劉樹新，蘇彥斌，韓興華(.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 0400；.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西 太原 03004)

不同采煤方法下開采沉陷的數(shù)值模擬研究

劉樹新1，蘇彥斌1，韓興華2
(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西 太原 030024)

為了對(duì)比充填開采及條帶開采對(duì)地表及覆巖破壞控制的效果，本文基于實(shí)驗(yàn)室制備的充填材料和理論計(jì)算得到的條帶開采方案，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)條帶開采、充填開采過程中地表移動(dòng)變形及覆巖應(yīng)力場(chǎng)變化情況進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果表明：充填開采中覆巖釋放了少許彈性應(yīng)變能，其應(yīng)力略小于原巖應(yīng)力，覆巖應(yīng)力場(chǎng)呈線性規(guī)律變化。條帶開采中覆巖應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，煤柱兩端應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，圍巖穩(wěn)定性弱于充填開采。兩種開采方法下地表沉陷均遠(yuǎn)小于垮落開采，條帶開采中地表各變形值均小于建筑物I級(jí)破壞允許值，充填法中地表曲率僅比該允許值大0.02mm/m2，仍能保證地面建筑物的安全性。故采用充填開采對(duì)地表及覆巖變形的控制效果更佳。

開采沉陷；控制效果；條帶開采；充填開采；數(shù)值模擬

大規(guī)模的地下采礦會(huì)造成一系列的開采沉陷問題。開采沉陷會(huì)造成礦區(qū)土地塌陷、地面積水、農(nóng)田損壞、道路塌陷、地表建筑物變形破壞等。目前我國(guó)不少煤礦采煤花費(fèi)在遷村、修路方面的費(fèi)用已經(jīng)到了無法承受的地步。地下開采所引起的覆巖運(yùn)動(dòng)與地表沉陷是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)變化過程[1-2]。從煤層開采、頂板垮落、覆巖破壞至地表變形，是一個(gè)原巖應(yīng)力場(chǎng)破壞、新應(yīng)力場(chǎng)重新分布、平衡的過程。當(dāng)采場(chǎng)開挖后，采空區(qū)直接頂在自重應(yīng)力場(chǎng)作用下，產(chǎn)生下沉、彎曲直至垮落。老頂則以懸臂梁彎曲的形式沿層理面法線方向運(yùn)動(dòng)，最終斷裂、離層。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，覆巖變形將波及地表，在地表形成一個(gè)比采空區(qū)大得多的下沉盆地。因此由開采引起的巖層及地表移動(dòng)變形是造成礦區(qū)塌陷的根源，有效控制地表塌陷程度是解決此問題的根本之路。

目前控制和減小地表沉陷的主要途徑有充填開采、條帶開采等[3-6]。充填開采是采用充填材料來充填開采形成的采空區(qū)，其地表沉陷控制效果取決于充填體自身的強(qiáng)度、充填的接頂程度以及采空區(qū)的密實(shí)程度。國(guó)內(nèi)主要的充填方法有水砂充填、矸石充填、膏體充填及高水充填[7-9]。條帶開采是目前國(guó)內(nèi)“三下”開采地表沉陷控制的主要途徑，應(yīng)用最為廣泛[10]。條帶開采的原理是把要開采的煤層劃分成走向條帶或傾斜條帶，采一條，留一條，并利用保留的條帶煤柱支撐上覆巖層，從而減少覆巖沉陷控制地表的移動(dòng)和變形，達(dá)到地面保護(hù)目[11]。

本文采用實(shí)驗(yàn)室制備的充填材料通過數(shù)值模擬的方法對(duì)垮落開采、充填開采以及條帶開采引起的覆巖移動(dòng)、圍巖應(yīng)力變化及地表移動(dòng)變形等方面進(jìn)行了初步探討。

1 工程背景及數(shù)值模型

文章以山西某煤礦為工程背景，該礦平均采厚4m，為近水平煤層且埋藏較淺，平均埋深為311m，地質(zhì)參數(shù)如表1所示。模型走向長(zhǎng)度為620m，傾向長(zhǎng)度為550m，模擬工作面為150m，推進(jìn)長(zhǎng)度為300m。模型兩側(cè)限制水平移動(dòng)，下部邊界為固支約束，上表面為自由面。采區(qū)上部地表被2個(gè)村莊覆蓋，由于地表建筑抗變形能力較差，而傳統(tǒng)的開采方法必然會(huì)造成嚴(yán)重的地表沉陷，最終使得建筑物破壞。為了實(shí)現(xiàn)不遷村開采并把開采沉陷控制在合理的范圍內(nèi)，文中對(duì)比了條帶法和充填法對(duì)地表沉陷的控制作用，并得出了合理的方案。

