人工湖下连采连充煤炭开采地表移动变形预测研究

张国建 孟浩 熊威 白涛 孟现臣 王军 吕晓

摘要：為研究人工湖下煤炭连采连充开采后的地表移动变形规律，对连采连充工作面进行了室内力学试验和现场取芯力学试验，验证充填体的可行性；基于等价采高概率积分法，对连采连充工作面进行地表沉陷预测；通过数值模拟计算，分析导水裂缝带发育高度，并与概率积分法结果进行对比。结果表明：充填体的强度5.063 MPa超过设计强度2.0 MPa，能够确保矿井的安全开采；连采连充工作面开采后，地表倾斜值极值0.3 mm/m，地表水平变形极值-0.2 mm/m，小于砖混结构建筑I级损坏范围，周围地表沉陷平缓，无安全隐患；导水裂缝带发育高度约49.7 m，距离隔水层约160.3 m，水下采煤安全，FLAC3D数值模拟和概率积分法结果比较接近，验证连采连充技术可有效减缓地表移动变形。

关键词：连采连充；充填体；地表移动变形预测；概率积分法；数值模拟

中图分类号：TD823   文献标志码：A   文章编号：1002-4026（2023）05-0033-11

Predicting surface movement and deformation for continuous mining and continuous backfilling under an artificial lake

ZHANG Guojian1，2a，3，MENG Hao1*，XIONG Wei4，BAI Tao5，MENG Xianchen5，WANG Jun2b，LV Xiao2b

（1.School of Environment and Spatial Informatics， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China;2. a.School of Surveying and Geo-Informatics; b. School of Civil Engineering， Shandong Jianzhu University，Jinan 250101， China; 3. Technology Research Institute of Shandong Energy Group， Jinan 250101， China;4. Shandong Road and Bridge Engineering Design Consulting Institute， Jinan 250000， China;5. Inner Mongolia Yuxing Mining Institute， Chifeng 016064， China）

Abstract∶To investigate surface movement and deformation characteristics due to continuous mining and continuous backfilling （CMCB）of coal under artificial lakes， laboratory and field coring mechanical tests were conducted on the CMCB area to verify the feasibility of the filling body. Based on the equivalent mining height probability integration method， the surface subsidence of the CMCB area was predicted. The height of the water-conducting fracture zone was analyzed using numerical simulation， and its results were compared with those of the probability integration method. The results show that the strength of the filling body is 5.063 MPa， which is higher than the designed strength of 2.0 MPa， ensuring safe mining.Owing to continuous mining and backfilling in the area， the maximum inclination value of the surface was 0.3 mm/m and the maximum horizontal deformation value of the surface was -0.2 mm/m， respectively， which is less than the range of grade Ⅰ damage to brick and concrete structures. The surrounding surface subsidence was gentle， and there was no safety hazard. The height of the water-conducting fracture zone was about 49.7 m，and the distance from the waterproof layer was about 160.3 m， indicating the safety of underwater coal mining. Results of the FLAC3D numerical simulation and probability integration method were close， thereby verifying that the CMCB technology can effectively slow down surface movement and deformation.

Key words∶continuous mining and continuous backfilling;backfill; surface movement and deformation prediction; probability integration method; numerical simulation

在河流、湖泊、池塘、水库等水体下方进行的采煤工作叫做水体下采煤。在我国，水体下采煤曾引起多次突水安全事故，造成严重的经济损失和人员伤亡。充填开采是进行水体下安全采煤的有效防治措施，是煤矿绿色开采的研究方向之一[1-3]。當采空区采用充填法管理顶板时，可有效抑制采煤引起的导水裂缝带发育，减轻工作面支撑压力产生的矿压显现，减缓地表沉陷，实现水体下安全采煤。因此，研究水体下充填采煤技术具有重要的理论价值和研究意义。

近些年来，许多学者对采煤引起地表沉陷的控制方法进行研究。在充填开采方面，王炯等[4]根据实测数据资料对花园煤矿充填开采地表沉陷预计参数进行计算反演，研究出充填开采岩层移动变形特征。郭广礼等[5]通过相似材料模拟和数值模拟实验探究了充填开采的地表沉陷规律，发现充填开采岩层下沉缓慢，上覆岩层破坏程度较低，仅在采空区附近发育一定范围的裂缝带，且发育高度有限。在条带开采方面，王冰等[6]采用数值模拟的方法，提出煤层错动系数用于解释条带开采的地表移动变形、上覆岩层的应力变化规律。殷和健等[7]采用理论分析和数值模拟，设计出采留比的优化设计方案，研究在特定地质采矿条件下的条带开采最佳采宽和留宽。但是利用充填开采管理顶板时，需要专门的充填材料及充填系统，这会额外增加开采成本；而条带开采往往会造成煤炭资源的浪费，煤炭采出率低，工作效率低。针对上述问题，国内有学者提出了全负压式连采连充采煤技术[8]。经过多年来的理论研究和现场工程应用，不断改进充填采煤工艺、研制相应的采充系统，形成了比较完善的煤矿连采连充式充填采煤技术。

