厚松散层下条带充填开采沉陷影响因素的数值模拟分析

张 磊 张兆民

(1. 大同大学，山西省大同市，037004； 2. 山东省煤田地质规划勘察研究院，山东省济南市，250100； 3. 山东省煤田资源数字化工程技术中心，山东省济南市，250100)

随着煤炭资源长期无节制的开采，中国东部老矿区的煤炭资源正面临趋于枯竭的局面，并且尚未开采的煤炭资源大部分属于“三下”压煤。赋存有厚松散层的矿区，其地表沉陷规律具有一定的特殊性(松散层含水时，其下沉系数偏大)，通过采矿工作者历年的实践研究，对于普通地质条件下的煤炭开采引起的地表移动变形已经进行了大量深入的研究，然而特殊地质条件下开采，如厚松散层开采引起的地表下沉规律研究较少。

煤矿开采过程中地表沉陷造成环境破坏，房屋出现裂缝等灾害现象，成为需要面临的热点问题。为此，部分学者提出了合理有效的开采方式来控制灾害的发生，条带充填开采成为一种可行的绿色开采方式。条带充填开采采用部分充填的方法，在充填强度有保证的前提下，可以有效地控制地表大范围下沉，减小开采对环境造成的破坏。

本文针对工作面上方赋存厚松散层的情况，运用FLAC3D三维数值模拟软件，研究厚松散层下条带充填开采影响地表沉陷的因素及其规律，为厚松散岩层下开采提供理论基础，可以大大提高采出率、降低充填成本、将经济效益最大化。

1 数值模型及模拟方案

1.1 数值计算模型

依据山东义能煤矿实测地质条件，确定模型参数，建立数值模拟基本模型，如图1所示。为了简

化数值模型，模型长度700 m，宽度220 m，因选取上覆岩层的组合结构不同，模型高度介于254～334 m之间。模型的上边界是地表，下边界是煤层底板。为了消除边界效应的影响，走向方向上开采边界以外设计留设200 m边界条件，倾斜方向留设60 m边界条件，即充填工作面的宽度为100 m，开采厚度3 m。在模拟计算过程中，采用摩尔—库伦强度准则。岩体物理参数见表1。

此次研究地表沉陷影响因素的问题，可以看作平面移动应变问题，故假设工作面推进方向无限长，所研究的移动盆地的主断面前后两个面(XZ面)限制Y方向位移，左右两个面(YZ面)限制X方向位移，底部限定垂直方向位移和水平方向位移。

图1 计算模型网格划分

岩层名称体积模量/GPa切变模量/GPa粘聚力/MPa内摩擦角/(°)单轴抗拉强度/MPa容重/kg·m-3覆盖土004012017190041880粘土2002009055180011980粘土1004014058190021980砂2005007027150031970砂1003005017180011970砂砾2004007019170021900砂砾1005006017180011900粗砂岩3655585658336452200中砂岩2590530552335792500粗砂岩2555385618316452200中砂岩1550550652326192500粗砂岩1555485718336452200泥岩510255320303552350煤层185130215292401500砂岩2560420953349352600砂岩158043098535995260020MPa充填体14105005528012220025MPa充填体25009010528017220030MPa充填体35212513728025220035MPa充填体45516717528032220040MPa充填体560210220280412200

1.2 数值模拟方案

本文共设计30个方案，其中20个方案采用单一控制变量法进行模拟研究，分别对不同松散层厚度(160 m、180 m、200 m、220 m、240 m)、不同充填率(51%、55.5%、60%、64.5%、69%)、不同充填体强度(2.0 MPa、2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa、4.0 MPa)以及不同关键层厚度(40 m、55 m、70 m、85 m、100 m)下对条带充填开采进行地表下沉规律研究，模拟方案为充填率60%、充填体强度2.0 MPa、关键层厚度70 m、松散层厚度200 m。模拟方案见表2。

