煤柱-充填體聯(lián)合控制地表變形規(guī)律研究

郭亞奔，張 曉,2,3，史久林,2,3，李 立,2,3，胡 濱,2,3，顧士超

(1.天地(榆林)開采工程技術(shù)有限公司，陜西 榆林 719000；2.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京 100013；3.天地科技股份有限公司，北京 100013)

隨著城市建設(shè)發(fā)展和煤炭資源開采強度增大，“三下”壓煤問題愈發(fā)嚴重，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國面臨的“三下”壓煤量約為137.9億t，其中，建筑物下壓煤量達到約為87.6億t[1-2]。建筑物下壓煤問題嚴重影響礦區(qū)的正常生產(chǎn)和接續(xù)，針對此問題，相關(guān)學(xué)者從留設(shè)保護煤柱、條帶開采和充填開采等方面展開研究[3-5]。常西坤[6]利用極限理論和AH威爾遜煤柱強度理論綜合分析確定葛亭煤礦230采區(qū)村莊下煤柱留設(shè)45 m時，可保證安全生產(chǎn)，但回采率僅為47.1%；李金貴[7]對建筑物下煤柱留設(shè)進行模擬，確定煤柱不小于130 m時可保證礦井安全生產(chǎn)；郭振興等[8]通過理論分析和數(shù)值模擬，確定在采寬20 m條件下保護煤柱的合理寬度為20～26 m；周澤等[9]研究發(fā)現(xiàn)采用垂線法留設(shè)50 m保護煤柱以及合理開采措施可有效控制地表變形；劉義新等[10]提出了巷柱式聯(lián)合加固留設(shè)煤柱條帶開采技術(shù)，采寬100 m，留寬100 m，采出率由40%提高到50%；董羽等[11]通過理論分析得出當(dāng)條帶開采村莊下壓煤時，留設(shè)煤柱寬度60 m，可使地表保持長期穩(wěn)定；楊偉峰等[12]采用采寬30 m、留寬40 m的條帶開采方式對建筑物下進行開采，各項移動變形最大值均處在地表建(構(gòu))筑物保護等級Ⅰ級以內(nèi)，不會引起建筑物破壞問題，但采出率僅為42.86%～50.00%；常慶糧[13]通過地表沉陷預(yù)計模型，預(yù)測小屯礦充填開采時地表下沉系數(shù)控制在0.16以內(nèi)，可保證南旺村建筑物安全，但充填成本增加60.4元/t；李秀山等[14]采用矸石膏體充填開采建筑下壓煤，實測地表最大下沉量僅為35 mm，遠小于原設(shè)計預(yù)計的300～400 mm，控制效果良好；婁高中等[15]采用概率積分法預(yù)計分析超高水充填開采對建筑物的影響，結(jié)果表明，工作面推進270 m時，地表最大下沉值僅為43 mm，地表村莊建筑物損害級別控制在地表建(構(gòu))筑物保護等級Ⅰ級以內(nèi)。

留設(shè)保護煤柱、條帶開采和充填開采均可控制上覆巖層移動，留設(shè)保護煤柱和條帶開采可很大程度保護地面建筑的安全，但采出率僅為30%～50%[16-17]，資源浪費嚴重；而利用充填體支承上覆巖層，則受材料性能、成本的制約[18-19]。因此，尋求煤柱和充填體的合理范圍是非常有必要的，一方面可以減少煤炭資源的浪費，實現(xiàn)建筑物下煤炭資源的高效開采；另一方面可以降低充填材料成本，實現(xiàn)企業(yè)效益最大化。

1 工程背景

阿爾巴斯二礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯境內(nèi)，井田面積10.47 km2，采用斜井多水平開拓方式。一水平開采9#煤層，井田北部9#煤層已開采至六采區(qū)，大范圍采空；二水平開采16#煤層。礦井9#煤層平均厚度3.6 m，煤層傾角平均4.5°，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。礦井六采區(qū)CT6902工作面和CT6903工作面地面有鄂爾多斯電業(yè)局110 kV變電站、石料廠和多家牧民房屋等建(構(gòu))筑物，壓煤約649.95萬t，地面建(構(gòu))筑物嚴重影響煤炭資源的回采與礦井正常接續(xù)；而牧民生活區(qū)存在若干牧民房屋，房屋構(gòu)造為磚混結(jié)構(gòu)，對變形有不同響應(yīng)，具體情況如圖1所示。結(jié)合膠結(jié)充填首采工作面地質(zhì)采礦條件和地面建(構(gòu))筑物分布情況，重點保護鄂爾多斯電業(yè)局110 kV變電站、石料場和多家牧民房屋等建(構(gòu))筑物，充填開采產(chǎn)生的采動影響程度均需控制在輕微損害范圍內(nèi)。

