軒大洋 許家林 朱衛(wèi)兵

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇省徐州市，221008）

充填采煤減沉的適用性研究＊

軒大洋1，2許家林1，2朱衛(wèi)兵1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗室，江蘇省徐州市，221008）

采用數(shù)值模擬方法研究了充填采煤地表沉陷特征，分析了充填開采對不同煤層采高的適用性。結(jié)果表明：相同采高條件下，充填開采時地表達(dá)到充分采動所需要的開采寬度較不充填開采時增加；隨著采動充分程度逐漸增大，充填開采對地表沉陷的控制效果在采高較大時逐漸變差。充填開采在沉陷控制方面有一定的適用條件，為了保證地表處于I級破壞以內(nèi)，同時受到采高M(jìn)、采寬W的雙重約束，分別對應(yīng)于臨界采高M(jìn)C、臨界采寬WC。當(dāng)M＜MC時，理論上進(jìn)行無限大采寬的充填開采均能保證地表小于I級破壞；當(dāng)M≥MC時，應(yīng)控制最大開采寬度小于WC，大于該寬度時將會造成地表超過I級破壞。針對文中給定的地質(zhì)條件，得出臨界采高M(jìn)C為3m；當(dāng)M為4.5m和7.5m時，對應(yīng)的WC分別為400 m和300m。

充填采煤 地表沉陷 臨界采高 臨界采寬 綠色開采

充填開采在煤礦主要用于解決地表塌陷、“三下”壓煤開采等問題。其作為綠色開采技術(shù)框架的主要內(nèi)容之一，受到了越來越多的關(guān)注，在充填工藝、系統(tǒng)和方法等方面發(fā)展迅速，同時開展了相關(guān)工業(yè)試驗并取得了一定效果。但作為其核心科學(xué)問題之一的充填開采沉陷理論以及其對采高的適用性等方面則研究較少。文獻(xiàn)［6］、［11］在非充填開采沉陷基礎(chǔ)上，建立了固體充填采煤地表沉陷預(yù)計的等價采高方法并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［11］～［13］研究了充填開采地表沉陷的影響因素，認(rèn)為充填不接頂、頂板超前下沉以及充填壓縮等因素直接影響沉陷控制效果，但尚缺乏工作面開采條件的影響研究，如采高、采寬等。從已有的開采實(shí)踐來看，充填采煤工作面采高有2.1m、2.2m和3.9 m等，為評價不同煤層采高的充填減沉效果，有必要系統(tǒng)研究充填采煤對采高及采寬的適用性。

因目前開展的充填開采工程處于試驗階段，地表大多為非充分采動狀態(tài)，缺乏完整的實(shí)測沉陷數(shù)據(jù)，故本文通過數(shù)值模擬方法，研究了充填開采條件下不同采高、不同采寬時下沉系數(shù)和水平變形值的變化規(guī)律，以期從理論上掌握充填開采時的地表沉陷特征以及其對不同煤層采高的適用情況。

1 數(shù)值模擬方案

1.1 模型建立

采用UDEC軟件模擬研究充填開采時的地表沉陷特征。模擬煤層條件為埋深320m，松散層厚70m，煤層厚度4m。上覆巖層中存在兩層關(guān)鍵層：主關(guān)鍵層厚度20m，距煤層間距130m；亞關(guān)鍵層厚度15m，距煤層間距35m。

不考慮地層傾角的影響，采用水平模型。邊界條件采用位移固定邊界，其中左右邊界為水平單向約束，底部邊界為雙向約束。模型僅受重力作用，采用摩爾—庫侖材料模型。建立的數(shù)值模型如圖1所示。

模型長度1000m，高度350m。模型中充填體力學(xué)特性參數(shù)取值見參考文獻(xiàn)［9］的實(shí)測值和參考文獻(xiàn)［10］中模擬計算值。

圖1 數(shù)值模型圖

1.2 模擬方案

為了研究充填開采地表沉陷特征，對該模型分別進(jìn)行不充填開采、充填開采，待模型平衡后，對比地表的移動變形參數(shù)。

（1）不充填開采。模擬采高為1m、2m、3m和4m的4種方案。對每一個采高，分4次開挖，每次采出100m（沿工作面斜長方向），用于模擬采出寬度為100m、200m、300m和400m的4個開采狀態(tài)。開采過程中不進(jìn)行充填。