表2 模拟方案

图2 工作面条带充填示意图

工作面条带充填开采示意图如图2所示。由图2可知，在推进方向上留设一定的充填条带，充留间隔为60 m。充填率的计算是考虑煤炭采出后顶底板移近量和施工工艺(充填体的接顶率和泌水率)等因素影响后的实际充填率，其计算表达式为：

(1)

其中，实际充填高度取2.7 m。在模型顶部(地表)垂直于工作面推进方向的中央(X=0～700，Y=120，Z=地表值)，每隔10 m设置一个监测点，共设计70个监测点，用来监测开采过程中地表下沉的垂直位移(Z方向)和横向水平位移(X方向)，因纵向水平位移(Y方向)不在下沉盆地主断面内，故暂不研究。

2 数值模拟分析结果

2.1 充填率对地表下沉的影响

充填率不同时，其下沉盆地主断面的地表下沉曲线及最大下沉值的变化趋势分别如图3和图4所示。

图3 地表下沉曲线

图4 地表最大下沉值变化趋势图

由图3可以看出，各方案下沉盆地主断面的地表下沉曲线关于地表最大下沉值点呈近似对称分布形态，最大下沉点位于采空区下沉盆地中央，下沉盆地边界相较于采空区边界向外扩展约100 m。下沉盆地的最大下沉值分别为581 mm、520 mm、461 mm、404 mm和298 mm。在保持充填体强度的前提下，设计方案对下沉系数进行了控制，控制在0.1～0.19之间。由模拟结果可知，地表最大下沉量较小，表明条带充填体—覆岩主关键层组合结构对控制覆岩运动以及减小地表下沉起到重要作用。

由图4可以看出，随着充填率的不断增加，地表最大下沉值逐渐减小，其中充填率从64.5%增大到69%，最大值减小较明显。主要原因在于充填率增加后，相邻条带之间的间隔减小，采空区上方顶板的悬跨度减小，且充填体内部形成的弹性核区域增加，稳定性和强度增加。条带充填体自身变形量较小，减少了上覆岩层运动的空间，能有效控制关键层弯曲下沉，因此，地表下沉量减小。

2.2 松散层厚度对地表下沉的影响

对于不同的松散层厚度条带充填开采方案，其下沉盆地主断面的地表下沉曲线及最大下沉值的变化趋势如图5和图6所示。

图5 地表下沉曲线图

图6 地表最大下沉值变化趋势图

由图5可以看出，各方案下沉盆地主断面的地表下沉曲线关于地表最大下沉值点呈近似对称分布形态，最大下沉点位于采空区下沉盆地中央，下沉盆地边界相较于采空区边界向外扩展了100～180 m左右，随着松散层厚度的增加地表下沉范围逐渐增大，同时地表下沉盆地边缘收敛逐渐变缓。下沉盆地的最大下沉值分别为538 mm、492 mm、461 mm、386 mm和401 mm。在保持充填体强度的前提下，设计方案对下沉系数进行了控制，控制在0.12～0.18之间，地表整体下沉值较小，表明条带充填开采能有效控制上覆岩层运动减缓地表下沉。

由图6可知，当松散层厚度在160～180 m范围内时，随着松散层厚度的增加地表最大下沉值小幅度减小。当松散层厚度在180～240 m范围内时，地表最大下沉值变为大幅度增大趋势。主要原因在于当松散层厚度在160～180 m范围内时，厚松散层对地表下沉有一定的缓解作用；在180～240 m范围内，厚松散层对地表下沉的缓解作用弱于松散层增加的自重对条带充填体压缩作用以及覆岩主关键层的弯曲变形，因此地表下沉表现为随松散层厚度的增加而增加。