圖1 地表建(構(gòu))筑物分布情況Fig.1 Distribution of surface building (structure)

2 聯(lián)合控制方案對比分析

2.1 聯(lián)合控制方案設(shè)計

聯(lián)合控制方案設(shè)計了充實率為80%、85%、90%、95%，工作面采深為200 m，煤柱寬度為6 m、12 m、18 m、24 m時的地表變形方案，具體方案見表1。

表1 聯(lián)合控制方案Table 1 Joint control scheme

2.2 充填開采地表變形研究方法

1) 概率積分法。根據(jù)采煤沉陷地表移動特征可知，礦井采煤引起的地表沉陷規(guī)律基本符合概率積分法地表沉陷預(yù)測模型，而充填開采地表沉陷預(yù)計則引入等價采高理論模型[20-21]。煤層采高可采用等價采高理論計算得出，因此，預(yù)設(shè)模型參數(shù)需對垮落法預(yù)計參數(shù)進行優(yōu)化，選取適用于充填開采的地表沉陷預(yù)計參數(shù)。根據(jù)礦井地表變形實測結(jié)果分析，開采造成的地表沉陷規(guī)律基本符合概率積分法預(yù)測模型，其預(yù)計精度完全可以滿足對礦井充填采區(qū)進行地表沉陷預(yù)計[22]。

根據(jù)現(xiàn)場對礦區(qū)沉陷地表移動參數(shù)調(diào)查并查閱資料，地表移動參數(shù)選取如下所述[23]。①對于9#煤層首采工作面CT6902，采用長壁逐巷膠結(jié)充填開采，參數(shù)選取為下沉系數(shù)q=0.7、水平移動系數(shù)b=0.3、主要影響角正切tanβ=2、拐點偏移距為0、開采影響傳播角為87.5°。②對于9#煤層全部膠結(jié)充填開采之后，考慮重復(fù)采動影響，參數(shù)選取為下沉系數(shù)q=0.87；水平移動系數(shù)b=0.3；主要影響角正切tanβ=2.16；拐點偏移距為0；開采影響傳播角為87.5°。

2) 三維數(shù)值模擬分析。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對首采充填區(qū)域充實率以及工作面保護煤柱進行數(shù)值模擬，根據(jù)工作面寬度建立模型的長×寬×高為560 m×476 m×250 m。工作面推進長度為480 m，每個工作面寬度190 m，模型邊界分別留寬40 m的邊界煤柱，模型建至地表，具體參數(shù)見表2，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表2 巖體的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical mechanics parameters of rock mass

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Model grid division diagram

3 充填開采地表變形規(guī)律分析

3.1 概率積分法地表沉陷預(yù)計

根據(jù)礦井首采區(qū)域煤層實際地質(zhì)條件，煤層采高厚度為3.6 m，將選取的地表沉陷預(yù)計參數(shù)代入基于等價采高的概率積分法地表沉陷預(yù)測模型，沉陷預(yù)計結(jié)果見表3。

表3 地表沉陷預(yù)計結(jié)果Table 3 Surface subsidence prediction results

由表3可知，充實率一定時，地表下沉量與保護煤柱寬度呈線性關(guān)系，地表下沉量隨煤柱寬度的增大而減小，當(dāng)充實率為85%，保護煤柱寬度從6 m增大至24 m，地表下沉幅度降低了14.29%；而煤柱寬度一定時，地表下沉與充實率呈線性相關(guān)，當(dāng)保護煤柱為12 m時，充實率從80%提高至95%，地表下沉幅度降低了74.04%。將實驗數(shù)據(jù)進行回歸，得到地表下沉量與煤柱寬度的關(guān)系為Y=-3.33X+440，R2=1；地表下沉量與充實率的關(guān)系為Y=-25.9X+2 595，R2=0.99。