表1 覆巖物理力學(xué)參數(shù)

2 開采方案及數(shù)值分析

2.1 開采方案

1)垮落開采。為了對(duì)比以下兩種方法控制開采沉陷的效果，文章模擬了垮落法開采下地表及覆巖的移動(dòng)變形。

2)充填開采。膏體充填材料由實(shí)驗(yàn)室按粉煤灰、水泥和煤矸石比例為4∶1∶3，并加入不同含量的膨潤(rùn)土配置而成。這樣，膏體材料不但不下沉并且膨脹率大于1，從而解決了充填體不能完全接頂?shù)膯栴}。模擬過程采用全采全充的方式，并對(duì)充填體強(qiáng)度循環(huán)賦值來實(shí)現(xiàn)井下充填過程中膏體由流態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)過程中強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)的實(shí)際情況。

3)條帶開采。采出寬度根據(jù)采深、采高以及關(guān)鍵層極限跨距確定，留設(shè)煤柱寬度根據(jù)煤柱能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的安全因素及采出率來確定。經(jīng)過理論計(jì)算最終確定采、留寬度均為55m，采出率達(dá)到50%。

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

FLAC3D能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為。但其在圖形結(jié)果后處理上存在著不足，其結(jié)果云圖中位移和應(yīng)力分布等值線沒有定量的顯示出具體結(jié)果，不利于進(jìn)一步分析。Tecplot是Amtec公司推出的一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和可視化處理軟件，是數(shù)值模擬后對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的理想工具。文中用Tecplot對(duì)FLAC3D模擬結(jié)果進(jìn)行量化處理，得到不同開采方法下走向主斷面的下沉等值線和應(yīng)力分布等值線。

2.2.1 變形分析

圖1為由地表水平移動(dòng)值計(jì)算得到的水平變形曲線，最大壓縮變形發(fā)生在采空區(qū)中心處以上地表，最大拉伸變形發(fā)生在邊界點(diǎn)與拐點(diǎn)之間。由于沙土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，所以地表破壞一般都是拉伸破壞，故應(yīng)加強(qiáng)處于拉伸區(qū)地表建筑物的保護(hù)。

圖1 地表水平變形曲線

圖2、圖3為走向主斷面，其中橫軸表示工作面推進(jìn)方向，縱軸表示地層標(biāo)高。圖2為不同開采條件下走向主斷面變形等值線。移動(dòng)盆地的邊界角是主斷面下沉為0.01m的點(diǎn)和采空區(qū)的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角。顯然，圖2中邊界角由大到小依次為b、c、a，故下沉盆地范圍為垮落法大于條帶法大于充填法。圖2(a)垮落法開采中，隨著工作面的推進(jìn)，直接頂?shù)南鲁亮窟_(dá)到0.3m，并與基本頂相繼垮落，關(guān)鍵層產(chǎn)生較大的彎曲變形，當(dāng)達(dá)到其極限跨距時(shí)發(fā)生破斷，因此標(biāo)高為-230m以上區(qū)域發(fā)生離層。這種變形波及到地表，并形成走向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于500m的移動(dòng)盆地。圖2(b)充填開采中，由于充填體早期強(qiáng)度較低，部分直接頂發(fā)生垮落。隨著充填體后期強(qiáng)度的增強(qiáng)及垮落巖石的碎脹壓實(shí)，基本頂并不垮落，而只發(fā)生彎曲。而這種彎曲通過關(guān)鍵層傳遞到地表，造成地表下沉。圖2(c)條帶開采中，條帶采空區(qū)頂板發(fā)生垮落，下沉量達(dá)到0.13m，其上方覆巖下沉量大于條帶煤柱上方覆巖。但在標(biāo)高為-220m以上區(qū)域，條帶采空區(qū)和煤柱上方下沉量趨于一致，并一致傳遞到地表。表明條帶法開采時(shí)地表變形是由標(biāo)高-220m以下區(qū)域的下沉累積而成。表2列出了不同開采條件下地表變形各指標(biāo)的最大值。