2.3 充填体强度对地表下沉的影响

对于不同的充填体强度条带充填开采方案，其下沉盆地主断面的地表下沉曲线及最大下沉值的变化趋势如图7和图8所示。

图7 地表下沉曲线

由图7可以看出，各方案下沉盆地主断面的地表下沉曲线关于地表最大下沉值点呈近似对称分布形态，最大下沉点位于采空区下沉盆地中央，下沉盆地边界相较于采空区边界向外扩展超过100 m。下沉盆地的最大下沉值分别560 mm、488 mm、459 mm、431 mm和403 mm。在保持充填体强度的前提下，设计方案对下沉系数进行了控制，控制在0.13～0.19之间，由模拟结果可知，地表最大下沉量较小，表明条带充填体—覆岩主关键层组合结构对控制覆岩运动以及减小地表下沉起到重要作用。

图8 地表最大下沉值变化趋势图

由图8可以看出，当充填体强度在2.5～4.0 MPa时，充填体强度变化趋势和地表下沉相反，充填体强度增加，下沉值减小，主要原因在于在充填体强度能满足支承上覆岩体重量时，充填体强度越大抵抗变形的能力就越强，当受到上覆岩层压缩时，自身变形量较小，关键层不能充分运动，地表发生下沉就小。充填体强度由2.5 MPa减小到2.0 MPa时，地表下沉值表现出奇异性，下沉值增加幅度较大，因为充填强度较低时，在上覆岩层的重力作用下充填体状态发生变化，由弹性状态变为塑性状态，使充填体自身变形量增加，因此，地表下沉量随之增加。

2.4 关键层厚度对地表下沉的影响

对于不同的关键层厚度条带充填开采方案，其下沉盆地主断面的地表下沉曲线及最大下沉值的变化趋势如图9和图10所示。

由图9可以看出，各方案下沉盆地主断面的地表下沉曲线关于地表最大下沉值点呈近似对称分布形态，最大下沉点位于采空区下沉盆地中央，下沉盆地边界相较于采空区边界向外扩展超过100 m。下沉盆地的最大下沉值分别为705 mm、509 mm、461 mm、271 mm和325 mm。在保证充填体稳定的前提下，本组条带充填开采试验方案将主断面地表下沉系数控制在0.19～0.24之间，地表整体下沉值较小，表明条带充填开采能有效控制上覆岩层运动减缓地表下沉。

图9 地表下沉曲线

图10 地表最大下沉值变化趋势图

由图10可以看出，当关键层厚度小于55 m时，地表最大下沉值随关键层厚度的减小显著增大；当关键层厚度为55～70 m时，随关键层厚度的增加地表最大下沉值减小幅度较小，而当关键层厚度为70～85 m时，其减小幅度较大；当关键层厚度为85～100 m时，地表最大下沉值随厚度的增加而增大。主要原因在于当关键层厚度在一定范围内，并且保证充填体稳定性的前提下，关键层越厚覆岩主关键层强度越大，其自身抵抗形变的能力越强，能承担上覆岩层及其自身的重量，起到关键层作用，下沉量较小。当关键层厚度逐渐增加时，上覆岩层的自重也开始变大，条带充填体承受的实际载荷不断增大，当载荷增大到一定程度时，条带充填体将会由弹性状态向塑性状态转变，随着塑性区不断扩大，充填体自身的压缩量也随之增加，当条带充填体的压缩量超过关键层对上覆松散层下沉的控制量时，地表下沉量表现出增加的趋势。

3结论

(1)充填率变化规律与地表最大下沉值呈负相关，充填率越大，下沉量越小，且当充填率由64.5%增长至69%时，最大下沉值减小幅度较大。

(2)随着松散层厚度增加，地表移动变形的下沉值先减小后增大，当松散层厚度为160～180 m时，随着松散层厚度的增加地表最大下沉值逐渐减小；当松散层厚度为180～240 m时，随着松散层厚度的增加地表最大下沉值逐渐增大。

(3)充填体强度变化规律与地表最大下沉值呈负相关，充填强度越大，下沉量越小。

(4)当关键层厚度在40～85 m范围内，并且保证充填体稳定性的前提下，随着关键层厚度的增加，地表移动变形的下沉值逐渐减小；当关键层厚度超过85 m时，地表移动变形的下沉最大值由减小趋势变为增大趋势。

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