充填条带开采岩层移动规律及地表沉陷预测研究

王志勇

摘 要：充填条带开采是解放“三下”压煤的一种有效途径，而充填条带开采岩层易引发地表沉陷的问题，本文以生辉矿为研究背景，采用数值模拟软件对不同采高、采宽、留煤柱宽度及充实率下覆岩的下沉及地表下沉情况进行分析，发现随着采宽、采高的增大顶板的下沉量逐步增大，而随着充实率及留煤柱宽度的增大，顶板下沉量减小，地表下沉量随着采宽采高的增大而增大，随着留煤柱宽度及充实率的增大而减小。

关键词：充填条带;岩层移动;地表沉陷;数值模拟

0 引言

充填条带开采是解放“三下”压煤的一种有效途径。而三下煤层指的是建筑物下、铁路下及水体下的煤层，据统计我国三下煤层约有138亿t，所以解决三下煤层的开采问题对我国能源消耗十分重要，此前众多学者对三下煤层的开采做过一定的研究。本文利用数值模拟软件对充填开采过程中顶板的垂直应力随煤柱的宽度、采宽及充实率的变化趋势进行研究，为三下煤层的开采作出一定的贡献[1]。

1 数值模型的构建

充填条带开采过程中地表的沉陷受到地应力环境，开采的尺寸及充实率等因素的干扰，相比于相似试验及理论计算等研究方法，数值模拟研究可以较好的克服其他研究的缺点，根据实际的地质条件进行模型的建立，从而可以较好的分析岩层的变化规律，首先根据实际地质情况进行模型的建立，为了保证采宽与煤柱的宽度相互组合后停采线一侧的一致性，避免对覆岩及地表岩层造成较大的变形，所以在进行模型建立时需要加大模型的尺寸，建立模型的长宽高分别为2000m、2000m、和365m，其中煤层的采深为340m，开挖区域的作标为X、Y=500m～1500m。对模型进行力学参数的设定，为了保证力学属性与实际地质的一致性，需要根据该地区测得的岩层力学属性进行设定。

完成模型力学参数设定后对模型进行约束设定，本次模型采用摩尔--库伦准则为屈服准则，在模型的四个边界设定位移约束，在模型底板垂直方向增加固定约束，在模型的上端不施加约束，模型可在垂直方向发生沉陷。模型如图1所示。

2 模型计算

为了分析生辉矿地表沉陷随采宽、煤柱尺寸及充实率等的变化趋势，设计充填条带开采的设计方案如表1所示。

不同层位的岩层随采高、留煤柱宽度、充填率及采宽的变化是不同的，为了分析不同实验因素下地表的沉陷，对不同实验条件下的岩体的下沉量进行模拟研究，如图2所示。

如图2所示为覆岩下沉量随不同因素的变化曲线，其中黑色线条为煤柱上端覆岩的变化曲线，红色为充填体上端覆岩的变化曲线。从图2可以看出，煤柱上端覆岩的下沉量随着模型高度的增加逐步降低，在模型高度100m时达到平稳，这是由于煤柱上端覆岩主要受到载荷应力，出现压缩变形，随着模型高度的增大，上端覆岩逐步处于压密的过程，所以煤柱上端覆岩的下沉量逐步减小，而充填体上端覆岩的下沉量随着模型高度的增大逐步增大，在模型高度100m时达到恒定值，这是由于充填体上端覆岩主要受到拉伸变形，随意覆岩下沉量逐步增大。观察图2（a）可以看出，采宽60m时，此时的煤柱上端覆岩下沉量最大值为98m，而采宽为20m时，煤柱上端覆岩下沉量最大值为8m，而充填体上端覆岩的下沉量最大值分别为142m和22m。随着采宽的减小，煤柱上端覆岩的下沉量逐步减小，充填体上端覆岩下沉量逐步增大。观察图2（b）可以看出，留煤柱宽度为20m时，此时的煤柱上端覆岩下沉量最大值为43m，而采宽为60m时，煤柱上端覆岩下沉量最大值为34m，而充填体上端覆岩的下沉量最大值分别为108m和83m。觀察图2（c）可以看出，采高为6m时，此时的煤柱上端覆岩下沉量最大值为56m，而采高为2m时，煤柱上端覆岩下沉量最大值为38m，而充填体上端覆岩的下沉量最大值分别为118m和64m。同样的随着采高的增大煤柱上端覆岩下沉量逐步增大，而充填体上端覆岩的下沉量减小。通过观察可知，充实率为70%时，此时的煤柱上端覆岩下沉量最大值为58m，而充实率为90%时，煤柱上端覆岩下沉量最大值为43m，而充填体上端覆岩的下沉量最大值分别为94m和82m。随着充实率的增大煤柱上端覆岩下沉量逐步减小，而充填体上端覆岩的下沉量增大。所以可以总结出，随着采宽、采高的增大顶板的下沉量逐步增大，而随着充实率及留煤柱宽度的增大，顶板下沉量减小，且采宽对顶板的下沉量影响最为明显。

地下开采会引起地表发生移动变形，研究不同参数下地表的移动对三下矿区的开采有着重要意义，地表的最大变形值时对地表斜率及曲率的关键数据，可以较为直观的展现采动影响，对充填体条带开采不同开采宽度、留煤柱宽度及充实率下的地表沉陷进行分析。地表下沉量随采宽、留煤柱宽度、采高及充实率的变化趋势大致呈现对称分布，对称轴为距离模型左边界900m的垂线上，且随着距离对称轴的距离增大，地表下沉量呈现减小的趋势。根据曲线可以看出，随着采宽的增大，地表的下沉量最大值逐步增大，且随着采宽的增大，地表下沉量的变化趋势逐步增大，而对不同留煤柱宽度下的地表下沉曲线可以看出，随着留煤柱宽度的减小，地表下沉量呈现增大的趋势，类似的随着采高的增大地表下沉量呈现增大的趋势，随着充实率的增大，地表下沉量逐步减小，所以地表下沉量随着采宽采高的增大而增大，随着留煤柱宽度及充实率的增大而减小。同时地表下沉量随采宽的变化趋势最为明显。

3 结论

生辉矿采用FLAC3D数值模拟软件根据实际地质情况进行建模，并给了建立过程，为后续模拟计算作出铺垫。对不同因素下覆岩的变形进行研究发现，随着采宽、采高的增大顶板的下沉量逐步增大，而随着充实率及留煤柱宽度的增大，顶板下沉量减小，且采宽对顶板的下沉量影响最为明显。对不同因素下地表的下沉量进行分析，发现地表下沉量随着采宽采高的增大而增大，随着留煤柱宽度及充实率的增大而减小。同时地表下沉量随采宽的变化趋势最为明显，保证矿井的安全开采。

参考文献：

[1]张兆江，张涛，张安兵，赵玉玲.超高水材料充填条带开采地表沉陷规律研究[J].煤炭工程，2016（7）：97-99.