表2 不同開采方法下地表變形指標(biāo)

2.2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

圖3為走向主斷面垂直應(yīng)力等值線，比較圖3a、b、c可知，標(biāo)高-75m之上，三種開采方法均處于原巖應(yīng)力區(qū)，并無出現(xiàn)二次應(yīng)力擾動(dòng)。圖3(a)中，采空區(qū)以上覆巖由于垮落破壞造成巖石中部分彈性變形能釋放，從而出現(xiàn)應(yīng)力降低甚至應(yīng)力為零區(qū)。而大部分應(yīng)力則轉(zhuǎn)移到煤柱兩側(cè)，使得兩側(cè)煤柱出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到14MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2。故采空區(qū)兩端煤柱破壞最嚴(yán)重。圖3(b)充填法中，由于充填體強(qiáng)度的滯后性，使得上覆巖層少許破壞，故而垂直應(yīng)力分布略小于原巖應(yīng)力，且采空區(qū)兩端煤柱略有應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為9.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.35。但由于后期充填體發(fā)揮支撐作用，故充填開采下覆巖的垂直應(yīng)力呈線性分布。圖3(c)中，標(biāo)高-150m之上，垂直應(yīng)力為原巖應(yīng)力場(chǎng)。而條帶采空區(qū)之上區(qū)域由于巖層破壞，應(yīng)力減小，并轉(zhuǎn)移到留設(shè)煤柱上，故煤柱上方應(yīng)力大于原巖應(yīng)力。煤柱兩端最大應(yīng)力11MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.56。對(duì)比得出，充填法上覆巖層應(yīng)力場(chǎng)最接近原巖應(yīng)力場(chǎng)，故而圍巖最穩(wěn)定。

2.2.3 破壞過程分析

2.2.3.1 穩(wěn)態(tài)分析

圖2 走向主斷面下沉等值線
(圖中曲線表示走向主斷面覆巖下沉值，單位m)

圖3 走向主斷面垂直應(yīng)力分布等值線
(注：圖中曲線表示走向主斷面覆巖垂直應(yīng)力分布，單位Pa)

圖4為開采穩(wěn)定后各開采方法塑性區(qū)分布。圖4(a)為垮落法開采塑性區(qū)分布，傳統(tǒng)開采覆巖破壞嚴(yán)重，破壞高度為126m處泥巖，大面積垮落為中砂巖，高度為33m。砂礫巖以上亞關(guān)鍵層以下并不出現(xiàn)大面積垮落，只在煤柱兩端上覆巖層出現(xiàn)拉伸破壞。亞關(guān)鍵層之上細(xì)砂巖破壞區(qū)域也較大，隨著主關(guān)鍵層下方巖層的破斷垮落，巖層間的鉸接力消失，導(dǎo)致了主關(guān)鍵層的斷裂。采用充填法開采時(shí)(圖4(b))，頂板4m處發(fā)生拉伸破壞，兩端邊緣發(fā)生少許剪切破壞，部分底板出現(xiàn)拉伸破壞，正是充填體的支護(hù)作用減弱了頂板的破壞。采用條帶法開采時(shí)(圖4(c))，條帶采空區(qū)上方破壞高度達(dá)到20m，且中部垮落最為嚴(yán)重為拉伸破壞。煤柱兩端為應(yīng)力增高區(qū)，為壓剪破壞，煤柱中部并無發(fā)生破壞。說明煤柱兩端的塑性區(qū)承載了大部分載荷，而核區(qū)處載荷較小，保證了煤柱的穩(wěn)定性。

