黃土溝谷區(qū)采空區(qū)充填對地表變形規(guī)律的影響研究

關(guān)軍琪，呂義清，趙國貞，2

（1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024）

采空區(qū)治理是井工開采煤礦中需要面臨的一大難題。采空區(qū)頂板控制技術(shù)的研究也是礦山開采技術(shù)研究的重點，采空區(qū)頂板活動規(guī)律直接影響到覆巖“三帶”發(fā)育和礦山壓力顯現(xiàn)。錢鳴高院士提出的關(guān)鍵層理論非常直觀的揭示了頂板活動過程[1]；許家林教授利用關(guān)鍵層理論分析了綜采條件下覆巖移動特征和“三帶”發(fā)育特征[2]。充填式開采成為了控制頂板巖層移動，控制地表變形的一個重要手段[3-5]。充填開采還可以置換井下遺留煤柱，解放部分“三下”煤炭資源，提高煤礦生產(chǎn)年限和煤炭回采率，減少采空區(qū)變形誘發(fā)的各種二次災害，符合我國綠色礦山建設(shè)的基本要求。

充填開采方案對充填效果具有較大影響。以往學者在充填方案的研究主要集中在充填材料選擇[6]、充填率[7]及充填工藝[8]方面，針對不同地形條件下的充填方案研究較少。根據(jù)前人研究成果，地形條件對采空區(qū)巖層及地表變形有較明顯影響[9]，因此不同充填方案在不同地形條件下也會起到不同效果。我國地質(zhì)條件復雜多變，完全依靠實際生產(chǎn)中的案例研究充填開采是不現(xiàn)實的，為此，以蘆子溝煤礦地質(zhì)條件為背景，采用數(shù)值模擬的方法研究溝谷地形條件下的多種充填方案，分析不同方案下地表移動變形規(guī)律，為煤礦充填開采方案的選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況

蘆子溝煤礦由2009年煤炭資源企業(yè)兼并重組時建立。位于忻州市保德縣東部，屬黃河流域，河口-龍門河段支系，水文地質(zhì)單元為天橋泉域。井田地貌類型為山區(qū)侵蝕地貌，溝谷交錯，地形復雜。區(qū)域范圍內(nèi)地表均被第四系黃土覆蓋，侵蝕嚴重，植被覆蓋率低，部分地區(qū)有紅土出露，屬強烈侵蝕的中低山區(qū)。礦區(qū)主要開采8#、10#、11#、13#煤層，其中8#煤厚4.25m，目前已基本開采完畢。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)工作面對應地表地形遭到一定程度破壞，可見地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災害，同時受采動影響下溝谷兩側(cè)坡體存在變形跡象。

研究對象位于井田東部的2個支溝。井田內(nèi)石炭、二疊系地層發(fā)育完整，地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤儲量豐富，煤層較厚。8#煤層開采深度110～210m，溝谷處埋藏較淺，厚度平均4.25m，基本采用長壁式采煤法。2個支溝呈南北向延伸，最大高差可達100m，谷底坡度較緩，溝谷兩側(cè)坡體坡度為30°～45°，調(diào)查發(fā)現(xiàn)坡體后緣及坡面均有不同程度的變形現(xiàn)象，裂縫長短不一，多數(shù)為張拉式裂縫，有臺階式錯位。

2 充填開采巖層控制理論

隨著工作面的推進，原本作為支撐體的煤層被開采后使頂?shù)装鍘r層應力增加，采空區(qū)附近應力平衡被破壞，從而產(chǎn)生變形和移動，并逐漸向上影響，導致地表發(fā)生采動形變。目前，煤層采高是礦山壓力顯現(xiàn)與引起地表變形的主要影響因素之一。采用垮落法處理的采空區(qū)上覆巖層自下至上可分為“三帶”：垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶[2]。

充填法采煤的巖層控制原理就是利用充填體的支撐作用，代替原本煤層的支撐作用，限制頂板巖層發(fā)生變形[10]。目前國內(nèi)外已經(jīng)在充填材料的選擇方面進行了大量研究，但是不同材料在受到頂板巖層應力后均會發(fā)生不同程度的壓縮，因此充填開采僅能減少頂板巖層的變形程度。理想狀態(tài)的充填效果是頂板巖層無明顯“三帶”分布，基本頂由原來的“砌體梁”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椤般q接巖梁”結(jié)構(gòu)。

對充填效果的評價，國內(nèi)學者提出了“等價采高”理論[11]。“等價采高”即為煤層開采厚度減去充填體受壓縮以后的高度，充填開采可以等效為減小了開采厚度。此時的地表變形等效為由“等價采高”引起的地表變形。國內(nèi)學者對開采沉陷的預計方法進行了大量研究[12]，對于充填開采比較有效的方法為基于等價采高的概率積分法模型計算處地表變形量。

