填前頂?shù)装逡平亢统涮铙w的欠接頂量均有助于增加充填體高度，提高充填率。

2 數(shù)值模擬分析

以山西焦煤集團(tuán)新陽煤礦為研究對象，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別模擬了提高充填體強(qiáng)度和充填率后對上覆巖層移動的影響。

2.1 模型的建立

新陽礦采用矸石、粉煤灰膠結(jié)充填，煤層傾角約為3°，煤厚2.2 m，埋深為193 ～221 m.根據(jù)表土層、煤、充填物和各巖層的物理力學(xué)參數(shù)等建立模型，模型尺寸為150 m × 200 m × 100 m. 共建有127 400 個單元，135 468 個節(jié)點，該模型采取摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則［10-12］。模型上部施加相當(dāng)于覆巖自重力的應(yīng)力，其余四周均設(shè)置垂直、水平位移為零，約束邊界條件，使其達(dá)到原始應(yīng)力平衡。

在應(yīng)力平衡狀態(tài)下布置監(jiān)測點并計算在開挖過程中巖層位移變化。為了方便分析，對模型取剖面進(jìn)行研究。在距煤層頂板2.0 m 處做水平截面，在水平截面和采空區(qū)中心最大下沉值處布置一系列監(jiān)測點，監(jiān)測點所連成的2 條觀測線如圖1所示，通過剖面以及點的變化可以更清楚的看到覆巖位移變化。

2.2 充填體強(qiáng)度影響分析

為了研究充填體強(qiáng)度對上覆巖層移動影響。在工作面開采長度為100 m，充填率為90%的情況下，分別模擬研究了充填體強(qiáng)度為0.05，0.1，0.2，0.3，0.4 和0.5 倍于煤體強(qiáng)度下的上覆巖層移動情況。

圖1 觀測線位置圖Fig.1 Schematic of observation lines

圖2 不同充填體強(qiáng)度下上覆巖層距離頂板不同高度處下沉量Fig.2 Roof overburden sink distance of different height under different strength of filling body

原始應(yīng)力平衡以后，按順序模擬開挖充填，每一階段開挖1.6 m，煤層開挖后忽略變形釋放時間，直接進(jìn)行膠結(jié)材料充填，充填體瞬時達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。依據(jù)布置的觀測線來研究距離頂板不同位置處的下沉位移變化情況，選取采空區(qū)中心最大下沉值處距頂板距離0，4，8，24，33，43，48，58 m 處的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制其位移曲線如圖2 所示.從圖2 中可以看出，不同充填體強(qiáng)度下的曲線形狀基本上保持一致，隨著充填體強(qiáng)度的增大，覆巖下沉量逐漸減小，當(dāng)充填體強(qiáng)度增大到一定程度時，覆巖的下沉量基本保持在一個平衡狀態(tài)，圖中所示充填體強(qiáng)度為0.3，0.4，0.5 倍的煤體強(qiáng)度時覆巖下沉量均集中在200 mm 左右，也就是說當(dāng)充填體達(dá)到一定強(qiáng)度時，繼續(xù)提高強(qiáng)度對減小上覆巖層移動變形的作用是微乎其微的，沒有必要再繼續(xù)無限制的去增加強(qiáng)度了，充填開采控制地表沉降的關(guān)鍵還在于提高充填率。

2.3 充填率影響分析

在工作面開采長度為100 m，充填體強(qiáng)度為0.3 倍煤體強(qiáng)度的情況下，分別模擬了充填率為75%，80%，85%，90%，95%等5 種情況下的上覆巖層移動情況。為了對比充填開采與垮落法開采上覆巖層移動變形規(guī)律，先模擬垮落法開采上覆巖層位移變化。

原始應(yīng)力平衡后，模擬垮落式開挖，在施加的作用力下計算模型的應(yīng)力平衡，平衡后，輸出開挖后的位移分布圖，如圖3 所示。

圖3 采高2.2 m 垮落法開挖后位移等值線圖Fig.3 Schematic of displacement contour

根據(jù)2 條觀測線上監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，分別繪制出采空區(qū)頂板下沉位移曲線圖，采空區(qū)中心距頂板不同距離位移曲線圖，如圖4，5 所示。

圖4 采空區(qū)頂板下沉位移曲線圖Fig.4 Top rock subsidence displacement curve

圖5 采空區(qū)中心距頂板不同距離位移曲線圖Fig.5 Center of goaf to top rock different displacement curve

圖4 中曲線的規(guī)律性較強(qiáng)，采空區(qū)中心下沉量最大，兩邊逐漸減小，其拐點位于煤壁正上方偏向采空區(qū)中心處，與實際情況吻合的很好。圖5 則表明了隨著距離頂板位置的增大，上覆巖層垂直位移量逐漸減小，直接頂?shù)南鲁亮考s為2 000 mm，距直接頂58 m 處的覆巖下沉量約為1 640 m.

模擬充填開采時上覆巖層位移的變化。當(dāng)模型達(dá)到原始應(yīng)力平衡后，按順序模擬開挖充填。通過布置在采空區(qū)中心最大下沉值處距頂板距離0，4，8，24，33，43，48，58 m 處的監(jiān)測點繪制出如圖6 所示的位移曲線圖。

圖6 不同充填率下上覆巖層距離頂板不同高度處下沉量Fig.6 Overburden different sink value under different compression ratio

對比圖5，6 可知，充填開采明顯的控制了上覆巖層移動，地表沉陷顯著減弱。從圖6 可看出充填率越大，上覆巖層移動就越小;當(dāng)充填率較低時，頂板不同位移處的下沉量變化較大，充填率越高，頂板下沉越趨于平緩。當(dāng)充填率到達(dá)85%時，距頂板60 m 處下沉已減小到接近200 mm，當(dāng)充填率為90%時，距頂板60 m 處的下沉接近150 mm.

