条带膏体充填开采地表沉陷研究

李叔磊，冯 涛，李石林

（湖南科技大学 能源与安全工程学院， 湖南 湘潭市 411201）

条带膏体充填开采地表沉陷研究

李叔磊，冯 涛，李石林

（湖南科技大学 能源与安全工程学院， 湖南 湘潭市 411201）

条带开采技术是有效解决“三下”压煤的主要技术之一。将条带开采和膏体充填两种方法有机结合，提出了条带膏体充填开采的新概念。以周源山煤矿24采区条带膏体充填开采为工程背景，基于FLAC3D软件分别对采宽、留宽均为50m的条带开采和条带膏体充填开采两种开采方案进行数值研究。研究结果表明，条带膏体充填开采的地表下沉值大于条带开采相应位置的地表下沉值，但是其下沉系数满足条带开采的允许下沉系数的要求，这说明条带开采理论应用于条带膏体充填开采中是可行的。研究结果对以后周源山煤矿24采区的充填开采有一定的指导意义，并为类似的工程实践提供一定参考。

条带开采；膏体充填；地表沉降；数值模拟

0 前 言

据不完全统计，我国“三下”压煤量达12.2Gt，其中建筑物下压煤7.83Gt，铁路下压煤1.49Gt。目前开采“三下”压煤的常用方法有条带开采和充填开采等方法［1］。条带开采实质是将被开采的煤层划分成若干条带，开采一条（即采出条带），保留一条（即保留煤柱），用留下不采的煤柱支撑顶板，以达到减小地表移动和变形的目的。条带开采属于部分开采，采出率过低，资源浪费严重［2］。膏体充填是目前发展较快、对受护对象保护效果较好的一种充填开采方法，可有效减少地面沉降，能大幅提高煤炭的采出率，还能减少矸石山、粉煤灰等工业废弃物占用田地、污染环境等问题［3］，但也直接造成吨煤成本提高。

为提高采出率，降低充填体成本，安全高效回采“三下”压煤资源，可将条带开采和膏体充填两种方法有机结合起来，即：条带膏体充填开采方法。条带膏体充填开采方法即以条带开采理论指导设计条带宽度，把条带开采中的煤柱用膏体材料置换出来，也就是对采空区进行条带式部分充填。条带膏体充填开采对采空区最终的处理和条带开采相似，均留设部分支撑体，但条带膏体充填开采中的条带膏体性能、围岩力学结构与条带开采均有差异。因此，利用数值模拟方法研究条带膏体充填开采在同样地质、同样采宽留宽条件下与普通条带开采在下沉值与下沉系数等方面的差异，以期对条带膏体充填开采的工程应用提供科学依据［4－6］。

1 工程概况及条带开采理论

1.1 工程概况

周源山煤矿24采区位于周源山井田北翼，老平庵断层以北，宝黎断层以南，属深部开采。走向长1000m，倾斜宽1100m，分别为一煤、二煤、三煤、四煤，可采煤层为一煤和四煤。24采区对应地表南与东部为山区地带，北部有宝源河、张家垅水库、洗煤焦化厂、宝源铁路、山地公路，西部有矸石电厂和其他建筑。该采区上部保护建筑物众多，已不能用全部垮落法进行开采，需采用特殊开采方法。

1.2 条带开采理论

应用条带开采时，在尽量提高采出率的原则下，合理地确定留宽和采宽的尺寸是关键问题。正确地确定条带尺寸就是要保证采后保留煤柱有足够的强度和稳定性，并将每一采出宽度限制在不使地表出现波浪式下沉盆地的范围内［7］。在此原则基础上应尽量提高采出率。国内成功的条采实例表明，采出率一般为40%～60%（即保留煤柱的面积占总开采面积的60%～32%），采宽达到采深的1/3时，地表才会出现波浪式下沉盆地，考虑到安全系数，一般采宽为H/4～H/10。留宽则跟煤柱的屈服宽带D有关。只有当留宽a＞2D时，才能保证煤柱有“核区”，煤柱的承载能力和稳定性才能得到保证。屈服宽度用下式计算：

式中，m为开采厚度；H为开采深度［2］。

条带膏体充填开采是根据计算宽度采出开采条带，采出后用膏体材料进行充填，采一条充一条，采完开采条带后采剩下的保留条带。

2 数值模型的建立与模拟方案的选取

2.1 数值模型的建立

周源山24采区走向长1000m，倾斜宽为1100 m，倾角为19°。含有四层煤，从四煤底板往上有18组煤岩层，煤岩层厚度和力学参数见表1。从表1可知，四层煤的厚度较小并且煤层间距也较小，为了简化模型将可采煤层一煤和四煤合为一组，以四煤标高为准，将不可采煤层二煤和三煤合为一组，以三煤的标高为准。为减小边界影响，模型走向比采区走向多300m，为1300m，倾斜宽为1100m，煤岩层倾角设为采区平均倾角19°。从采区剖面图可知该采区地表相对平坦，如果所有岩层均为19°将会导致地面倾斜，为使模型更接近实际情况，将上覆岩层中最厚的第三组岩层上边界取水平。在四煤底板厚度的基础上加厚50m，以减小底部边界的影响。最终模型走向长为1300m，倾斜宽为1100m，高为1054m。模型划分为179200个单元，189543个节点。模型的下边界限制垂直方向位移为零；左、右、前、后边界施以水平构造应力；上边界为自由边界。建立的模型见图1。

