宋英明 劉東升 張軍飛 邱華富

（1.榆林泰發(fā)祥礦業(yè)公司麻黃梁煤礦；2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院；3.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國各主要大中型煤礦礦井的“三下”壓煤量已達(dá)數(shù)百億噸，其中鐵路壓煤占12%左右，水體下壓煤占28%左右，建筑物下壓煤高達(dá)60%。但是目前我國僅能從其中開采出10億t左右的煤，占總量的7%左右［1-2］。煤層的開采過程會影響其四周巖層的應(yīng)力狀態(tài)，其上下煤層、井巷、隔水層都會受到一定的影響，采區(qū)上方的地表設(shè)施、水系以及周圍的生態(tài)環(huán)境也會受到一定程度的影響甚至遭到破壞［3］。“三下”開采的主要目的是既可以保護(hù)地表設(shè)施和地下水體不會因?yàn)殚_采而遭到破壞，又能實(shí)現(xiàn)安全、高效開采，保證資源采出率。因此，“三下”開采技術(shù)的合理有效性是實(shí)現(xiàn)其目的的重要保證［4-5］。

條帶式充填開采是“三下”開采的有效方法之一，可以有效降低地表變形量，最大程度地解決矸石等固廢的處理問題，符合我國可持續(xù)發(fā)展的要求，諸多鮮明的優(yōu)點(diǎn)使得該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面?zhèn)涫苤匾暎瑢?shí)際應(yīng)用的范圍不斷增加［1］?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展使人類生產(chǎn)生活變得便利，數(shù)值模擬軟件的出現(xiàn)和應(yīng)用更是為從事礦業(yè)相關(guān)研究人員帶來巨大福祉，不僅成功預(yù)測巖體滑移與垮落，還推動了開采沉陷學(xué)的發(fā)展并提高工作面安全性。目前已有較多國內(nèi)外學(xué)者對“三下”充填開采展開了一系列的研究。范瑋剛等［6］通過避輕就重簡化模型參數(shù)，利用FLAC3D模擬軟件建立淺埋層超高水充填模型，對地面下沉量進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，充填率從66.7%增至91.7%，地表最大下沉量大約從270 mm 降至70 mm，二者存在近似負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系；劉輝等［7］采用FLAC3D模擬軟件揭示了關(guān)鍵層破斷與地表最大下沉量的關(guān)系，分析了地表沉降因素并對4種不同采煤法的下沉系數(shù)進(jìn)行了對比；武龍飛等［8］討論了煤礦膏體充填開采引起的地表沉陷影響因素；魏小東［9］采用UDEC 數(shù)值計(jì)算方法模擬研究了王莊煤礦村莊下開采，提出了非連續(xù)刀柱式矸石充填開采的技術(shù)方案，并得出了最優(yōu)技術(shù)參數(shù)。

綜上所述，充填開采技術(shù)能夠很好地控制地表變形，但目前對于充填效果的預(yù)測分析研究依然需要借助計(jì)算機(jī)的幫助。通過監(jiān)測地表構(gòu)筑物的下沉量，預(yù)測充填開采對采區(qū)周圍巖層破壞程度和地表下沉量的控制效果是研究充填開采維護(hù)圍巖穩(wěn)定緩解地面下陷的基礎(chǔ)，也為開采過程中圍巖支護(hù)工作提供參考數(shù)據(jù)。以麻黃梁煤礦為工程背景，結(jié)合礦山實(shí)際地質(zhì)資料，室內(nèi)試驗(yàn)以及節(jié)理統(tǒng)計(jì)分析等手段，建立離散元的UDEC 數(shù)值計(jì)算模型，對建筑物下礦體開采所造成的地表沉陷問題進(jìn)行仿真模擬，并與現(xiàn)場地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對確保礦山安全高效開采和地表構(gòu)筑物及環(huán)境穩(wěn)定具有重要意義。

1 工程背景

麻黃梁煤礦地處榆陽區(qū)麻黃梁鎮(zhèn)北大村，是榆林泰發(fā)祥礦業(yè)有限公司投資新建的大型現(xiàn)代化礦井，井田面積7.777 2 km2，核定產(chǎn)能240 萬t/a，開采煤層為侏羅系3 號煤層，為特低硫、特低灰、特低磷、特高發(fā)熱量優(yōu)質(zhì)長焰煤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦井剩余可采儲量約3080萬t，其中綜采放頂面圈定可采儲量1100萬t，邊角房采區(qū)圈定可采儲量約230 萬t，麻黃梁鎮(zhèn)、萬家崖村及工業(yè)廣場建（構(gòu)）筑物壓煤可采儲量1000 萬t，大巷煤柱可采儲量750 萬t。建（構(gòu)）筑物壓煤占麻黃梁煤礦剩余總可采儲量的1/3 左右，同時又面臨地面建（構(gòu)）筑（主要包括麻黃梁鎮(zhèn)、萬家崖村和工業(yè)廣場）難以搬遷的難題。