2.2.3.2 動(dòng)態(tài)分析

圖5為地表走向主斷面測(cè)線中點(diǎn)在開采過程中的下沉速率。充填法中由于覆巖變形空間減小，關(guān)鍵層變形量較小，地表下沉速率明顯小于垮落法開采。但仍然出現(xiàn)一個(gè)高峰值，其原因一方面是因?yàn)槌涮铙w早期強(qiáng)度較小并未起到支撐作用，另一方面是因?yàn)槌涮钋绊敯逡延邢鲁粒@樣就導(dǎo)致了前期地表下沉出現(xiàn)最大值。后期下沉速率逐漸減小，說明后期充填體的支撐作用阻礙了地表下沉，并且圖5中下沉曲線未出現(xiàn)周期性變化，說明關(guān)鍵層并未發(fā)生周期性折斷，依然可以作為覆巖自重的承載主體。條帶法中下沉速率略大于充填開采，且下沉曲線出現(xiàn)周期性的增大減小。這是因?yàn)闂l帶開采中隨著條帶不斷地采出，上覆巖層不斷地處于“動(dòng)態(tài)平衡”中，但由于垮落矸石及煤柱的的支撐作用，下沉速率仍然呈減小趨勢(shì)。圖5(c)中主關(guān)鍵層破斷前，隨著采空區(qū)面積的增大，裂隙帶運(yùn)動(dòng)范圍急速擴(kuò)大，使得地表下沉速率處于增速段。當(dāng)主關(guān)鍵層初次斷裂時(shí)，地表測(cè)點(diǎn)的下沉速度達(dá)到高峰值，此后隨著頂板的垮落、壓實(shí)以及未垮落關(guān)鍵層的支撐作用，地表下沉速度逐漸減小，并隨主關(guān)鍵層的周期破斷呈跳躍性變化。每一次主關(guān)鍵層破斷，都會(huì)引起地表的急劇下沉，但下沉速率的高峰值逐漸減小，地表下沉整體呈現(xiàn)減速段，而且從圖中得知關(guān)鍵層的周期垮落歩距小于初次垮落歩距，并且呈遞減規(guī)律。

圖4 塑性區(qū)分布

圖5 地表點(diǎn)下沉速率

3 結(jié) 語

1)充填材料的力學(xué)測(cè)試及數(shù)值模擬表明充填體后期強(qiáng)度大，且有一定膨脹性，能有效支撐頂板，控制地表下沉。充填開采中覆巖變形、破壞較小，圍巖應(yīng)力場(chǎng)接近于原巖應(yīng)力，穩(wěn)定性強(qiáng)于條帶開采。

2)數(shù)值分析表明條帶開采對(duì)地表下沉的控制效果略好于充填開采。條帶開采過程中表征地表的各項(xiàng)指標(biāo)均小于建筑物I級(jí)破壞范圍；充填開采中，只有最大曲率值0.22m-1·10-3略大于允許值，但仍能保持建筑物的安全。

3)綜合分析可得出在同等采礦條件下，兩種開采方法相較于傳統(tǒng)的垮落法開采，都能很好的限制地表及圍巖變形。但充填開采對(duì)覆巖穩(wěn)定性及地表沉陷的控制程度要優(yōu)于條帶開采。

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The numerical simulation of the mining subsidence in different mining methods

LIU Shu-xin1，SU Yan-bin1，HAN Xing-hua2

(1.Mining Academy，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China；2.Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

The surface deformation and the variation of overburden stress field in different mining methods are analyzed by FLAC3Din order to contrast the control effect of surface and overlying strata deformation between filling mining and strip mining，which are based on the filling material prepared in the lab and the theoretical strip mining scheme.The results show that a little of overburden elastic strain energy is released in the filling mining，which stress is smaller than the in-situ rock stress and the stress field varies with an almost linear fashion.There exist high-stress area in the overlying strata and stress concentration in the coal pillar of strip mining，so the stability of surrounding rock is less than the filling mining.The surface subsidence in the two mining methods is far less than the caving mining and the values of surface deformation are less than the allowable values of the buildings grade I in strip mining.Though the value of surface curvature is 0.02mm/m2bigger than the allowable value in filling mining，it can insure the safety of ground buildings.So the control effects of surface and overburden deformation are the best in the filling mining.

mining subsidence；control effect；strip mining；filling mining；numerical simulation

2015-02-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“開采擾動(dòng)下峰后煤巖體結(jié)構(gòu)特征及其強(qiáng)度衰減規(guī)律研究”資助(編號(hào)：51264028)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：NJZY11147)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作培育基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：PY-201212)

劉樹新(1971-)，男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，教授，主要從事巖石力學(xué)與工程、礦山地壓控制和礦井開采及災(zāi)害防治的研究及應(yīng)用。

蘇彥斌(1989-)，男，山西呂梁人，碩士，攻讀內(nèi)蒙古科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，研究方向?yàn)榈V山壓力及巖層控制。

TD327

A

1004-4051(2015)12-0089-05