3 曲線回歸分析

上邊分析了覆巖內(nèi)部的最大垂直位移量，而研究的最終目的是要歸結(jié)到地表變形，所以需要對地表的位移變化來做進(jìn)一步的研究。從圖7 可以看出，隨著距離頂板高度的增加，巖層最大垂直位移量的減少并不均勻，不符合線性變化，開始減小的快，后期減小幅度緩慢，逐漸趨于一個固定值，符合對數(shù)變化規(guī)律。

圖7 充填率為95%時的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of 95% compression ratio

使用統(tǒng)計軟件SPSS 進(jìn)行分析［13］，將充填率為95%時“距離頂板高度——頂板下沉量”的數(shù)值，使用對數(shù)模型進(jìn)行回歸分析，擬合得到曲線圖形。擬合結(jié)果顯示R 方值為0.969，表明曲線擬合很好，能夠反映實際真實情況，是有效的。根據(jù)擬合結(jié)果得到參數(shù)估計值，常數(shù)項為95.36，系數(shù)b1值為-3.41，所以充填率為95%時距離頂板不同高度處的頂板下沉量曲線的函數(shù)式為

利用此方法，將充填率為75%，80%，85%，90%時“距頂板高度——頂板下沉量”的數(shù)值分別進(jìn)行回歸分析，得出相關(guān)的擬合關(guān)系式，見表1.

表1 不同充填率下距頂板不同距離處的下沉量曲線的擬合公式Tab.1 Different compression ratio subsidence curve fitting formula

從這幾個公式可以看出，公式的常數(shù)項基本上和x=0 所對應(yīng)的巖層最大垂直位移量接近，也就是與直接頂?shù)淖畲笙鲁亮拷咏?。煤層開采后，直接頂最大下沉量基本和等價采高接近，所以公式中的常數(shù)項可以當(dāng)做等價采高m.

分析對數(shù)前邊的系數(shù)b1，發(fā)現(xiàn)b1和等價采高成正比，為線性變化，用一元回歸分析可得此系數(shù)a= -0.086 m+3.846.這樣公式最終即變?yōu)?/p>

其中 m 為等價采高，mm.這就是基于新陽礦地質(zhì)條件下的不同距離處上覆基巖最大垂直位移量關(guān)系式。

4 檢驗與應(yīng)用

新陽礦10203 工作面實際采高為2.2 m，工作面傾角約為3°，距地表193 ～221 m.按照之前求出的等價采高、基巖高度與最大垂直位移量之間的關(guān)系式來計算不同充填率時(選取3 個充填率分別為80%，85%，90%)地表最大下沉量。

已知10203 工作面基巖高度為104.7 m，基巖上方為松散層，松散層對上覆巖層活動不能起到控制作用的。當(dāng)充填率為80%時，計算得等價采高約為430 mm，帶入公式(2)得到在104.7 m 處的最大垂直位移為276 mm，由松散層傳播到地表其最大垂直位移也將接近276 mm;當(dāng)充填率為85%時，等價采高約為322 mm，可得出在104.7 m處最大垂直位移量為210 mm，即地表最大沉陷大約為210 mm;當(dāng)充填90%時，等價采高為215 mm，距頂板104.7 m 處的基巖最大垂直位移為147 mm，因此地面最大下沉值也預(yù)測為147 mm.

為了驗證利用上面方法求出的地表最大垂直位移量的準(zhǔn)確性，文中與基于開采沉陷概率積分法而開發(fā)的預(yù)測軟件預(yù)計出的地表最大下沉值進(jìn)行了對比，對比結(jié)果見表2.

表2 不同采高下計算最大下沉值與預(yù)計最大下沉值的對比Tab.2 Maximum subsidence value contrast by different calculations

通過對比同一充填率下由推導(dǎo)公式計算出來的地表最大下沉值與采用預(yù)測軟件預(yù)計出的最大下沉值發(fā)現(xiàn)，兩組最值相差不大，最大相差為10 mm，從地表上來看基本可以忽略，計算值與預(yù)計值還是很接近的?？紤]到充填漿體可以控制頂板下沉，上覆巖層不會出現(xiàn)大的破碎以及變形，而且其移動相對較緩慢，具有一定的規(guī)律性，所以通過曲線回歸分析得出的關(guān)系式相對可靠。

綜合分析認(rèn)為，通過FLAC3D數(shù)值模擬監(jiān)測點所到的數(shù)據(jù)經(jīng)過曲線回歸分析后，得到的等價采高、基巖高度與覆巖最大垂直位移量之間的關(guān)系式在相似地質(zhì)條件下來計算充填開采覆巖最大位移量還是較適用的。通過此公式可以預(yù)測充填開采地表最大變形，也能夠指導(dǎo)充填開采確定合適的充填率，有著廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

1)提高充填開采對上覆巖層移動效果的關(guān)鍵在于提高充填率，提高充填體強(qiáng)度對于控制上覆巖層移動是有限的。

2)充填開采上覆巖層隨著離頂板距離的增大，最大垂直位移量逐漸減小;當(dāng)充填率較小時，隨著覆巖高度的增加，其位移量減小程度較大，當(dāng)充填率逐漸變大，其位移減小程度隨著覆巖高度的增加逐漸趨于平緩。

3)通過曲線回歸分析得出了一定充填率下，上覆巖層的下沉量曲線，建立了等價采高、基巖高度與最大垂直位移量之間的關(guān)系式，進(jìn)一步揭示了充填開采上覆巖層移動規(guī)律。

4)計算充填開采覆巖最大位移量的公式對于預(yù)測地表變形，確定合適的充填率有一定的指導(dǎo)意義，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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