如何解放建（構(gòu)）筑物下的壓煤，充分回收煤炭資源，延長麻黃梁煤礦礦井服務(wù)年限，確保開采安全高效，成為亟待解決的研究課題。然而建筑物下煤炭開采對地面建筑的危害主要取決于地表建筑物自身的抗變形能力以及地表的變形情況。因此，麻黃梁煤礦以實(shí)際條件為基礎(chǔ)，通過專家建議，目前采用條帶式“采8留24”的充填開采方法進(jìn)行了開采試驗(yàn)，本文在此基礎(chǔ)之上將對地表下沉量以及地表構(gòu)筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型構(gòu)建

UDEC（Universal Distinct Element Code）是一款基于離散單元法理論的計(jì)算分析軟件，該軟件適用于模擬在靜力或動力荷載條件下節(jié)理巖石系統(tǒng)或者不連續(xù)塊體集合體系的響應(yīng)，在巖土、邊坡及礦山等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用UDEC模擬軟件，在現(xiàn)場實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，通過參考相關(guān)文獻(xiàn)和相應(yīng)理論建立簡化模型，如圖1所示［10］。

根據(jù)煤層情況，數(shù)值模型采用摩爾-庫侖模型。模型主要包括表土層（30 m）、老頂（28 m）、直接頂（16 m）、煤層（10 m）以及底板（30 m），整個模型為長172 m、寬114 m 的平面。平面模型參數(shù)選擇首先根據(jù)礦上提供的地質(zhì)資料，通過計(jì)算得出開采移動影響范圍約26 m，因此兩側(cè)邊界各取開采范圍以外50 m，同時依據(jù)條帶充填開采步驟將開采范圍確定為72 m，故橫向規(guī)模共計(jì)172 m。模型上下邊界尺寸以實(shí)際埋深為基礎(chǔ)通過理論分析確定模擬尺寸。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

對現(xiàn)場地質(zhì)資料及巖心的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行RMR 工程巖體分類，最后以巖土工程界常用的參數(shù)為參考，按相關(guān)公式做相應(yīng)折減后作為本次數(shù)值分析的計(jì)算參數(shù)。由于礦巖地質(zhì)條件復(fù)雜以及試驗(yàn)條件限制，取得真實(shí)的巖石節(jié)理力學(xué)參數(shù)是不可能的。因此，巖體節(jié)理的力學(xué)參數(shù)難以通過現(xiàn)場或室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)取得，本次模擬利用位移反分析法計(jì)算節(jié)理面剛性力學(xué)參數(shù)。表1 為依據(jù)工程巖體分類弱化后的各巖層物理力學(xué)參數(shù)。

2.3 邊界條件設(shè)定

根據(jù)煤層上部實(shí)際載荷大小在模型上邊界施加均布載荷，模型兩側(cè)及底部為固定端約束，即規(guī)定模型底部塊體在X、Y方向不發(fā)生位移，初始應(yīng)力按照重力場設(shè)置，即

式中，γ代表巖石容重，kN/m3；σx為側(cè)向壓力，kN；u為巖石的泊松比。

2.4 開采模擬過程

模擬開采過程與實(shí)際開采過程一致，首先煤層兩側(cè)留出50 m 采動影響范圍，然后采用“采8 留24”一次性采全高的方法進(jìn)行充填開采，每輪開采之后進(jìn)行充填，共計(jì)4輪，具體開采方式如圖（2）所示。

3 分析討論

3.1 模擬結(jié)果分析

充填開采之后地表下沉變化情況如圖3所示。圖3（a）為第1輪充填開采之后，工作面中部變形及地表下沉量分布，充填體上部圍巖下沉量2～3 cm，兩側(cè)煤柱下沉量3～3.5 cm，地表下沉量0.5～1 cm。然而隨著第2輪和第3輪充填開采的進(jìn)行，由于兩側(cè)煤壁的不斷減少，充填體開始承擔(dān)大部分上覆巖層荷載，此時工作面頂部最大下沉量5～6 cm，地表下沉量依然較小，約2 cm（圖3（b）和圖3（c））。第4輪全部充填完之后（圖3（d））工作面頂部最大下沉量約8 cm，此時地表下沉量約5 cm，工作面充填體受力強(qiáng)度3～4 MPa。