根據(jù)地表建(構(gòu))筑物保護等級確定等級為Ⅰ級時設(shè)防指標為：水平變形值ε≤1.5 mm/m，傾斜變形i≤2.5 mm/m。由預(yù)計結(jié)果可知，方案一的四種保護煤柱寬度下，地表變形均不滿足設(shè)防指標要求；而方案二、方案三和方案四雖可滿足地表建(構(gòu))筑物保護等級要求，但方案三和方案四充實率分別需要達到90%和95%，在提高充實率要求下要增加充填材料中的水泥等添加劑含量，在很大程度上提高了充填材料的成本投資，因此，在最大限度減少煤柱浪費的前提下，方案二充實率85%，煤柱寬度12 m為較優(yōu)選擇。

將煤柱寬度12 m，充實率85%作為礦井實際開采條件，充填開采后地表下沉400 mm，傾斜變形2.4 mm/m，水平變形1.4 mm/m，具體變形極值見表4，地表變形均在設(shè)防標準范圍內(nèi)，可達到安全生產(chǎn)的目的。

表4 充填開采后地表變形極值Table 4 Surface deformation extremum after filling mining

3.2 地表變形數(shù)值模擬結(jié)果及規(guī)律分析

最大下沉值、最大水平移動、下沉率和水平移動系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果見表5。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分別對最大下沉值Wmax、最大水平移動Umax、下沉率q和水平移動系數(shù)r、煤柱留設(shè)寬度D和充實率η的關(guān)系進行擬合，具體如圖3所示。

表5 不同開采條件下模擬開采地表變形結(jié)果Table 5 Simulation results of surface deformation under different mining conditions

圖3 充實率、煤柱寬度擬合關(guān)系圖Fig.3 Enrichment rate,coal pillar width fitting diagram

由圖3可知，最大水平移動、最大下沉值、水平移動系數(shù)和下沉率均隨煤柱寬度的增大呈降低趨勢；最大水平移動、最大下沉值、水平移動系數(shù)和下沉率與煤柱寬度呈一次函數(shù)關(guān)系且斜率較小，這可能是采空區(qū)頂板受到超過其極限應(yīng)力而發(fā)生破斷彎曲，造成上覆巖層出現(xiàn)變形，上覆巖層變形傳至地表，引發(fā)地表下沉現(xiàn)象，但因煤柱及充填體聯(lián)合控制，地表下沉量較小。而由于上覆巖層自重，充填體在支承上覆巖層的同時，上覆巖層對充填體施加垂直向下的力，但采空區(qū)空間有限，且充填體具有一定的塑性特征，因此充填體在上覆巖層的壓力下向兩側(cè)擴散變形，對兩側(cè)煤柱進行擠壓，從而對兩側(cè)留設(shè)保護煤柱形成圍壓，在一定程度上加固保護煤柱。上覆巖層自重一定時，采空區(qū)充實率越高，充填體對兩側(cè)保護煤柱形成圍壓越大，隨著充實率的提高，地表變形也隨之減小。

根據(jù)充填開采數(shù)值模擬結(jié)果，繪制同一充實率時不同煤柱寬度地表下沉及地表水平移動曲線，如圖4所示。由圖4可知，保護煤柱寬度相同時，地表下沉值和水平移動值均隨充實率的增大呈降低趨勢；當(dāng)充實率分別為80%、85%、90%、95%，保護煤柱為12 m時，地表最大下沉值分別達到53.76 mm、42.08 mm、27.03 mm、13.93 mm，地表最大水平移動分別達到4.74 mm、3.54 mm、2.15 mm、1.02 mm；與充實率80%相比，下沉幅度分別降低了21.73%、49.72%、74.09%，水平移動幅度分別降低了25.32%、54.64%、78.48%，說明充實率的提高可以有效抑制地表沉陷。充實率相同時，地表下沉值隨著保護煤柱寬度的增大而逐漸減小，但以煤柱為中心的地表下沉并未呈現(xiàn)完全對稱分布，這是由于兩個充填工作面間保護煤柱寬度的影響；當(dāng)保護煤柱為18 m和24 m時，地表下沉值曲線中部位置呈現(xiàn)盆地“平底”現(xiàn)象，說明地表達到充分采動，且地表沉陷曲線呈隨煤柱寬度增大而出現(xiàn)盆地“平底”現(xiàn)象的趨勢。雖然保護煤柱寬度增大，能夠減小地表下沉，盡快達到地表充分采動，但是會浪費大量煤炭資源，也可能會影響工作面之間在煤柱位置呈現(xiàn)地面“凸起”的情況，對后期地表建(構(gòu))筑物可能產(chǎn)生影響。

