条带充填开采充填率对地表移动影响因素研究

张 滨，乔 冲

（枣庄矿业（集团）有限责任公司田陈煤矿，山东 滕州 277532）

0 引 言

到目前为止，我国对于“三下”开采主要还是采用留设煤柱的条带开采法，这也是应对“三下”开采较为有效的方法[1-3]。但是条带开采法也有一些弊端，首先是条带开采需留设约一半的煤炭资源作为煤柱，导致采出率较低，不利于煤炭行业的可持续发展。二是煤柱埋藏时间较长，可能会自然风化、蠕变、破裂，从而导致部分煤柱被破坏，顶板失去煤柱的支撑力而造成采空区大范围塌陷，严重的情况可能会引发矿震灾害[4]。条带充填开采法，是保持一定间隔进行采空区的充填，可较好地控制地表下沉，保护地上建筑不受破坏，减少采区下沉区域对地表环境的破坏[5-6]。不同于使用全部充填进行开采，条带充填是间隔充填，所以回采率较高、可控制充填成本、减少支撑煤住，增大工作面回采率。

现阶段，世界上许多学者关注于使用条带充填法开采煤矿而造成的地表沉陷的研究，研究方法主要有现场实际观测和室内相似材料模拟等，但这两种方法耗时过长、研究成本较高、计算量大且计算步骤比较繁琐，在实际生产中应用并不广泛。而数值模拟计算可以克服以上缺点，并且计算精度较高，应用较为广泛。当前数值模拟软件不仅在力学分析领域得到应用，而且在各类科研领域都有广泛的应用。因此，笔者拟使用数值模拟软件FLAC3D，对厚松散层下条带开采造成地表下沉进行数值模拟，研究分析影响地表移动变形的关键因素。

1 物理模型及模拟方案

1.1 物理模型

首先查明某矿五采区实际地层地质条件，明确模型的基本参数，并建造模拟分析的物理模型，如图1为工作面地层模型示意图；表1 为本次模拟过程中使用的各地层对应的主要物理参数。

为了方便观察不同因素对模拟对象的影响，将研究对象简化为长700m，宽220m 的模型。由于选用的地层组成不同，设置模型高度在254～334m 之间不等，假设各地层倾角为0°，则设置模型为水平方向上的层状结构。模型中最上层为地表，最下层为煤层。为了降低模拟过程中边界效应的影响，从地层断面向外拉伸200m 作为边界，垂直方向向外拉伸60m 作为边界，即模型的宽度是100m，开采煤厚是3.0m。

图1 工作面地层模型示意图

表1 数值模拟材料力学参数

1.2 数值模拟方案

为了研究条带充填开采不同的充填率对地表移动变形的规律，本节选用5 种不同充填率（51%、55.5%、60%、64.5%、69%）的条带充填进行数值模拟。

表2 为本节模拟方案的具体参数。如图2 所示，为采空区条带充填法示意图。

如图2 所示，条带充填法是煤炭回采后在采空区接替布置充填条带和间隔条带，每段充填和间隔条带总长60m，不同充填率下对应的采空区充留比例如表3 所示。

表2 模拟方案

图2 采空区条带充填法示意图

表3 不同充填率对应的充留比例

实际充填率受采空区顶底板移近量和充填工艺（充填体的接顶率和泌水率）影响，其计算表达式为：

式中：H为实际充填区域高度，实际充填高度取2.7m；S为实际充填区域宽度；Hc为采高；Sc为采宽，采宽取N 个充留单位，N为整数。

从模型顶部（地表） 的中心位置布置监测点（X=0-700，Y=120，Z=地表高度），垂直于工作面推进方向，每隔10m 布置1 个监测点，总共布置70 个监测点。

2 充填率对各地表移动变形参数的影响

对五种不同充填率的条带充填模型进行开挖、并计算平衡，并记录主断面上设置的监测点的垂直位移Z 与横向水平位移X。使用ORIGIN 软件对记录的数据进行计算处理并绘制出不同充填率所对应的下沉曲线。

