厚松散層下條帶充填開采沉陷影響因素的數(shù)值模擬分析

張 磊 張兆民

(1. 大同大學(xué)，山西省大同市，037004； 2. 山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東省濟(jì)南市，250100； 3. 山東省煤田資源數(shù)字化工程技術(shù)中心，山東省濟(jì)南市，250100)

隨著煤炭資源長期無節(jié)制的開采，中國東部老礦區(qū)的煤炭資源正面臨趨于枯竭的局面，并且尚未開采的煤炭資源大部分屬于“三下”壓煤。賦存有厚松散層的礦區(qū)，其地表沉陷規(guī)律具有一定的特殊性(松散層含水時(shí)，其下沉系數(shù)偏大)，通過采礦工作者歷年的實(shí)踐研究，對于普通地質(zhì)條件下的煤炭開采引起的地表移動變形已經(jīng)進(jìn)行了大量深入的研究，然而特殊地質(zhì)條件下開采，如厚松散層開采引起的地表下沉規(guī)律研究較少。

煤礦開采過程中地表沉陷造成環(huán)境破壞，房屋出現(xiàn)裂縫等災(zāi)害現(xiàn)象，成為需要面臨的熱點(diǎn)問題。為此，部分學(xué)者提出了合理有效的開采方式來控制災(zāi)害的發(fā)生，條帶充填開采成為一種可行的綠色開采方式。條帶充填開采采用部分充填的方法，在充填強(qiáng)度有保證的前提下，可以有效地控制地表大范圍下沉，減小開采對環(huán)境造成的破壞。

本文針對工作面上方賦存厚松散層的情況，運(yùn)用FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件，研究厚松散層下條帶充填開采影響地表沉陷的因素及其規(guī)律，為厚松散巖層下開采提供理論基礎(chǔ)，可以大大提高采出率、降低充填成本、將經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 數(shù)值模型及模擬方案

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

依據(jù)山東義能煤礦實(shí)測地質(zhì)條件，確定模型參數(shù)，建立數(shù)值模擬基本模型，如圖1所示。為了簡

化數(shù)值模型，模型長度700 m，寬度220 m，因選取上覆巖層的組合結(jié)構(gòu)不同，模型高度介于254～334 m之間。模型的上邊界是地表，下邊界是煤層底板。為了消除邊界效應(yīng)的影響，走向方向上開采邊界以外設(shè)計(jì)留設(shè)200 m邊界條件，傾斜方向留設(shè)60 m邊界條件，即充填工作面的寬度為100 m，開采厚度3 m。在模擬計(jì)算過程中，采用摩爾—庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。巖體物理參數(shù)見表1。

此次研究地表沉陷影響因素的問題，可以看作平面移動應(yīng)變問題，故假設(shè)工作面推進(jìn)方向無限長，所研究的移動盆地的主斷面前后兩個(gè)面(XZ面)限制Y方向位移，左右兩個(gè)面(YZ面)限制X方向位移，底部限定垂直方向位移和水平方向位移。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

巖層名稱體積模量/GPa切變模量/GPa粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)單軸抗拉強(qiáng)度/MPa容重/kg·m-3覆蓋土004012017190041880粘土2002009055180011980粘土1004014058190021980砂2005007027150031970砂1003005017180011970砂礫2004007019170021900砂礫1005006017180011900粗砂巖3655585658336452200中砂巖2590530552335792500粗砂巖2555385618316452200中砂巖1550550652326192500粗砂巖1555485718336452200泥巖510255320303552350煤層185130215292401500砂巖2560420953349352600砂巖158043098535995260020MPa充填體14105005528012220025MPa充填體25009010528017220030MPa充填體35212513728025220035MPa充填體45516717528032220040MPa充填體560210220280412200

1.2 數(shù)值模擬方案

本文共設(shè)計(jì)30個(gè)方案，其中20個(gè)方案采用單一控制變量法進(jìn)行模擬研究，分別對不同松散層厚度(160 m、180 m、200 m、220 m、240 m)、不同充填率(51%、55.5%、60%、64.5%、69%)、不同充填體強(qiáng)度(2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa、4.0 MPa)以及不同關(guān)鍵層厚度(40 m、55 m、70 m、85 m、100 m)下對條帶充填開采進(jìn)行地表下沉規(guī)律研究，模擬方案為充填率60%、充填體強(qiáng)度2.0 MPa、關(guān)鍵層厚度70 m、松散層厚度200 m。模擬方案見表2。

表2 模擬方案

圖2 工作面條帶充填示意圖

工作面條帶充填開采示意圖如圖2所示。由圖2可知，在推進(jìn)方向上留設(shè)一定的充填條帶，充留間隔為60 m。充填率的計(jì)算是考慮煤炭采出后頂?shù)装逡平亢褪┕すに?充填體的接頂率和泌水率)等因素影響后的實(shí)際充填率，其計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

