充填体强度对厚松散层下条带充填开采地表下沉的影响分析

李腾飞++武泉林++秦元真++董毅++刘毓

摘 要：为了研究厚松散层下条带充填开采时充填体强度对地表下沉的影响规律，运用FLAC3D数值模拟，探讨了充填体强度对地表最大下沉值的影响规律：在其他地质条件不变的情况下，随着充填体强度的增加，地表最大下沉值逐渐减小，并且其减小幅度也在逐渐减小。其主要原因是：充填体由弹性状态向塑性状态的过渡使得地表下沉值发生显著变化。

关键词：充填体强度；条带充填；地表下沉；FLAC3D数值模拟

中图分类号：TD823.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.011

在我国华东、华中、华北等矿区，厚松散层这种特殊地质条件分布较广泛，并且这些矿区多数存在“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤情况，造成资源的大量浪费。因此，控制其开采沉陷带来的环境破坏，实现煤矿的绿色开采是个亟待解决的问题。近年来，条带充填技术发展成为一种有效的解决途径，相对于全部充填开采，条带充填有充填率低、充填成本小、工作面回采效率高等优点。目前，针对条带充填开采方面的研究相对较少，其中郭爱国等通过对宽条带充填全柱开采地表沉陷机理及影响因素的研究得出，在一定地质条件下，宽条带充填全柱开采地表沉陷的主要影响因素有充填率、充填体强度和隔离煤柱留设宽度；许家林等研究了条带充填开采技术原理及其适用性，并提出了条带充填开采的设计原则。在对厚松散层下开采地表沉陷的研究中，郝延锦等研究了厚松散层条件下地表移动变形情况，得出该条件下地表移动变形的基本规律；王保栋等分析了厚松散层因素对地表移动的影响，得出了条件下开采的地表移动参数。本文通过充填体强度对厚松散层条件下条带充填开采地表下沉影响的数值模拟，分析了充填体强度对地表下沉影响的规律及原因。

1 条带充填开采技术原理

煤矿条带充填开采技术的研究应充分利用煤系层状岩层的移动规律和控制特点，许家林等研究了覆岩主关键层对地表下沉动态的影响，得出覆岩主关键层对地表的移动过程起到了控制作用，地表的下沉速度随主关键层周期性的断裂破坏而呈现周期性跳跃式变化。条带充填开采通过构筑条带相间的充填体，形成“条带充填体-覆岩主关键层”组合结构，只要保证未充填采空区的间隔宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距，覆岩主关键层结构保持稳定，且充填体强度能保持长期稳定，就可以有效控制地表沉陷。

2 数值模拟方案

2.1 模型建立及力学参数

本文利用FLAC3D软件进行数值模拟研究，主要研究不同充填体强度地表下沉的影响规律。模拟分析以二维平面的形式进行，模拟上覆岩层为连续介质，考虑到地表充分采动及边界效应的影响，工作面的水平方向长度为1400 m。

假设工作面推进方向无限长，分析平面垂直于工作面推进方向，采用位移边界条件。根据某矿五采区实测地质条件，本次模拟所采用的各煤岩层及充填体强度的主要物理参数见2.2 数值模拟方案

针对研究目的共设计5个模拟方案（充填体强度为：1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa），分别对不同充填体强度条件下条带充填开采地表下沉规律进行模拟研究。基本模拟条件为：充填率60%、基岩厚度70 m、松散层厚度200 m。

3 模拟试验结果及分析

不同充填体强度的条带充填开采方案地表下沉曲线如图1和图2所示。由数值模拟结果可以看出，在其他地质条件相同的条件下，当充填体强度在1.5～3.0 MPa时，地表最大下沉值随充填体强度的增加不断减小。主要原因是：此时充填体强度足以支撑上覆岩层，并且强度越大，其受压时的压缩量越小，能更好地控制覆岩主关键层的移动变形，所以地表下沉最大值逐渐减小；但是当充填体强度从1.5 Mpa减小到1.0 Mpa时，由于充填体强度低，上覆岩层应力集中使得充填体由弹性状态向塑性状态转变，导致其自身显著压缩量增大，所以地表最大下沉值也显著增大。

4 结论

当充填体强度在1.5～3.0 MPa时，随着充填体强度的增加，地表最大下沉值逐渐减小；但是当充填体强度从1.5 MPa减小到1.0 MPa时，地表最大下沉值呈显著增大趋势。

5 建议

条带充填开采引起的地表下沉是条带充填体、基岩和松散层三者移动变形相互叠加的结果，是一个复合的、动态的过程。限于作者水平及篇幅的原因，本文没有对基岩厚度、松散层厚度、采深、采厚、覆岩结构等影响因素做进一步的研究，这也是下一步深入研究的重点。

参考文献

[1] 顾伟.厚松散层下开采覆岩及地表移动规律研究[D]. 徐州：中国矿业大学，2013.

[2] 郭爱国.宽条带充填条带开采条件下的地表沉陷机理及其影响因素研究[D]. 北京：煤炭科学研究总院，2006.

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[5] 郝延锦，吴立新，胡金星. 厚松散层条件下地表移动变形预计理论研究[J].矿山测量，2000（2）：24-26.

[6] 王保栋.厚松散层对地表移动变形参数的影响[J].煤，2013，（12）：58-60.

[7] 许家林，钱鸣高，朱卫兵.覆岩主关键层对地表下沉动态的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（5）：787-791.

〔编辑：胡雪飞〕