煤矸石充填開采地表沉陷變形規(guī)律研究與分析

武少鵬

(潞安化工集團(tuán) 安全管理部,山西 長(zhǎng)治 046204)

隨著煤炭開采規(guī)模的不斷發(fā)展和擴(kuò)大,人們逐漸發(fā)現(xiàn)了采煤沉陷對(duì)人類生產(chǎn)生活造成的影響,并于19世紀(jì)末開始對(duì)采煤沉陷相關(guān)理論進(jìn)行研究[1]。國(guó)內(nèi)外研究?jī)?nèi)容主要集中在:通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與監(jiān)測(cè)建立多種地質(zhì)條件下的地表移動(dòng)變形曲線及地表下沉預(yù)計(jì)函數(shù),運(yùn)用多種力學(xué)原理解釋礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,分析采煤對(duì)覆巖及地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響,提出采空區(qū)的多時(shí)空角度治理措施等[2]。

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成熟并成功應(yīng)用到開采沉陷預(yù)計(jì)中,為研究更加復(fù)雜地層條件下的覆巖移動(dòng)規(guī)律提供了便捷手段。

某煤礦為有效解放村莊壓煤,采用了綜采工作面采空區(qū)矸石充填開采方式。要確保村莊民房微小破壞,甚至是不受破壞,控制地表變形就要在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。因此,研究地表變形量就成了矸石充填開采是否成功的關(guān)鍵。

1 工程概況

某煤礦所選充填區(qū)域布置3個(gè)短壁充填回采工作面,分別為3211、3212、3213工作面,開采的煤層主要為3號(hào)煤層,平均煤厚1.81 m,埋深約為556 m,傾角平均5°.充填區(qū)域傾斜長(zhǎng)205 m,每個(gè)工作面設(shè)計(jì)采長(zhǎng)65 m,走向長(zhǎng)340～390 m.

2 充填開采地面沉陷變形的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

連續(xù)曲形梁理論:固體充填開采工作面上覆巖層的自重應(yīng)力由充填體與四周圍巖共同承載,頂板及上覆巖層隨工作面推進(jìn)緩慢彎曲下沉,密實(shí)充填率達(dá)到一定條件時(shí)上覆巖層不再垮落,仍然保持著連續(xù)的特征,形成連續(xù)曲形梁,連續(xù)和彎曲的巖梁支撐著上覆巖層,控制著關(guān)鍵層的下沉,從根本上改變了傳統(tǒng)的上覆巖層移動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

連續(xù)曲形梁的特征表現(xiàn)為:①保持幾何形態(tài)連續(xù),即不發(fā)生斷裂和垮落,隨工作面推進(jìn)呈彎曲變形和均勻下沉的形態(tài),有利于減輕地表破壞(對(duì)地表破壞嚴(yán)重的是非均勻下沉);②保持力的連續(xù)傳遞,即將上覆巖層壓力持續(xù)地傳遞至工作面前方煤壁和后方壓實(shí)的充填體上,從而減輕了支架的承載壓力。

物理試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明:密實(shí)充填率為60%時(shí),上覆巖層產(chǎn)生斷裂和離層,下沉量較大;密實(shí)充填率為70%時(shí),上覆巖層產(chǎn)生非貫通性裂隙,且不再發(fā)生明顯離層;密實(shí)充填率為80%時(shí),上覆巖層僅產(chǎn)生微小裂隙,呈整體彎曲、均勻下沉形態(tài),且下沉量較小。

