牛建科

(西山煤電股份公司 西曲礦，山西 古交 030200)

我國的煤炭資源賦存豐富，但一些礦區(qū)因過度開采面臨資源枯竭的威脅，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國家所需能源的增加，地表建筑物下壓煤必將被加以開采利用，而開采建筑物下煤體會(huì)引起地表下沉等一系列破壞，嚴(yán)重威脅地表人和建筑物的安全，如果進(jìn)行大規(guī)模的地表搬遷，又會(huì)造成財(cái)產(chǎn)的損失和資源的浪費(fèi)。因此，如何在不影響地表建筑安全的前提下，開采利用建筑物下壓煤是一個(gè)值得研究的方向［1-4］。為了減少開采造成的地表下沉，控制地表變形，主要采用以下方法:留設(shè)保安煤柱、離層注漿、充填開采等［5-7］，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，如留煤柱法會(huì)導(dǎo)致煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi);離層注漿不適用于保護(hù)等級(jí)高度密集型建筑群。最理想的是充填開采，煤礦膏體填充開采技術(shù)是一種最新提出的綠色開采技術(shù)［8］，在控制地表下沉、變形，以及采后環(huán)境保護(hù)恢復(fù)方面均能達(dá)到相對理想的狀態(tài)。因此，研究膏體充填開采方法具有重要意義。

本文對覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及充填體的受壓變形進(jìn)行了定量研究，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，對膏體填充開采的填充率與地表下沉、水平移動(dòng)以及傾斜滑移均進(jìn)行了模擬研究，對地表變形過程的控制和地上建筑、環(huán)境的保護(hù)恢復(fù)具有重要意義。

1 工程概況

大柳塔煤礦主采煤層為5#煤層，為近水平煤層，賦存厚度10 m ，埋深230 m 左右，以5105 充填走向長壁工作面作為實(shí)際工程背景。該工作面長170 m，走向長度1 150 m，煤層埋深170 ～240 m，表土層厚180 ～190 m。煤層厚度10 m，采用全部填充法分層充填開采，采厚3.0 m，工作面上方直接頂屬中等穩(wěn)定型頂板。由于巖層上方存在含水層，若運(yùn)用傳統(tǒng)方法開采，預(yù)計(jì)煤炭采出率非常低，不超過20%，因此，為了提高采出率，進(jìn)行膏體填充開采十分必要。

2 填充率與地表變形關(guān)系的數(shù)值模擬研究

2.1 模型的建立

建立數(shù)值模擬模型時(shí)，要以礦井充填區(qū)的實(shí)際地質(zhì)條件為依據(jù)。邊界條件要選取恰當(dāng)，將地表作為模型的上邊界，選取煤層底板下方60 m 的距離為下邊界，總高度為400 m。因?yàn)椴煽諈^(qū)的長和寬都應(yīng)該是采深的1.2 ～1.4 倍，因此，選取模型的寬度為300 m，同時(shí)左側(cè)、右側(cè)各選取400 m，目的在于消除邊界的影響。所以，建立模型的尺寸為1 100 m×400 m。

邊界條件:1)初始水平變形位移為零，左右兩側(cè)各附加水平約束。2)初始垂直位移也為零。3)模型頂部除地表外為自由邊界。

2.2 充填率與地表變形關(guān)系分析的數(shù)值模擬

對地表沉陷造成影響的主要因素包括:充填壓縮率，頂板下沉量和充填欠接頂量。綜合所有影響因素，可將指標(biāo)統(tǒng)一為充填率，便于研究。充填率即為所填充材料的體積與采空區(qū)的體積的比值。

以下將分別對礦井膏體充填開采時(shí)，充填率與地表下沉、傾斜變形、水平變形和其工作面支承壓力之間的變化關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1)充填量與地表下沉的關(guān)系。