總體而言，充填采煤過程，工作面受采動影響原 始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞并重新分布，此時充填體為頂板和周圍巖層提供支撐并使其周圍應(yīng)力分布恢復(fù)新的穩(wěn)態(tài)，采空區(qū)受充填體支撐不再發(fā)生大范圍垮塌，但受充填體接頂率、地下環(huán)境、早期強(qiáng)度等因素影響使得地表下沉變得復(fù)雜。通過本研究模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)充填開采完第3 個工作面，充填開采的采動影響已經(jīng)明顯地傳遞到地表，在采空區(qū)中央地表出現(xiàn)一定的下沉量，出現(xiàn)的下沉量累計(jì)在8 mm左右，而處于充填的地表則產(chǎn)生一定的抬升，抬升量最大達(dá)到6 mm。因此，充填開采能夠很好的保證“三下”開采地表構(gòu)筑物以及生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。

3.2 實(shí)際監(jiān)測分析

地下采煤引起的巖層和地表移動的過程十分復(fù)雜，對覆巖和地表產(chǎn)生影響的往往是開采方法、水文地質(zhì)、支護(hù)力度等多因素耦合作用。本研究通過麻黃梁煤礦工業(yè)場地區(qū)域及綜合辦公樓進(jìn)行地表變形監(jiān)測，具體監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。

根據(jù)麻黃梁礦井生產(chǎn)地質(zhì)報告，麻黃梁煤礦垮落法開采地表沉陷參數(shù)：下沉系數(shù)q=0.59，水平移動系數(shù)b=0.29，最大下沉角θ=89.5°，主要影響角正切tanβ=2。在工作面完成前2 輪開采之后，地表測線A和B的變化情況如圖5所示。

由圖5 可知，地表累積下沉總量較小，最大值約8 mm。然而對應(yīng)工業(yè)場地的地表變形值均在傾斜率i=2.4 mm/m，水平變形1.6 mm/m，曲率k=±0.16×10-3m-1的設(shè)防指標(biāo)內(nèi)（參考麻黃梁鎮(zhèn)地表設(shè)防指標(biāo)）。綜合辦公樓各測點(diǎn)變形值除J17 測點(diǎn)的曲率值輕微超出設(shè)防指標(biāo)外。其他測點(diǎn)均在傾斜率i=1.6 mm/m，水平變形0.6 mm/m，曲率k=±0.1×10-3m-1的設(shè)防指標(biāo)內(nèi)。主要構(gòu)筑物的變形值見表2。

總體而言生產(chǎn)辦公樓前道路南側(cè)建（構(gòu)）筑物處于I～I(xiàn)I 級破壞的地表變形分區(qū)內(nèi)，有I～I(xiàn)I 級損壞的可能，但麻黃梁鎮(zhèn)不受影響；萬家崖村最東側(cè)最大下沉值達(dá)到10 mm，傾斜率最大為0.5 mm/m，最大水平變形1 mm/m。村莊最南側(cè)個別房屋處于有I 級損壞的地表變形分區(qū)內(nèi)，有I級損壞的可能。

3.3 充填開采的減沉機(jī)理討論

膏體充填將礦山固廢充填材料充填至采空區(qū)，充填料漿填充了采空區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)空間，經(jīng)過充分的固化和壓實(shí)后與周圍巖體連成一片，對頂板形成有效支撐，并通過控制上覆巖層滑動來降低地面下沉量。此時充填體受力狀態(tài)變得多元化，主要以三向應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)，有效地防止了覆巖的整體失穩(wěn)，減弱充填開采工作面礦壓顯現(xiàn)。充填體的減沉機(jī)理具體如下［11-14］：

（1）保持頂板的完整性。煤層頂板因地質(zhì)構(gòu)造形成的節(jié)理缺陷以及外界擾動作用下新產(chǎn)生的破裂而被切分成各種結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作面開采之后，工作面的支撐體處于臨空狀態(tài)，使得個別結(jié)構(gòu)可能發(fā)生滑動和垮落。充填體在固結(jié)過程中能夠與周圍巖體緊密貼合，對采空區(qū)進(jìn)行有效填補(bǔ)，有利于保證頂板的完整性，減小或延遲頂板以及上覆巖層失穩(wěn)破壞趨勢的發(fā)展，阻止頂板應(yīng)力的快速轉(zhuǎn)移，從而提高工作面承載能力，保證工作面的穩(wěn)定性，提高整個工作面的安全系數(shù)。