本研究验证了赤峰市某矿连采连充技术充填体的可行性。采用等价采高概率积分法预测地表移动变形。同时，使用FLAC3D软件模拟了煤矿连采连充数值模型，分析了导水裂缝带高度，并将其与概率积分法结果进行对比。通过综合实验和数值模拟方法，研究了人工湖下煤炭连采连充后地表移动变形，提供了地表沉陷预测，验证了技术的安全性和有效性。

1 煤矿概况

1.1 采区概况

该煤矿位于内蒙古自治区鄂托克旗境内，行政区划归赤峰市鄂托克旗棋盘井镇镇政府管辖。矿区属温带半荒漠大陆性气候区，日照丰富，太阳辐射强烈，年总降水量小于200 mm，蒸发量大。矿区地势北高南低。图1为矿区综合水文柱状图，下二叠系中下统和上石炭中下统为本区主要含煤地层，含2～16号共13个煤层。主要由灰色中粒砂岩，杂砂泥岩，细砂岩，灰色中粒、细粒砂岩，灰黑色砂泥岩，灰色粗粒、细粒石英砂岩，泥岩和煤层组成。

1.2 连采连充工作面

连采连充工作面的开采厚度4.5～6.6 m，平均6 m，煤层倾角在6°～14°，平均8°。井下标高+1 134 m，地面标高+1 314 m，位于棋盘井镇镇政府以西500 m处，工作面周围地形多为丘陵，地面无大型建筑。工作面由相邻布置的若干采场支巷和保护煤柱组成，间隔5 m分别布置采场支巷和保护煤柱，形成奇数巷和偶数巷的相邻对称的布置局面。连采连充采场可选择长壁式工作面形式布设回风巷、运输巷及开切眼，使工作面整体上形成负压通风模式。在实际生产开采作业过程中，采用大型综采设备进行开采，无轨化轮胎煤车牵引运输煤炭。开采之前，将采场支巷划分成2～5个开采阶段，为确保充填和开采始终处于稳定且独立的作业空间内，采场支巷在同一开采阶段需要彼此独立，并保持一定距离的间隔，采场支巷在同一开采阶段需采用连续采煤设备依次进行开采，并对采煤结束的采场支巷立即密闭并迅速充填，使得工作面呈现出连采连充的作业模式，直至所有采场支巷开采并充填完成[9-11]。

2 充填体物理力学性能

2.1 室内力学试验

矸石、水泥、粉煤灰、水的质量分数分别为：77.5%、7.0%、5.0%、10.5%，选取立方体28 d试块取标准岩芯后在实验室做了围压为1、3 MPa三轴压缩试验，试验结果见图2，试验强度极限、残余强度结果如表1所示。

2.2 现场取芯力学试验

本次试验以该矿的连采连充工作面作为工程实践背景，旨在研究充填体的力学性能。因此在现场分别钻取了10、30、60 m深度的钻孔已获取充填体试样。在取芯后，立即进行了密封保存，以最大程度地防止风化并保持原貌。由于本节主要考察充填体的强度，因此主要完成了与单轴抗压强度相关的试验数据，即从现场取得的部分充填体试块，加工成标准充填体试样进行单轴压缩试验，图3所示为充填体试块及标准试件，充填体单轴压缩试验结果见表2。

根据《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB 51180—2016）[12]中要求，综合考虑煤矿地质采矿条件，要求充填体的最终单轴抗压强度不低于2.0 MPa。现场取芯力学试验中，对连采连充工作面5# 10 m、9# 10 m、5# 30 m、9# 30 m、5# 60 m、9# 60 m进行了现场取芯，并进行了单轴压缩试验，结果表明：现场取样充填体单轴抗压强度平均为5.093 MPa。通过不同位置、不同区段的充填体取芯试验表明，煤矸石通过连采连充工艺充填后，充填体的强度超过设计强度2.0 MPa，能够确保矿井的安全开采。