圖4 不同充實率下地表變形規(guī)律Fig.4 Surface deformation law under different filling rate

保護煤柱內(nèi)部應(yīng)力隨煤柱寬度增大逐漸降低，當(dāng)充實率為85%時，不同寬度保護煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化如圖5所示。由圖5可知，在充填開采過程中，采動破壞了原巖應(yīng)力場的原始平衡狀態(tài)，致使保護煤柱內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力以充填體為中心，呈對稱變化，充填體內(nèi)部應(yīng)力最高，遞減趨勢向兩側(cè)擴展。 當(dāng)煤柱由6 m增大到24 m，充實率為85%時，煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值分別達到27.48 MPa、21.85 MPa、19.79 MPa、17.94 MPa，煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值相比6 m寬度時，降幅達到20.48%，降低明顯；當(dāng)煤柱由6 m增大到24 m，充實率為95%時，保護煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值分別為17.04 MPa、12.77 MPa、10.32 MPa、9.82 MPa，應(yīng)力峰值降低明顯，在同一充實率下，隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)部峰值應(yīng)力逐漸降低。

當(dāng)保護煤柱寬度固定時，隨著充實率的增大地表下沉值以及水平移動值逐漸減少，在充實率為85%，保護煤柱12 m時，相較于6 m，煤柱內(nèi)部峰值應(yīng)力降幅達到20.48%，地表水平移動值由4.72 mm降低到2.78 mm，降幅達到41.10%，由此可見，煤柱寬度為12 m時，能夠較6 m情況下很好地保護地表建(構(gòu))筑物；隨著保護煤柱增至18 m和24 m，地表下沉值與水平移動值均有降低，煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值同時大大減小，更有利于保護地表建(構(gòu))筑物，但是從資源回采方面考慮，增大保護煤柱寬度，極大降低了井下煤炭資源回采效率。

圖5 充實率為85%時保護煤柱垂直應(yīng)力變化Fig.5 Stress change inside protective coal pillar under filling rate of 85%

對比概率積分法預(yù)計結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沉陷預(yù)計結(jié)果均大于數(shù)值模擬結(jié)果，是因為數(shù)值模擬研究將賦存條件進行簡化，模型參數(shù)選取偏理想化，而實際賦存條件非常復(fù)雜，所以概率積分法與數(shù)值模擬結(jié)果有偏差，但采用概率積分法與數(shù)值模擬對地表變形規(guī)律是一致的，充填工作面地表建(構(gòu))筑物變形均控制在地表建(構(gòu))筑物保護等級Ⅰ級變形范圍之內(nèi)，未超出設(shè)防標準。

4 結(jié) 論

針對建筑物下壓覆資源開采過程中，地表變形控制要求高的問題，采用等價采高概率積分法和數(shù)值模擬的方法研究了保護煤柱寬度6 m、12 m、18 m、24 m時的不同充實率下地表沉陷規(guī)律，具體結(jié)論如下所述。

1) 基于等價采高的概率積分法模型，對西金石料廠、牧民房屋、110 kV變電站等地表建(構(gòu))筑物進行地表沉陷預(yù)計，結(jié)果表明：充填開采參數(shù)選取充實率85%，煤柱寬度12 m(ε≤1.4 mm/m，i≤2.4 mm/m)較為合理且滿足設(shè)防指標要求。

2) 當(dāng)煤柱寬度相同時，隨著充實率的提高，地表最大水平移動、最大下沉值、水平移動系數(shù)和下沉率均呈降低趨勢；當(dāng)充實率相同時，隨著保護煤柱寬度的增大，地表下沉值逐漸減小，但以煤柱為中心的地表下沉并未呈現(xiàn)完全“非對稱”分布，且呈隨煤柱寬度增大而逐漸顯現(xiàn)盆地“平底”現(xiàn)象的趨勢。

3) 留設(shè)保護煤柱6 m、12 m、18 m、24 m時充實率達到80%、85%、90%、95%的應(yīng)力變化規(guī)律：以充填體為中心的應(yīng)力變化呈對稱分布，其中，充填體內(nèi)部應(yīng)力最大，遞減趨勢向兩側(cè)擴展；當(dāng)充實率為85%，保護煤柱12 m時，充填體內(nèi)部最高應(yīng)力為21.85 MPa。