2.2 物理模型設(shè)計(jì)及參數(shù)校正

根據(jù)某煤礦充填開采區(qū)域附近的地質(zhì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行有限元數(shù)值建模,物理模型尺寸為1 500 m×1 500 m×600 m(長(zhǎng)×寬×高)(圖1),煤層平均埋深為550 m,本次模擬采高為2.5 m,工作面采長(zhǎng)為65 m,走向推進(jìn)400 m,矸石充填體彈性地基系數(shù)一般為5～25 MN/m3,洗選矸石一般為5～10 MN/m3,破碎后的掘進(jìn)矸石一般為10～25 MN/m3,掘進(jìn)矸石粒徑小、末狀多,力學(xué)性能優(yōu)于普通掘進(jìn)矸石,彈性地基系數(shù)取15 MN/m3(圖1)。邊界條件為上邊界自由、下邊界固定、四周輥支承,為提高計(jì)算精度,劃分1 159 835個(gè)超細(xì)網(wǎng)格,采用奧普雷斯I9-9900K主機(jī)RTX2080服務(wù)器計(jì)算。

圖1 地表沉陷數(shù)值模型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的地表變形預(yù)計(jì)常采用概率積分法[3],該方法的理論基礎(chǔ)是非連續(xù)顆粒介質(zhì)理論,假設(shè)條件是上覆巖層垮落、斷裂形成非連續(xù)塊狀結(jié)構(gòu),適用于垮落法開采。對(duì)于充填開采地表變形預(yù)計(jì),連續(xù)的有限元數(shù)值計(jì)算方法更為適用,但該方法的均質(zhì)性假設(shè)會(huì)給預(yù)計(jì)結(jié)果造成一定誤差,將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與相鄰開采、地質(zhì)條件下的地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較,形成校正系數(shù),以此對(duì)充填開采區(qū)域的地表變形計(jì)算值進(jìn)行校正,形成更為精確的結(jié)果[4]。

對(duì)鄰近3207工作面數(shù)值模擬預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正,形成校正系數(shù),進(jìn)而對(duì)3211、3212、3213工作面充填開采地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)3207工作面開切眼處地表最大下沉點(diǎn)B6測(cè)點(diǎn)進(jìn)行校正,B6測(cè)點(diǎn)下沉量為-285 mm,垮落法開采后校正線處地表沉陷數(shù)值計(jì)算結(jié)果為-243 mm(圖2),校正系數(shù)為1.17.

圖2 3207工作面垮落法開采地表沉陷計(jì)算-校正曲線

2.3 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果分析

模擬充填開采時(shí),首先開采3211工作面,為提高模擬精度,采用參數(shù)化掃描,邊采煤,邊充填,掃描步距0.8 m,直到完成整個(gè)工作面充填作業(yè),再順次充填開采3212、3213工作面,利用校正系數(shù)將數(shù)值計(jì)算結(jié)果校正后得到地表沉陷變形規(guī)律(圖3～圖7)。

圖3 充填開采后地表沉陷量曲線

圖4 充填開采后地表水平移動(dòng)量曲線

圖5 充填開采后地表水平變形量曲線

圖6 充填開采后地表傾斜變形量曲線

圖7 充填開采后地表曲率變形量曲線

3213工作面充填開采后,地表沉陷值達(dá)到最大,隨煤層傾向,地表最大沉陷量為0.205 m,地表最大水平移動(dòng)量為0.062 m,地表最大水平變形量為0.41 mm/m,地表最大傾斜變形量為0.40 mm/m,曲率最大變形量為0.002 6 mm/m2.

2.4 地表沉陷變形實(shí)測(cè)驗(yàn)證

在工作面推進(jìn)方向和傾斜方向各布置5條主要測(cè)線,形成115個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn),定期采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。充填開采之前,對(duì)觀測(cè)線進(jìn)行一次全面觀測(cè)作為初始數(shù)據(jù);工作面充填期間,沉降觀測(cè)的間隔為1周觀測(cè)1次,充填結(jié)束后觀測(cè)頻率密度降低,具體測(cè)量時(shí)間根據(jù)地表沉陷變形速率確定;地表變形穩(wěn)定后進(jìn)行最后一次全面觀測(cè)作為最終數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)地表沉陷實(shí)地監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)地表最大水平變形絕對(duì)值為0.61 mm/m,最大傾斜變形絕對(duì)值為0.49 mm/m,最大曲率變形絕對(duì)值為0.013 6 mm/m2(表1),雖然各項(xiàng)實(shí)測(cè)數(shù)值比數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的值大,但完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)變形指標(biāo)。