其中，實(shí)際充填高度取2.7 m。在模型頂部(地表)垂直于工作面推進(jìn)方向的中央(X=0～700，Y=120，Z=地表值)，每隔10 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，共設(shè)計(jì)70個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用來監(jiān)測開采過程中地表下沉的垂直位移(Z方向)和橫向水平位移(X方向)，因縱向水平位移(Y方向)不在下沉盆地主斷面內(nèi)，故暫不研究。

2 數(shù)值模擬分析結(jié)果

2.1 充填率對地表下沉的影響

充填率不同時(shí)，其下沉盆地主斷面的地表下沉曲線及最大下沉值的變化趨勢分別如圖3和圖4所示。

圖3 地表下沉曲線

圖4 地表最大下沉值變化趨勢圖

由圖3可以看出，各方案下沉盆地主斷面的地表下沉曲線關(guān)于地表最大下沉值點(diǎn)呈近似對稱分布形態(tài)，最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)下沉盆地中央，下沉盆地邊界相較于采空區(qū)邊界向外擴(kuò)展約100 m。下沉盆地的最大下沉值分別為581 mm、520 mm、461 mm、404 mm和298 mm。在保持充填體強(qiáng)度的前提下，設(shè)計(jì)方案對下沉系數(shù)進(jìn)行了控制，控制在0.1～0.19之間。由模擬結(jié)果可知，地表最大下沉量較小，表明條帶充填體—覆巖主關(guān)鍵層組合結(jié)構(gòu)對控制覆巖運(yùn)動以及減小地表下沉起到重要作用。

由圖4可以看出，隨著充填率的不斷增加，地表最大下沉值逐漸減小，其中充填率從64.5%增大到69%，最大值減小較明顯。主要原因在于充填率增加后，相鄰條帶之間的間隔減小，采空區(qū)上方頂板的懸跨度減小，且充填體內(nèi)部形成的彈性核區(qū)域增加，穩(wěn)定性和強(qiáng)度增加。條帶充填體自身變形量較小，減少了上覆巖層運(yùn)動的空間，能有效控制關(guān)鍵層彎曲下沉，因此，地表下沉量減小。

2.2 松散層厚度對地表下沉的影響

對于不同的松散層厚度條帶充填開采方案，其下沉盆地主斷面的地表下沉曲線及最大下沉值的變化趨勢如圖5和圖6所示。

圖5 地表下沉曲線圖

圖6 地表最大下沉值變化趨勢圖

由圖5可以看出，各方案下沉盆地主斷面的地表下沉曲線關(guān)于地表最大下沉值點(diǎn)呈近似對稱分布形態(tài)，最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)下沉盆地中央，下沉盆地邊界相較于采空區(qū)邊界向外擴(kuò)展了100～180 m左右，隨著松散層厚度的增加地表下沉范圍逐漸增大，同時(shí)地表下沉盆地邊緣收斂逐漸變緩。下沉盆地的最大下沉值分別為538 mm、492 mm、461 mm、386 mm和401 mm。在保持充填體強(qiáng)度的前提下，設(shè)計(jì)方案對下沉系數(shù)進(jìn)行了控制，控制在0.12～0.18之間，地表整體下沉值較小，表明條帶充填開采能有效控制上覆巖層運(yùn)動減緩地表下沉。

由圖6可知，當(dāng)松散層厚度在160～180 m范圍內(nèi)時(shí)，隨著松散層厚度的增加地表最大下沉值小幅度減小。當(dāng)松散層厚度在180～240 m范圍內(nèi)時(shí)，地表最大下沉值變?yōu)榇蠓仍龃筅厔?。主要原因在于?dāng)松散層厚度在160～180 m范圍內(nèi)時(shí)，厚松散層對地表下沉有一定的緩解作用；在180～240 m范圍內(nèi)，厚松散層對地表下沉的緩解作用弱于松散層增加的自重對條帶充填體壓縮作用以及覆巖主關(guān)鍵層的彎曲變形，因此地表下沉表現(xiàn)為隨松散層厚度的增加而增加。

2.3 充填體強(qiáng)度對地表下沉的影響

對于不同的充填體強(qiáng)度條帶充填開采方案，其下沉盆地主斷面的地表下沉曲線及最大下沉值的變化趨勢如圖7和圖8所示。

圖7 地表下沉曲線

由圖7可以看出，各方案下沉盆地主斷面的地表下沉曲線關(guān)于地表最大下沉值點(diǎn)呈近似對稱分布形態(tài)，最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)下沉盆地中央，下沉盆地邊界相較于采空區(qū)邊界向外擴(kuò)展超過100 m。下沉盆地的最大下沉值分別560 mm、488 mm、459 mm、431 mm和403 mm。在保持充填體強(qiáng)度的前提下，設(shè)計(jì)方案對下沉系數(shù)進(jìn)行了控制，控制在0.13～0.19之間，由模擬結(jié)果可知，地表最大下沉量較小，表明條帶充填體—覆巖主關(guān)鍵層組合結(jié)構(gòu)對控制覆巖運(yùn)動以及減小地表下沉起到重要作用。