地表任意點的下沉值W（x，y）可以表示為：

式中：Wcm為充分采動地表最大下沉值，m；m為煤層開采厚度，m；q為地表下沉系數(shù)；α為煤層傾角，（°）；Cx′、Cy′為待求點在走向和傾向著斷面上投影點處的下沉分布系數(shù)；x、y為待求點坐標。

地表任一點的水平移動值U（x，y）表示為：

式中：φ為最大水平移動方向與x軸夾角，（°）；Ux、Uy分別為待求點沿走向和傾向在主斷面投影點處的水平移動值，mm。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

據(jù)礦區(qū)地形地質(zhì)圖及鉆孔柱狀圖，應用MIDAS-GTS-NX建立包含2個支溝的數(shù)值模型，并導入可模擬大變形的FLAC3D有限差分軟件進行計算。三維數(shù)值模型如圖1。

圖1 三維數(shù)值模型Fig.1 Three-dimensional numerical model

模型尺寸為750m×970m×260m，x軸方向為長邊方向，最厚處達260m。煤層埋深為120～240 m，在東側(cè)溝谷處埋深最淺。溝谷走向沿y軸，y軸正方向為正北方向。網(wǎng)格劃分尺寸約為20m，共建立37821個節(jié)點，45736個單元。模型分組完成后導入FLAC3D軟件進行后處理，設(shè)置底面的豎直方向及4個側(cè)面的水平方向約束。模型豎直方向根據(jù)鉆孔柱狀圖劃分13層地層，巖性包括紅土、黃土、泥巖、砂巖及煤層，其中第11層為煤層。計算采用的巖土體物理力學參數(shù)見表1。為方便描述，將模型從西向東劃分為A、B、C、D、E5個區(qū)域，A、C、E區(qū)為山峰，B、D區(qū)為溝谷。

表1 巖土體物理力學參數(shù)Table1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

布置2條互相平行其垂直于溝谷延伸方向的工作面，2個工作面尺寸均為800×100m，工作面間留有32m的保安煤柱，工作面布置圖如圖2。

圖2 工作面布置圖Fig.2 Working face layout

根據(jù)充填方案的不同，設(shè)計全面充填、間隔式充填2種模擬方法。2種方法的地層參數(shù)、荷載、邊界條件、工作面參數(shù)均保持一致，僅改變充填方案參數(shù)。方案1：根據(jù)充填率的不同，間隔10%，從0～90%充填率共設(shè)計10個計算模型；由于采煤過程中直接頂基本頂?shù)乃槊?，現(xiàn)實中的隨采隨充一般不可能做到100%充填率，因此模擬最大選用90%充填率。方案2：根據(jù)溝谷及山峰的位置，設(shè)置間隔式充填方案，包括：①充填溝谷下方采空區(qū)，不充填山峰下方采空區(qū)；②充填山峰下方采空區(qū)，不充填溝谷下方采空區(qū)。2種方案的工作面開挖均采用自南向北的開挖順序，邊開挖邊充填。

3.2 方案1模擬結(jié)果

3.2.1 總位移

不同充填率總位移云圖如圖3。

圖3 不同充填率總位移云圖Fig.3 Cloud diagrams of total displacement with different filling rates

由圖3可以看出，在10種不同充填率情況下，地表沉降盆地的范圍均近似為同心橢圓形，沉降范圍在山谷處有所收縮，山峰處有所擴大。地表沉降范圍與埋深成正比，溝谷處比山峰處的煤層埋深淺，因此沉降范圍曲線向內(nèi)收縮。隨著充填率的提高地表沉降范圍與位移量逐漸變小，位移量最大的位置均位于C峰中部。不充填情況C峰最大總位移0.544 m，當充填率達到90%時C峰最大總位移0.143m，充填效果明顯。

根據(jù)10種充填率的計算結(jié)果，繪制的地表最大下沉值曲線如圖4。

圖4 地表最大下沉值曲線Fig.4 Curve of maximum surface subsidence value

由圖4可以看出，雖然地表總位移最大值隨著充填率的提高逐漸減小，但是兩者不成線性負相關(guān)。在充填率小于20%時，曲線較緩，說明在充填率小于20%時充填效果變化不明顯；在充填率在20%～70%之間時，曲線較陡，充填效果隨充填率的增加提升明顯，總位移最大值與充填率呈近似線性負相關(guān)；在充填率大于70%后，曲線再次逐漸變緩，說明在充填率大于70%時通過提高充填率對充填效果的提升作用較小。

3.2.2 地表下沉

為了分析溝谷地形對地表沉降的影響，在每個模型中平行于x軸方向布置剖面及監(jiān)測點，剖面位于y=400m處，每間隔40m讀取剖面地表的z軸方向位移值。不同充填率下地表下沉值曲線圖如圖5，z軸方向位移剖面云圖如圖6。

圖5 不同充填率下地表下沉值曲線圖Fig.5 Curves of surface subsidence under different filling rates

