充填采煤减沉的适用性研究＊

轩大洋 许家林 朱卫兵

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

充填采煤减沉的适用性研究＊

轩大洋1，2许家林1，2朱卫兵1，2

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

采用数值模拟方法研究了充填采煤地表沉陷特征，分析了充填开采对不同煤层采高的适用性。结果表明：相同采高条件下，充填开采时地表达到充分采动所需要的开采宽度较不充填开采时增加；随着采动充分程度逐渐增大，充填开采对地表沉陷的控制效果在采高较大时逐渐变差。充填开采在沉陷控制方面有一定的适用条件，为了保证地表处于I级破坏以内，同时受到采高M、采宽W的双重约束，分别对应于临界采高MC、临界采宽WC。当M＜MC时，理论上进行无限大采宽的充填开采均能保证地表小于I级破坏；当M≥MC时，应控制最大开采宽度小于WC，大于该宽度时将会造成地表超过I级破坏。针对文中给定的地质条件，得出临界采高MC为3m；当M为4.5m和7.5m时，对应的WC分别为400 m和300m。

充填采煤 地表沉陷 临界采高 临界采宽 绿色开采

充填开采在煤矿主要用于解决地表塌陷、“三下”压煤开采等问题。其作为绿色开采技术框架的主要内容之一，受到了越来越多的关注，在充填工艺、系统和方法等方面发展迅速，同时开展了相关工业试验并取得了一定效果。但作为其核心科学问题之一的充填开采沉陷理论以及其对采高的适用性等方面则研究较少。文献［6］、［11］在非充填开采沉陷基础上，建立了固体充填采煤地表沉陷预计的等价采高方法并对相关参数进行了分析；文献［11］～［13］研究了充填开采地表沉陷的影响因素，认为充填不接顶、顶板超前下沉以及充填压缩等因素直接影响沉陷控制效果，但尚缺乏工作面开采条件的影响研究，如采高、采宽等。从已有的开采实践来看，充填采煤工作面采高有2.1m、2.2m和3.9 m等，为评价不同煤层采高的充填减沉效果，有必要系统研究充填采煤对采高及采宽的适用性。

因目前开展的充填开采工程处于试验阶段，地表大多为非充分采动状态，缺乏完整的实测沉陷数据，故本文通过数值模拟方法，研究了充填开采条件下不同采高、不同采宽时下沉系数和水平变形值的变化规律，以期从理论上掌握充填开采时的地表沉陷特征以及其对不同煤层采高的适用情况。

1 数值模拟方案

1.1 模型建立

采用UDEC软件模拟研究充填开采时的地表沉陷特征。模拟煤层条件为埋深320m，松散层厚70m，煤层厚度4m。上覆岩层中存在两层关键层：主关键层厚度20m，距煤层间距130m；亚关键层厚度15m，距煤层间距35m。

不考虑地层倾角的影响，采用水平模型。边界条件采用位移固定边界，其中左右边界为水平单向约束，底部边界为双向约束。模型仅受重力作用，采用摩尔—库仑材料模型。建立的数值模型如图1所示。

模型长度1000m，高度350m。模型中充填体力学特性参数取值见参考文献［9］的实测值和参考文献［10］中模拟计算值。

图1 数值模型图

1.2 模拟方案

为了研究充填开采地表沉陷特征，对该模型分别进行不充填开采、充填开采，待模型平衡后，对比地表的移动变形参数。

（1）不充填开采。模拟采高为1m、2m、3m和4m的4种方案。对每一个采高，分4次开挖，每次采出100m（沿工作面斜长方向），用于模拟采出宽度为100m、200m、300m和400m的4个开采状态。开采过程中不进行充填。

（2）充填开采。模拟采高为1m、2m、3m和4m的4种方案。对每一个采高，分4次开挖，每次采出100m（沿工作面斜长方向），用于模拟采出宽度为100m、200m、300m和400m的4个开采状态。在开采过程中进行充填。充填模拟方案为：将煤层最顶部0.1m直接采出，模拟充填不接顶量；剩余的开采厚度，先将块体材料模型设置为空模型，模拟煤层开采，然后改变其本构关系，并用充填体力学参数进行参数赋值，以模拟充填。该模拟研究不考虑顶板超前下沉的影响。

1.3 模拟结果

数值模拟得出充填开采与不充填开采地表最大下沉值、下沉系数见表1；充填开采与不充填开采的地表最大水平变形值见表2。

表1 充填开采与不充填开采地表最大下沉结果

2 充填开采地表沉陷特征

2.1 充填开采下沉系数变化规律

根据模拟结果得出：充填开采与不充填开采时，不同采高条件下下沉系数与采宽的关系、不同采宽条件下下沉系数与采高的关系分别如图2和图3所示。

表2 充填开采与不充填开采地表最大水平变形结果

图2 不同采高条件下下沉系数与采宽的关系

（1）从图2可以看出：在采高一定条件下，不论是否采用充填开采，下沉系数均随采宽增加而增大。不充填开采条件下，不论采高大小，采宽达到400m时下沉系数基本稳定，说明地表已达到充分采动状态。充填开采条件下，在采高1m时，下沉系数随采宽增加逐渐趋于定值，说明400m采宽时地表达到充分采动状态。采高大于1m时，下沉系数随采宽增加而不断增大，在400m时地表仍不能达到充分采动状态。说明在采高大于1m时，采用充填开采后地表达到充分采动所需的开采宽度较不充填开采时变大。