3 连采连充地表移动变形预测

3.1 预测方法

本文采用等价采高概率积分法进行变形预测。在采用传统的完全垮落法处理采空区时，上覆岩层下沉和地表移动变形程度主要是由煤层实际采高决定。在相同地质采矿条件下，对矿区进行充填开采，充填采空区的充填体会占据上覆岩层一部分有效下沉空间，从而控制上覆岩层的下沉和移动变形，使得上覆岩层下沉和移动变形的主控因素变成了由实际采高减去充填体高度后的剩余高度，这被称为等价采高[13]，如图4所示。

假设岩层和岩体介质是由众多微小的颗粒单元组成的介质，这些颗粒单元之间没有联系，保持着独立性。大量单元颗粒介质之间的相互移动被视为一个随机过程。在水平煤层条件下，单元开采导致单元下沉盆地的剖面形态呈正态分布概率密度函数。这一方法被称为概率积分法。通过查询相关资料，我们发现所研究煤矿开采引起的沉陷与概率积分法预测模型是相符的。

利用基于等价采高的概率积分法，可以预测充填开采引起的地表移动变形，预测公式如下：

式中：w（x）、i（x）、k（x）、u（x）、ε（x）分别表示为地表下沉、地表倾斜、地表曲率、地表水平移动、地表水平变形，r表示为主要影響半径，W0表示为最大下沉值，b表示为水平移动系数。

根据等价采高原理，可以利用等价采高代替实际采高，然后应用概率积分法进行地表沉陷预测。这种方法被称为基于等价采高的概率积分法，其预测参数可以通过对实测地表移动变形数据进行拟合计算来确定。

3.2 预测参数选取

矿井在二采区东翼9#煤层充填开采过程中均设置了地面移动观测站，故本次预测参数的选取参考二采区东翼9#煤层充填开采时的观测数据。通过对观测的下沉曲线进行拟合计算，其拟合结果见拟合曲线函数图5，相关系数为0.965 25，满足精度要求，得到充填开采概率积分法预计参数：下沉系数q=0.5、水平移动系数b=0.2、主要影响角正切tan β=1.8、开采影响传播角θ=87°、拐点偏移距S=0 m。

3.3 地表移动变形预测

基于等价采高概率积分法，采用表4充填开采预测参数，使用山东科技大学特殊开采研究所设计的岩移数据处理系统进行计算，得到连采连充地表移动变形数据，利用Surfer软件绘制地表移动变形等值线图。连采连充工作面充填开采后地表下沉及水平移动等值线图如图6所示。

连采连充工作面充填开采后，地表最大下沉值34.0 mm；走向方向地表倾斜极值0.2 mm/m，倾向方向地表倾斜极值0.3 mm/m；走向方向地表水平移动极值7.0 mm，倾向方向地表水平移动极值11.0 mm；走向方向地表水平变形极值-0.1 mm/m，倾向方向地表水平变形极值-0.2 mm/m。远小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》[14]中的砖混结构建筑Ⅰ级损坏范围（水平变形<2.0 mm/m；i<3.0 mm/m）。连采连充工作面充填开采后，观光塔区域地表沉陷平缓，无安全隐患。

4 数值模拟

4.1 数值模型建立

根据连采连充工作面的地质采矿条件，对岩层的厚度进行近似取整，倾角简化为0°，简化后的模型沿地表方向垂直从上往下依次为：表土层、中粒砂岩、杂砂质泥岩、中粗粒砂岩、砂泥岩、细粒砂岩、煤层、砂质泥岩[15]。其模型岩层物理力学参数见表3。

为研究连采连充工作面充填开采条件下的地表下沉和地表移动变形规律，采用莫尔－库伦模型，建立数值模拟模型，模型的尺寸为1 200 m×1 200 m×218 m（长×宽×高），模型共划分为187 200个单元、307 461个节点，模型从左到右开采，为减小边界效应影响，左侧留设200 m，一次开采170 m，共充填开采4次，推进长度800 m，模型底部边缘沿y轴方向位移是恒定，两侧边界边缘沿x轴方向位移是恒定，而模型顶部不设置位移约束条件，为自由表面[16]。建立的数值模型见图7所示。[]

4.2 数值模拟结果分析

经过图8和图9的数值模拟结果以及塑性区导水裂缝带分析，随着充填开采次数的增加，上覆岩层的塑性区破坏程度逐渐加剧，导水裂缝带的发育高度与之呈正相关。在工作面开采完毕后，导水裂缝带的发育高度约为49.7 m。此后高度基本稳定，由此得出FLAC3D模拟的导水裂缝带最大发育高度为49.7 m。