充填率與地表下沉模擬變化曲線見圖1。

圖1 充填率與地表下沉量關(guān)系曲線圖

由圖1 可以看出，隨著充填率的降低，地表下沉率逐漸增加，二者呈線性負(fù)相關(guān);地表下沉極限值為380 mm，下沉系數(shù)為0.14，此時(shí)的填充高度2.4 m，充填率達(dá)到87%左右。當(dāng)充填率升至96%時(shí)，地表下沉極限值變?yōu)?52 mm，此時(shí)，下沉系數(shù)僅為0.09。

2)充填量與水平變形的影響。

充填率與地表水平變形關(guān)系曲線見圖2。

圖2 充填率與地表水平變形關(guān)系曲線圖

由圖2 可知，水平變形與地表下沉變形趨勢大致相同，但變化幅度相對較緩和，充填率為96%左右時(shí)，地表水平變形極限為0.9 mm;充填率達(dá)86%左右時(shí)，地表水平變形極限為1.7 mm;充填率為80%時(shí)，地表水平變形極限為2.6 mm。由建筑物損壞等級(jí)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)膏體充填率達(dá)80%以上時(shí)，地表水平已達(dá)到建筑物I 級(jí)損壞所允許變形的最大值。

3)充填量與傾斜變形的關(guān)系。

充填率與地表傾斜變形關(guān)系曲線見圖3.

圖3 充填率與地表傾斜變形關(guān)系曲線圖

由圖3 可知，傾斜變形規(guī)律不同于上述兩種變形規(guī)律，傾斜變形存在于兩個(gè)不同的方向上。單一方向上傾斜變形隨充填率的變化梯度較下沉和水平變形而言偏小。當(dāng)膏體充填率達(dá)96%左右時(shí)，地表傾斜變形極限為1.6 mm;當(dāng)充填率為87%左右時(shí)，地表傾斜極限變形為2.8 mm，已達(dá)到I 級(jí)損壞所允許的變形極限。

不同充填率各自對應(yīng)的地表變形模擬結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同充填率數(shù)值模擬結(jié)果表

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，礦井采用膏體充填開采時(shí)，若充填率超過86.5%，損壞可控制在I 級(jí)損壞范圍之內(nèi)。實(shí)際開采過程中，對充填率的控制具有一定難度，但確保充填率達(dá)到90%以上具有實(shí)際意義。因此，需要采取綜合技術(shù)措施，如將分層開采向大采高一次性開采轉(zhuǎn)變，可以很好地控制充填率，而且管理方便。

4)充填率與支承壓力的關(guān)系。

支撐壓力隨充填率變化的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 充填率變化時(shí)支承壓力變化曲線圖

由圖4 可知，工作面前方煤體與工作面后方煤體承壓變化規(guī)律不同。前方煤體承壓峰值隨著充填率的降低而增大，而后方采空區(qū)承壓值隨充填率的增加而增大［9］。當(dāng)充填率接近理想狀態(tài)100%時(shí)，應(yīng)力承壓值為11.6 MPa 左右。相對于垮落法開采，充填法開采時(shí)工作面后方原巖應(yīng)力恢復(fù)較快，且礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象不明顯［10］，這主要是由于充填體本身具有承載壓力的能力，能夠轉(zhuǎn)移圍巖應(yīng)力。

3 結(jié) 語

1)對充填開采充填率與地表變形以及支撐壓力之間的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究表明，充填開采法的礦壓應(yīng)力峰值較低，相對垮落法而言，集中系數(shù)也明顯降低，同時(shí)充填開采能夠使承壓范圍縮小，并具有減緩礦壓顯現(xiàn)的作用。

2)膏體充填開采過程中，頂板巖層穩(wěn)定，破壞程度小，不出現(xiàn)垮落帶，僅存在彎曲下沉帶和裂隙帶，并且裂隙帶的高度較垮落開采法，大幅降低。

3)通過數(shù)值模擬分析可知，5105 工作面采用膏體充填開采控制地表變形沉陷時(shí)，須保證充填率超過93%，此時(shí)極限下沉量為200 mm。不同充填率條件下的模擬研究表明，充填率的提高對控制地表變形具有顯著效果，分層開采向大采高一次采全高轉(zhuǎn)變可作為一種控制充填率的有效技術(shù)措施。

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