（2）从图3可以看出：不充填开采时，采宽一定条件下，不论地表是否充分采动，下沉系数均随采高增加而减小。充填开采时，采宽一定条件下，采宽小于200m，下沉系数随采高增加而减小；采宽为300m，下沉系数基本不随采高发生变化；采宽400m时，下沉系数随采高增加而逐渐增大。说明在采动充分程度逐渐增大时，充填开采沉陷控制效果随采高的增加逐渐变差。在非充分采动条件下，减沉效果与充分采动时相差较大，因此不能在非充分采动条件下对充填减沉效果作出最终评价。

图3 不同采宽条件下下沉系数与采高的关系

2.2 充填开采水平变形变化规律

根据模拟结果得出：充填开采时，不同采高条件下水平变形与采宽的关系、不同采宽条件下水平变形与采高的关系分别如图4和图5所示。

（1）从图4看出：在采高一定条件下，不论是否采用充填开采，水平变形均随采宽增加而增大。不充填开采条件下，不论采高大小，采宽达到200m水平变形基本趋于定值。充填开采条件下，采高1m时，随着采宽增加，水平变形趋于定值；采高大于1m时，水平变形趋于定值所需的采宽逐渐增大。

（2）从图5看出，在采宽一定条件下，不论是否采用充填开采，水平变形均随采高增加而增大。

不充填开采条件下，采宽为100m时，水平变形不随采高变化而保持定值；采宽大于100m时，水平变形随采高增加以同一斜率呈线性增大，且均大于《建筑物水体铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定的I级破坏临界指标值。

充填开采条件下，采宽为100m时，水平变形不随采高变化而保持定值；采宽大于100m时，水平变形随采高增加而增大，且采宽越大，水平变形随采高增加的幅度越大，但均小于I级破坏临界指标值。这同样反映出，在采动充分程度逐渐增大时，充填开采对地表沉陷控制效果随采高的增加逐渐变差。

3 充填开采对煤层采高的适用性

根据图4和图5，拟合得出不同采高条件下水平变形随着采宽的变化曲线、不同采宽条件下水平变形随着采高的变化曲线如图6所示，除图6（a）中采高1m的相关性系数R2为0.781外，其它曲线的R2均大于0.96。

图6 水平变形与采高、采宽的拟合曲线

采高在3m以下时，充填开采均能使地表处于I级破坏以内，其沉陷控制效果不受采宽影响；采高为4m、采宽达800m时，地表将超出I级破坏，该采宽即为减沉目的所要求的临界采宽。结合图6（b）的拟合结果知：采高为4.5m时的临界采宽为400m；采高7.5m时的临界采宽仅为300m。

上述分析说明充填开采在控制沉陷方面是有适用条件的，即试图通过充填开采控制地表在I级破坏以内时，对采高M有一定要求，其对应于一个临界采高MC。当M＜MC时，理论上进行无限大采宽开采均能达到控制效果；当M≥MC时，需将最大开采宽度Wmax控制在临界采宽WC以内方可实现预期目标，大于该宽度时将会造成地表超过I级破坏。据此得出充填开采适用性的约束条件如下：

对于本文给定的参数条件下，对应的临界采高MC＝3m。M≤3m时，WC＝∞；M为4m、4.5m和7.5m时，对应的WC分别为800m、400 m和300m。地质条件不同时，WC会发生变化，需根据具体的采深、覆岩关键层结构等因素进行确定。

4 结论

（1）随着采动充分程度与采高逐渐增大，充填采煤沉陷控制效果逐渐变差，这在一定程度上反映出，在非充分采动条件下，不宜过早评价充填减沉效果。

（2）充填采煤控制沉陷是有适用条件的。由于充填采煤不可避免地存在一定程度的超前下沉量、不接顶量和充填体压缩量，故充填采煤时地表沉陷仍难以避免。通过充填开采控制地表在I级破坏以内时对采高M有一定要求，其对应于一个临界采高MC。当M＜MC时，理论上进行无限大采宽开采均能达到控制效果；当M≥MC时，需将最大开采宽度控制在临界采宽WC以内方可实现预期目标，大于该宽度时将会造成地表超过I级破坏。此时应采用隔离充填开采，即在充填工作面留设一定宽度的隔离煤柱与充填体联合控制地表沉陷。WC与采深、覆岩关键层结构等地质条件有关，需根据具体条件进行确定。

［1］ 钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术［J］.中国矿业大学学报，2003（4）

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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

国家自然科学基金项目（50974116）

轩大洋（1987－），男，河南鄢陵人，博士研究生，从事岩层移动与绿色开采方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）