（2）減少沖擊地壓的危害。如果煤礦發(fā)生地震或者沖擊地壓時，造成的壓力將會在頂?shù)装鍘r石的暴露面發(fā)生作用，并相互反射形成拉應(yīng)力，直接破壞頂?shù)装宓膸r石。然而充填體使得上下巖層直接聯(lián)系在一起，對破壞有一定的減輕作用。膏體充填體可塑性較強(qiáng)，能夠在動荷載作用下更好地緊貼圍巖對圍巖，運(yùn)動具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

（3）填補(bǔ)節(jié)理裂隙。充填料漿在重力和外界應(yīng)力作用下滲入到周圍巖體裂隙中，硬化后與圍巖由內(nèi)到外結(jié)成一片，通過限制巖體移動和提高圍巖穩(wěn)定性來減輕地面沉陷。此外充填料與采后圍巖的結(jié)合能夠防止采煤工作面向前掘進(jìn)時發(fā)生大面積坍塌。

3.4 充填開采對環(huán)境的影響

本研究采用的膏體充填技術(shù)不僅充分利用采場固廢節(jié)約了自然資源，還減輕了礦區(qū)周邊環(huán)境壓力和保持了礦區(qū)的原生態(tài)。對于礦山而言取得以下社會與經(jīng)濟(jì)效益：

（1）減少了環(huán)境損益賠償費(fèi)用。由于膏體充填會大大減小地面下沉量，最大限度維持了地表原生態(tài)環(huán)境，所以煤層上方的村莊無須搬遷，耕地、水系得到保護(hù)，減少了有關(guān)耕地、房屋、交通等方面的賠付費(fèi)用，與傳統(tǒng)垮落法采煤相比，膏體充填法產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更高。

（2）提高了煤炭資源采出率，解決了建筑物下壓煤的問題。

（3）使用矸石作為膏體充填前期的骨料，能夠節(jié)約土地資源和保護(hù)礦區(qū)環(huán)境。

（4）在制備膏體料漿過程中加入大量粉煤灰，能夠減少電廠向大氣中外排粉煤灰以提高礦區(qū)周邊環(huán)境的空氣質(zhì)量。

總之，膏體充填開采的作用是在保護(hù)礦區(qū)原生態(tài)環(huán)境條件下用充填料置換出“三下”煤炭資源，但地面充填站在制漿過程中會產(chǎn)生的揚(yáng)塵、機(jī)器轟鳴聲等勢必對周邊環(huán)境和居民造成新污染。為了建設(shè)綠色礦山，讓膏體充填技術(shù)獲得更加深遠(yuǎn)發(fā)展和應(yīng)用，同時能夠維護(hù)礦區(qū)周邊居民的合法權(quán)益，需要對膏體充填站進(jìn)行改進(jìn)，形成具環(huán)保、高產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)等眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的不移民采煤新技術(shù)。

4 結(jié)論

（1）通過UDEC 模擬發(fā)現(xiàn)，第1 輪模擬開采完地表平均下沉量約10 mm，第4 輪充填開采模擬結(jié)束之后，工作面中部頂板下沉量最大值約110 mm，同時與實(shí)際監(jiān)測相近，說明充填開采具有較好效果。

（2）充填作用機(jī)理是充填膏體在進(jìn)入工作面后，能夠與周圍巖體結(jié)成一片，提高圍巖的穩(wěn)定性，此時工作面的應(yīng)力狀態(tài)由原來的以單向應(yīng)力為主轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的以三向應(yīng)力為主。盡管膏體充填的早強(qiáng)低、強(qiáng)度發(fā)展慢，但其塑性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)能夠在起軟支撐作用的同時更好地與圍巖緊密結(jié)合，替原巖分擔(dān)應(yīng)力。

（3）本研究采用的膏體充填技術(shù)使得麻黃梁礦區(qū)生態(tài)環(huán)境達(dá)到無損或受損最小狀態(tài)，并充分利用當(dāng)?shù)毓腆w廢棄物，從而使礦山取得良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益，為其他礦山提供了借鑒。