圖8 地表最大下沉值變化趨勢圖

由圖8可以看出，當(dāng)充填體強(qiáng)度在2.5～4.0 MPa時(shí)，充填體強(qiáng)度變化趨勢和地表下沉相反，充填體強(qiáng)度增加，下沉值減小，主要原因在于在充填體強(qiáng)度能滿足支承上覆巖體重量時(shí)，充填體強(qiáng)度越大抵抗變形的能力就越強(qiáng)，當(dāng)受到上覆巖層壓縮時(shí)，自身變形量較小，關(guān)鍵層不能充分運(yùn)動，地表發(fā)生下沉就小。充填體強(qiáng)度由2.5 MPa減小到2.0 MPa時(shí)，地表下沉值表現(xiàn)出奇異性，下沉值增加幅度較大，因?yàn)槌涮顝?qiáng)度較低時(shí)，在上覆巖層的重力作用下充填體狀態(tài)發(fā)生變化，由彈性狀態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，使充填體自身變形量增加，因此，地表下沉量隨之增加。

2.4 關(guān)鍵層厚度對地表下沉的影響

對于不同的關(guān)鍵層厚度條帶充填開采方案，其下沉盆地主斷面的地表下沉曲線及最大下沉值的變化趨勢如圖9和圖10所示。

由圖9可以看出，各方案下沉盆地主斷面的地表下沉曲線關(guān)于地表最大下沉值點(diǎn)呈近似對稱分布形態(tài)，最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)下沉盆地中央，下沉盆地邊界相較于采空區(qū)邊界向外擴(kuò)展超過100 m。下沉盆地的最大下沉值分別為705 mm、509 mm、461 mm、271 mm和325 mm。在保證充填體穩(wěn)定的前提下，本組條帶充填開采試驗(yàn)方案將主斷面地表下沉系數(shù)控制在0.19～0.24之間，地表整體下沉值較小，表明條帶充填開采能有效控制上覆巖層運(yùn)動減緩地表下沉。

圖9 地表下沉曲線

圖10 地表最大下沉值變化趨勢圖

由圖10可以看出，當(dāng)關(guān)鍵層厚度小于55 m時(shí)，地表最大下沉值隨關(guān)鍵層厚度的減小顯著增大；當(dāng)關(guān)鍵層厚度為55～70 m時(shí)，隨關(guān)鍵層厚度的增加地表最大下沉值減小幅度較小，而當(dāng)關(guān)鍵層厚度為70～85 m時(shí)，其減小幅度較大；當(dāng)關(guān)鍵層厚度為85～100 m時(shí)，地表最大下沉值隨厚度的增加而增大。主要原因在于當(dāng)關(guān)鍵層厚度在一定范圍內(nèi)，并且保證充填體穩(wěn)定性的前提下，關(guān)鍵層越厚覆巖主關(guān)鍵層強(qiáng)度越大，其自身抵抗形變的能力越強(qiáng)，能承擔(dān)上覆巖層及其自身的重量，起到關(guān)鍵層作用，下沉量較小。當(dāng)關(guān)鍵層厚度逐漸增加時(shí)，上覆巖層的自重也開始變大，條帶充填體承受的實(shí)際載荷不斷增大，當(dāng)載荷增大到一定程度時(shí)，條帶充填體將會由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，隨著塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，充填體自身的壓縮量也隨之增加，當(dāng)條帶充填體的壓縮量超過關(guān)鍵層對上覆松散層下沉的控制量時(shí)，地表下沉量表現(xiàn)出增加的趨勢。

3結(jié)論

(1)充填率變化規(guī)律與地表最大下沉值呈負(fù)相關(guān)，充填率越大，下沉量越小，且當(dāng)充填率由64.5%增長至69%時(shí)，最大下沉值減小幅度較大。

(2)隨著松散層厚度增加，地表移動變形的下沉值先減小后增大，當(dāng)松散層厚度為160～180 m時(shí)，隨著松散層厚度的增加地表最大下沉值逐漸減小；當(dāng)松散層厚度為180～240 m時(shí)，隨著松散層厚度的增加地表最大下沉值逐漸增大。

(3)充填體強(qiáng)度變化規(guī)律與地表最大下沉值呈負(fù)相關(guān)，充填強(qiáng)度越大，下沉量越小。

(4)當(dāng)關(guān)鍵層厚度在40～85 m范圍內(nèi)，并且保證充填體穩(wěn)定性的前提下，隨著關(guān)鍵層厚度的增加，地表移動變形的下沉值逐漸減?。划?dāng)關(guān)鍵層厚度超過85 m時(shí)，地表移動變形的下沉最大值由減小趨勢變?yōu)樵龃筅厔荨?/p>

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