圖6 z軸方向位移剖面云圖Fig.6 Cloud diagrams of z-axis displacement profile

由圖5、圖6可知，從開切眼位置至工作面中部，地表下沉量逐漸增大，最大下沉位置均位于C區(qū)山峰中部，最大下沉值為0.382m。同時，2個溝谷處位移等值線向溝谷處彎曲，且B、D區(qū)的地表下沉量曲線有向上突起。

總結(jié)上述分析可以得出，在全面充填條件下，70%充填率即可達到較好充填效果，再提高充填率對充填效果提升較小，浪費成本；溝谷地形對全面充填方案的充填效果有明顯影響。

3.3 方案2模擬結(jié)果

為了充分考慮地形條件對充填效果的影響，設(shè)計考慮地形條件的間隔式充填方案，在提高充填效果的前提下降低充填率，進而降低充填成本。模擬以50%充填量為例，根據(jù)溝谷下方工作面與山峰下方工作面的長度比例，控制整體充填量保持一致的情況下，對比方案1與方案2的充填效果。方案2的充填方案分2種：①僅充填溝谷下方采空區(qū)；②僅充填山峰下方采空區(qū)。3.3.1 地表下沉

3種情況下的地表下沉云圖如圖7。

圖7 3種情況下的地表下沉云圖Fig.7 Cloud diagrams of surface subsidence in three cases

由圖7可以看出，方案1中充填率50%時地表下沉等值線呈近似橢圓形，中心位移最大達230 mm；方案2中充填山峰時地表下沉等值線圖變化為“雙峰”型，下沉峰值在B、D區(qū)溝谷底部集中，最大下沉值73mm；充填溝谷時地表下沉等值線圖呈“三峰型”，下沉峰值在A、C、D區(qū)山峰處集中，并在C峰達到最大值107mm，A、D峰處下沉值為62mm。由此可見，在整體充填量為50%時，2種間隔式充填法均比方案1中的全面充填法起到的充填效果要好，采空區(qū)對地表的影響更小。

3.3.2 斜坡變形

方案2的間隔充填法除了對地表下沉量有明顯優(yōu)勢，而且對溝谷兩側(cè)斜坡穩(wěn)定性有較大影響。x方向的位移可以很好的反映地表斜坡的變形趨勢，3種情況下的地表x方向位移云圖如圖8。

圖8 3種情況下的地表x方向位移云圖Fig.8 Surface x-direction displacement cloud images in three cases

由圖8地表x方向位移云圖可以看出，受采空區(qū)影響B(tài)區(qū)溝谷西側(cè)斜坡與D區(qū)溝谷東側(cè)斜坡均產(chǎn)生了向溝谷方向的位移，對斜坡穩(wěn)定性存在不良影響，3種情況位移大小分別為64、30、18mm；B區(qū)溝谷東側(cè)斜坡與D區(qū)溝谷西側(cè)斜坡均產(chǎn)生了背離溝谷方向的位移，對斜坡穩(wěn)定性存在有利影響，3種情況位移大小分別為26、14、29mm。由此可見，充填溝谷下方采空區(qū)的方案計算得到的地表斜坡穩(wěn)定性最好。

總結(jié)上述分析可以得出，在充填量保持一定時，間隔充填方案會比全面充填方案能起到更好的充填效果，其中選擇充填溝谷下方采空區(qū)時地表發(fā)生變形、斜坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性最小。

對間隔方案進行模擬時僅以50%充填量為例，實際采煤中可在成本允許的適當提高充填量，改變間隔充填方案中溝谷下與山峰下的充填比例，得到更好的充填效果。同時充填時應該重點關(guān)注地面重點區(qū)域比如建筑區(qū)，公路區(qū)進行優(yōu)先填充，以達到在使用較低充填量和充填成本的前提下最大程度地降低由采空區(qū)引起的地表重點區(qū)域變形的目的。

4 結(jié) 論

1）隨著充填率的提高地表位移值逐漸減小，但是兩者不成線性負相關(guān)。在充填率小于20%時充填效果變化不明顯；在充填率在20%～70%之間時，充填效果隨充填率的增加提升較明顯，總位移最大值與充填率呈近似線性負相關(guān)；在充填率大于70%后，通過提高充填率對充填效果的提升作用較小。且溝谷地形對全面充填方案的充填效果有明顯影響。

2）間隔式充填能夠改變地表沉降盆地的形態(tài)，在充填量保持一定時，相比方案1中的全面充填法間隔式充填方案地表沉降量更小，充填效果更好。

3）充填溝谷下方采空區(qū)比充填山峰下方采空區(qū)地表斜坡受采空區(qū)影響產(chǎn)生的水平位移更小，斜坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性更小。

4）在進行采空區(qū)充填時不僅要考慮地形因素還應該重點關(guān)注地面重點區(qū)域比如建筑區(qū)，公路區(qū)進行優(yōu)先填充，以達到在使用較低充填量和充填成本的前提下最大程度地降低由采空區(qū)引起的生命財產(chǎn)損失的目的。