（2）充填開采。模擬采高為1m、2m、3m和4m的4種方案。對每一個采高，分4次開挖，每次采出100m（沿工作面斜長方向），用于模擬采出寬度為100m、200m、300m和400m的4個開采狀態(tài)。在開采過程中進(jìn)行充填。充填模擬方案為：將煤層最頂部0.1m直接采出，模擬充填不接頂量；剩余的開采厚度，先將塊體材料模型設(shè)置為空模型，模擬煤層開采，然后改變其本構(gòu)關(guān)系，并用充填體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)賦值，以模擬充填。該模擬研究不考慮頂板超前下沉的影響。

1.3 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬得出充填開采與不充填開采地表最大下沉值、下沉系數(shù)見表1；充填開采與不充填開采的地表最大水平變形值見表2。

表1 充填開采與不充填開采地表最大下沉結(jié)果

2 充填開采地表沉陷特征

2.1 充填開采下沉系數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)模擬結(jié)果得出：充填開采與不充填開采時，不同采高條件下下沉系數(shù)與采寬的關(guān)系、不同采寬條件下下沉系數(shù)與采高的關(guān)系分別如圖2和圖3所示。

表2 充填開采與不充填開采地表最大水平變形結(jié)果

圖2 不同采高條件下下沉系數(shù)與采寬的關(guān)系

（1）從圖2可以看出：在采高一定條件下，不論是否采用充填開采，下沉系數(shù)均隨采寬增加而增大。不充填開采條件下，不論采高大小，采寬達(dá)到400m時下沉系數(shù)基本穩(wěn)定，說明地表已達(dá)到充分采動狀態(tài)。充填開采條件下，在采高1m時，下沉系數(shù)隨采寬增加逐漸趨于定值，說明400m采寬時地表達(dá)到充分采動狀態(tài)。采高大于1m時，下沉系數(shù)隨采寬增加而不斷增大，在400m時地表仍不能達(dá)到充分采動狀態(tài)。說明在采高大于1m時，采用充填開采后地表達(dá)到充分采動所需的開采寬度較不充填開采時變大。

（2）從圖3可以看出：不充填開采時，采寬一定條件下，不論地表是否充分采動，下沉系數(shù)均隨采高增加而減小。充填開采時，采寬一定條件下，采寬小于200m，下沉系數(shù)隨采高增加而減?。徊蓪挒?00m，下沉系數(shù)基本不隨采高發(fā)生變化；采寬400m時，下沉系數(shù)隨采高增加而逐漸增大。說明在采動充分程度逐漸增大時，充填開采沉陷控制效果隨采高的增加逐漸變差。在非充分采動條件下，減沉效果與充分采動時相差較大，因此不能在非充分采動條件下對充填減沉效果作出最終評價。

圖3 不同采寬條件下下沉系數(shù)與采高的關(guān)系

2.2 充填開采水平變形變化規(guī)律

根據(jù)模擬結(jié)果得出：充填開采時，不同采高條件下水平變形與采寬的關(guān)系、不同采寬條件下水平變形與采高的關(guān)系分別如圖4和圖5所示。

（1）從圖4看出：在采高一定條件下，不論是否采用充填開采，水平變形均隨采寬增加而增大。不充填開采條件下，不論采高大小，采寬達(dá)到200m水平變形基本趨于定值。充填開采條件下，采高1m時，隨著采寬增加，水平變形趨于定值；采高大于1m時，水平變形趨于定值所需的采寬逐漸增大。

（2）從圖5看出，在采寬一定條件下，不論是否采用充填開采，水平變形均隨采高增加而增大。

不充填開采條件下，采寬為100m時，水平變形不隨采高變化而保持定值；采寬大于100m時，水平變形隨采高增加以同一斜率呈線性增大，且均大于《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》規(guī)定的I級破壞臨界指標(biāo)值。

充填開采條件下，采寬為100m時，水平變形不隨采高變化而保持定值；采寬大于100m時，水平變形隨采高增加而增大，且采寬越大，水平變形隨采高增加的幅度越大，但均小于I級破壞臨界指標(biāo)值。這同樣反映出，在采動充分程度逐漸增大時，充填開采對地表沉陷控制效果隨采高的增加逐漸變差。