2.1 充填率对地表下沉的影响

分别比较5 种条带充填的充填率和下沉值变化与最大下沉值的关系，总结得出图3 和图4。

图3 为5 种不同充填率下的下沉值的变化情况，模型长度的中部为下沉值的极值点，且下沉值沿模型长度的中线，左右对称分布。且地表下沉区域的边界范围比采空区的边界范围约向外扩展100m。可以看出，5种不同充填率下，地表下沉的最大下沉值分别为：w=581mm、w=520mm、w=461mm、w=404mm、w=298mm。本次条带开采的模拟实验将地表下沉系数设置为不大于0.19，便于控制地表下沉情况。结果证明，总体来看几组实验中地表下沉值较小，这能说明条带充填与上浮烟层组合能较好地应对采空区范围地表下沉问题。

图3 地表下沉曲线

图4 充填率与最大下沉值关系

由图4 可以看出，充填体物理参数不变的情况下，随着充填率的提高，模型的下沉量逐步降低。充填率在51%～64.5%时，模型下沉量稳定减少；当充填率达到64.5%～69%时，采空区范围地表下沉量快速降低。出现这一现象是因为随着充填率的增加，且充留单位固定不变，则间隔条带的宽度减少，充填条带宽度增加。这使得采空区充填区域变大，对于顶板的支持面积也增大，悬漏面面积减少，并且充填条带内部的弹性核区随着充填条带宽度的增加而变大，增强了顶板及上覆地层的稳定性。由于填充条带与顶板的接触面积增大则对于充填体体积的压缩量减小，从而导致弯曲下沉带的下沉量相应地减少，所以说地表最大下沉值也会不断减小，这说明条带充填法的充填率，对于采空区范围的地表下沉量有明显的影响。

2.2 充填率对地表倾斜的影响

分别比较5 种条带充填的充填率和地表倾斜变化与最大倾斜值的关系，总结得出图5 和图6。

图5 地表倾斜曲线图

图6 充填率与倾斜极大值关系

由图5 可以看出，5 种不同充填率下，采空区范围地表下沉的倾斜曲线类似于正弦三角函数形态。当X=0～350m 时，倾斜值为正值，倾斜正极值出现在X=225m 附近，倾斜正极值分别为：i=1.78mm/m、i=1.60mm/m、i =1.42mm/m、i =1.25mm/m、i =0.86mm/m；当X=350～700m 时，倾斜值为负值，倾斜负极值出现在X=475m 附近，倾斜负正极值分别为：i = -1.78mm/m、i=-1.60mm/m、i=-1.42mm/m、i=-1.25mm/m、i=-0.86mm/m。下沉曲线的拐点偏移距大约在20～30m之间，即X=225m 和X=475m 附近；在下沉盆地边缘到拐点范围内，地表受到的拉伸作用逐渐增强，故地表倾斜的数值越来越大；从拐点到第一个倾斜极值点，地表逐渐受压缩作用影响，因此地表倾斜的数值逐渐减小。

由图6 看出，随充填率的增加，不同开采方案的地表倾斜极大值呈线性减小。当充填率在64.5%～69%时，地表倾斜极大值（最大绝对值）显著减小。

目前，我国砖混结构建筑物损害等级Ⅰ、Ⅱ级的临界倾斜值为3mm/m，显然这5 种条带充填开采方案的地表倾斜值远小于Ⅰ、Ⅱ级损害的临界值，由此可见，条带充填开采可以有效控制地表的下沉移动和倾斜，减小地表建筑物的损害程度。

3 结 论

1）在充填体的物理参数一定的情况下，如果充填率降低，那么采空区范围的地表下沉量会相应升高。且当充填率达到64.5%～69%时，采空区范围地表下沉量快速降低。

2）对于地表倾斜量的问题，合理增长充填率，不同开采方案的地表倾斜极大值呈线性减小。当充填率由64.5%～69%时，地表倾斜极大值（最大绝对值）呈显著减小趋势。

3）条带充填开采方案的地表倾斜值远小于Ⅰ、Ⅱ级损害的临界值，由此可见，条带充填开采可以有效控制地表的下沉和倾斜问题，减小地表建筑物的损害程度。