表1 充填開采后地表沉陷數(shù)值模擬與實(shí)地監(jiān)測(cè)對(duì)比

3 煤矸石充填開采對(duì)地面沉陷影響評(píng)價(jià)

某煤礦在3211、3212、3213工作面實(shí)施煤矸石充填開采的目的在于解放村莊壓覆的煤炭資源,同時(shí)減緩村莊的沉降。村莊內(nèi)建筑物主要為單層磚混、磚瓦或磚木結(jié)構(gòu)民房。根據(jù)礦區(qū)建(構(gòu))筑物的重要性、用途及受開采影響引起的不良后果,礦區(qū)范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物保護(hù)等級(jí)分為五級(jí)(2017年“三下”規(guī)范),見表2.依據(jù)村莊地表建筑情況,本次設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定在III級(jí)村莊磚瓦民房范圍內(nèi)。

表2 礦區(qū)建筑物保護(hù)等級(jí)劃分

一般情況下,地下開采將導(dǎo)致地表發(fā)生下沉、水平移動(dòng)、傾斜、曲率變化等,地表的移動(dòng)與變形通過(guò)基礎(chǔ)傳遞給建筑物,從而在建筑物內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力。此時(shí),一方面建筑物隨地基變化產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)與變形;另一方面,當(dāng)建筑物內(nèi)附加的應(yīng)力超過(guò)其結(jié)構(gòu)承受能力時(shí),將導(dǎo)致建筑物的破壞。根據(jù)我國(guó)原國(guó)家煤炭工業(yè)局[2000]第81號(hào)文頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》第27條磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)的規(guī)定,可根據(jù)建筑物破壞程度和地表變形值將建筑物破壞劃分成四個(gè)等級(jí)(Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)),其中Ⅰ級(jí)對(duì)應(yīng)的建筑物損壞程度為自燃間磚墻上出現(xiàn)寬度1～2 mm的裂縫,自燃間磚墻上出現(xiàn)寬度小于4 mm的裂縫,多條裂縫總寬度小于10 mm,水平變形不大于2.0 mm/m,曲率不大于0.2 mm/m2,傾斜不大于3.0 mm/m.

依據(jù)井下開采引起的地表建筑物變形標(biāo)準(zhǔn),對(duì)煤矸石充填開采后地表沉陷指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè),將主要沉陷指標(biāo)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)變形指標(biāo)對(duì)比,最大水平變形絕對(duì)值為0.41 mm/m(Ⅰ級(jí)允許值≤2.0 mm/m),最大傾斜變形絕對(duì)值為0.40 mm/m(Ⅰ級(jí)允許值≤3.0 mm/m),最大曲率變形絕對(duì)值為0.002 6 mm/m2(Ⅰ級(jí)允許值≤0.2 mm/m2),開采后遠(yuǎn)小于Ⅰ級(jí)允許值,由此可見,煤矸石充填開采對(duì)地表減沉有明顯的控制作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 某煤礦在3211、3212、3213工作面實(shí)施煤矸石充填后,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,充填后最大水平變形絕對(duì)值為0.41 mm/m,最大傾斜變形絕對(duì)值為0.40 mm/m,最大曲率變形絕對(duì)值為0.002 6 mm/m2,經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差不大,說(shuō)明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

2) 通過(guò)實(shí)施煤矸石充填,地表沉陷指標(biāo)(水平變形、傾斜變形、曲率變形等)均遠(yuǎn)小于建筑物損壞等級(jí)I級(jí)變形指標(biāo),證明煤矸石充填在控制地表沉陷過(guò)程中及保護(hù)建筑物方面作用明顯。