选取模拟数值49.7 m作为该连采连充工作面的导水裂缝带发育高度，人工湖处的煤层埋藏深度在204～210 m左右，最小的防水安全煤柱的高度为154.3 m，符合防水安全煤岩柱的高度要求，导水裂缝带不会波及人工湖。数值模拟塑性区显示，煤层顶板以弯曲下沉为主，不存在垮落带，上覆岩层仅产生少量断裂隙，主要集中在煤层上方0～3 m，故人工湖不会对工作面开采产生影响，湖水不会流入矿井下，可实现水下安全开采[17]。

利用FLAC3D软件建立数值模型，提取在连采连充工作面充填开采后的地表下沉值和地表水平移动值。图10是利用Origin软件绘制出的连采连充工作面开采后的地表下沉和地表水平移动曲线图。本研究比较了两种不同的方法：一种是基于FLAC3D软件的数值模拟，另一种是基于等价采高概率积分法的分析。对这两种方法的相对误差进行对比，旨在评估它们在解决采煤引起的地表沉陷问题时的一致性和准确性。具体结果见表4。

由表4可知，用FLAC3D软件模拟的连采连充工作面开采后产生的地表最大下沉值是28.742 2 mm，地表最大水平移动是9.701 6 mm，而利用等价采高概率积分法求的地表最大下沉值是34 mm，地表最大水平移动是11 mm。两种方法地表最大下沉值相差5.257 8 mm，相对误差约为16.8%，地表最大水平移动相差1.298 4 mm，相对误差约12.5%；[JP]利用概率积分法求的地表下沉和水平移动均大于数值模拟结果，其产生误差的原因可能是利用FLAC3D进行数值模拟岩层时，其复杂岩体的裂缝、节理等因素未充分考虑、未能着重考虑时间效应等非采动因素造成的沉陷，造成数值模拟结果偏小。假如考虑上述因素，相对误差将进一步减小，概率积分法和数值模拟的结果也可以进一步验证出连采连充技术可以有效减缓地表移动变形。

4.3 地表沉陷机理解释

如图11（a）所示，常规垮落法对顶板进行管理，在工作面推进过程中，由于上覆岩层压力增加和岩层自身重力影响，顶板会因为开采空间的增大，产生向下的弯曲变形。当顶板上覆岩层极限荷载压力小于其上覆岩层压力时，会使顶板产生破碎和断裂现象，形成许多的碎块岩石，杂乱地堆积在采空区内，形成垮落带。由于开采空间的进一步增大，更会出现离层和断裂问题，形成断裂带。水下采煤时，垮落带和断裂带合称导水裂缝带。这个现象会在开采过程中循环发生，直至上覆岩层和垮落的破碎岩石重新达到应力平衡后结束，在断裂带之上形成弯曲带[18]。

如图11（b）所示，工作面采用连采连充技术时，充填体主要由开采出的煤矸石和其他废料组成。采空区的充填体占据了上覆岩层的一部分有效下沉空间。上覆岩层在下沉过程中很快接触到充填体，在充填体的支撑作用之下，整个上覆岩层的下沉速度将逐渐变得缓慢，在充填体逐渐被压实后，其承载应力迅速增加、压缩变形逐渐减小并最后趋向于稳定。在充填体支撑作用限制下，上覆岩层垮落空间极小或无垮落空间，仅发育断裂带和弯曲带，导水裂缝带发育高度低，有利于水下安全采煤[19]。因此在连采连充工作面开采时，上覆岩层沉陷缓慢，这就是连采连充技术可以有效减缓地表移动变形的原因。

5 结论

本文以赤峰市某矿连采连充技术为例，通过充填体力学实验，采用等价采高概率积分法对连采连充工作面进行地表沉陷预测，结合数值模拟实验，深入研究了连采连充技术减缓地表沉陷的机理，得到以下主要结论：

（1）通过室内力学试验和现场取芯力学试验，充填体单轴抗压强度平均为5.093 MPa，煤矸石通过连采连充工艺充填后，充填体的强度超过设计强度2.0 MPa，能够确保矿井的安全开采。

（2）根据煤矿二采区东翼9#煤层实测数据，拟合反演出预测参数，基于等价采高概率积分法，使用岩移数据处理系统进行计算，对连采连充工作面开采后进行地表沉陷预测，地表倾斜值极值0.3 mm/m，地表水平变形极值-0.2 mm/m，小于砖混结构建筑Ⅰ级损坏范围。工作面充填开采后，地面沉陷平缓，无安全隐患。

（3）利用FLAC3D软件，模拟连采连充工作面开采，分析塑性区导水裂缝带发育高度，可实现水下安全采煤，模拟结果与概率积分法结果对比，验证连采连充技术可以有效减缓地表移动变形。

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