3 充填開采對煤層采高的適用性

根據(jù)圖4和圖5，擬合得出不同采高條件下水平變形隨著采寬的變化曲線、不同采寬條件下水平變形隨著采高的變化曲線如圖6所示，除圖6（a）中采高1m的相關(guān)性系數(shù)R2為0.781外，其它曲線的R2均大于0.96。

圖6 水平變形與采高、采寬的擬合曲線

采高在3m以下時，充填開采均能使地表處于I級破壞以內(nèi)，其沉陷控制效果不受采寬影響；采高為4m、采寬達(dá)800m時，地表將超出I級破壞，該采寬即為減沉目的所要求的臨界采寬。結(jié)合圖6（b）的擬合結(jié)果知：采高為4.5m時的臨界采寬為400m；采高7.5m時的臨界采寬僅為300m。

上述分析說明充填開采在控制沉陷方面是有適用條件的，即試圖通過充填開采控制地表在I級破壞以內(nèi)時，對采高M(jìn)有一定要求，其對應(yīng)于一個臨界采高M(jìn)C。當(dāng)M＜MC時，理論上進(jìn)行無限大采寬開采均能達(dá)到控制效果；當(dāng)M≥MC時，需將最大開采寬度Wmax控制在臨界采寬WC以內(nèi)方可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，大于該寬度時將會造成地表超過I級破壞。據(jù)此得出充填開采適用性的約束條件如下：

對于本文給定的參數(shù)條件下，對應(yīng)的臨界采高M(jìn)C＝3m。M≤3m時，WC＝∞；M為4m、4.5m和7.5m時，對應(yīng)的WC分別為800m、400 m和300m。地質(zhì)條件不同時，WC會發(fā)生變化，需根據(jù)具體的采深、覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行確定。

4 結(jié)論

（1）隨著采動充分程度與采高逐漸增大，充填采煤沉陷控制效果逐漸變差，這在一定程度上反映出，在非充分采動條件下，不宜過早評價充填減沉效果。

（2）充填采煤控制沉陷是有適用條件的。由于充填采煤不可避免地存在一定程度的超前下沉量、不接頂量和充填體壓縮量，故充填采煤時地表沉陷仍難以避免。通過充填開采控制地表在I級破壞以內(nèi)時對采高M(jìn)有一定要求，其對應(yīng)于一個臨界采高M(jìn)C。當(dāng)M＜MC時，理論上進(jìn)行無限大采寬開采均能達(dá)到控制效果；當(dāng)M≥MC時，需將最大開采寬度控制在臨界采寬WC以內(nèi)方可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，大于該寬度時將會造成地表超過I級破壞。此時應(yīng)采用隔離充填開采，即在充填工作面留設(shè)一定寬度的隔離煤柱與充填體聯(lián)合控制地表沉陷。WC與采深、覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)條件有關(guān)，需根據(jù)具體條件進(jìn)行確定。

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［5］ 許家林，朱衛(wèi)兵，李興尚等.控制煤礦開采沉陷的部分充填開采技術(shù)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2006（1）

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［11］ 郭廣禮，繆協(xié)興，查劍鋒等.長壁工作面矸石充填開采沉陷控制效果的初步分析［J］.中國科技論文在線，2008（11）

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Research on applicability of coal mining with backfilling

Xuan Dayang1，2，Xu Jialin1，2，Zhu Weibing1，2
（1.School of Mines，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Surface subsidence characteristics after coal ming with backfilling were studied and the adaptability of backfilling to different mining heights was analyzed by the numerical simulation.The simulated results showed that the fully mining width required for backfilling was larger than that for non－backfilling at the same mining height（M）；the control effect of backfilling on the surface subsidence became weak as the mining height and the adequate mining degree increased.It was concluded that backfilling had certain applicable conditions that mining height and width were limited to the critical mining height（MC）and the critical mining width（WC）for the sake of protecting the surface from damage worse than level 1.Specifically，the mining width with backfilling could increase infinitely when M＜MC，while it should be less than WC when M≥MC with the purpose of restraining surface from damage worse than level 1.Under given geological conditions in this paper，the critical mining height equals to 3m，and critical mining widths correspond to 400mand 300mwhen M equals to 4.5mand 7.5m，respectively.

coal mining with backfilling，earth surface subsidence，critical mining height，critical mining width，green mining

TD823.7

A

國家自然科學(xué)基金項目（50974116）

軒大洋（1987－），男，河南鄢陵人，博士研究生，從事巖層移動與綠色開采方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）