表1 岩石与煤物理力学参数

图1 数值模型

2.2 模拟方案的选取

本文主要研究条带开采与充填材料置换条带之后的开采沉陷，为了减少变量和方便结果分析，采出率取50%。根据条带开采的理论：采出条带小于H/3时，地表不会出现波浪变形，考虑到安全系数，一般取H/4～H/10，也就是采出条带小于H/4可达到开采要求；保留条带要大于2D，D按公式（1）计算。该模型最大开采深度为1004m，采厚为2.82 m，计算可知开采条带宽小于251m，保留条带大于28.31m。由于煤层倾角为19°，倾角较大，采用倾向条带。在采出率为50%、条带宽带为50m的情况下进行数值模拟分析。方案一，开采10个50m的条带，留10个50m的条带。方案二，先采方案一中不同的10个条带，采一条充一条，充填开采后再采剩下的10个条带。膏体充填材料有较好的流动性并且煤层倾角较大且采用走向条带，可按充填率为100%进行计算。方案二是边采变充，在充填前空顶范围较小，且两边有煤柱支撑，因此顶板下沉较小，主要变形来自于全部开采后，故不考虑充填前顶板下沉。充填体力学参数见表2。两种方案计算时监测沿走向方向的3个剖面地表下沉值，3个剖面分别为距下山边界50m的剖面、采区中点剖面和距上山边界50m处的剖面，并且依次命名为a、b、c剖面。监测点每50m设1个，每个剖面有27个监测点。

表2 充填体力学参数

3 模拟结果分析

在FLAC3D中对两种方案的计算结果进行切片操作得a、b、c三个剖面的下沉图，如图2～图4所示。根据每个剖面监测点的数据绘制地表下沉曲线图，如图5～图7所示。

图2 a剖面下沉图

图3 b剖面下沉图

图4 c剖面下沉图

图5 a剖面地表下沉曲线

图6 b剖面地表下沉曲线

图7 c剖面地表下沉曲线

从图2～图4中可知：方案二同一剖面的地表对应位置下沉值大于方案一；每个方案中3个剖面下沉数值从大到小排列为a＞b＞c。方案二下沉大于方案一是因为方案二中充填体强度和稳定性比煤差，并且方案二有二次采动的影响。下山方向下沉大于上山方向是由于保留条带和充填条带宽度是上下一致的，但是下山方向采深较大，相应的受力也较大，因此下山方向煤柱和充填体的压缩也相应的大于上山方向。

从图5～图7可以看出，a剖面中方案一地表最大下沉值为140mm，方案二地表最大下沉值为200 mm；b剖面中方案一地表最大下沉值为130mm，方案二地表最大下沉值为180mm；c剖面中方案一地表最大下沉为110mm，方案二地表最大下沉为160 mm。方案二地表下沉大于方案一，但是差别不是太大。条带开采下沉系数为0.03～0.15［2］。本次计算采厚为一煤和四煤之和，为2.82m，方案二最大下沉值为0.18m，下沉系数为0.06，在条带开采下沉系数范围之内，并且地表没有出现波浪下沉盆地。如果要达到方案一的效果，应该加大充填条带的宽度或者减小采出条带的宽度，也就是减小条带开采的采出率的大小。根据以上分析可知，用条带开采理论分析确定的条带宽度，充填开采后符合条带开采规律，条带开采理论可用于指导条带充填开采。

4 结 论

通过FLAC3D对条带开采和条带膏体充填开采这两种开采方案进行数值计算，对比两种方案开采后的地表下沉值和下沉系数，得出以下结论：

（1）通过FLAC3D对两种方案进行数值计算，计算结果与条带开采允许下沉系数的比较可知，计算结果在条带开采下沉系数允许值之间，用FLAC3D对本文中方案进行数值模拟是可行的；

（2）通过计算发现条带膏体充填开采的地表下沉值大于条带开采的地表下沉值，但是其下沉系数满足条带开采允许的下沉系数的要求，因此将条带开采理论应用于条带膏体充填开采中是可行的；

（3）将传统的条带开采理论应用于条带膏体充填开采中时，必须保障充填体的宽度，本文仅探讨了采出率为50%，开采条带为50m的情况，但是为了尽量降低充填成本，充填体宽度存在一个最优的问题，对充填体宽度的优化需要进一步的研究。

［1］ 蒋 坤，许家林，朱卫兵，等.条带采宽对地表沉陷影响的数值模拟研究［J］.矿山测量，2005（4）：51－53.

［2］ 孙文华.三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册［M］.北京：中国煤炭出版社出版，2005.

［3］ 崔石磊.骨架式膏体充填采空区实验研究［D］.邯郸：河北工程大学，2011.

［4］ 谢和平，周宏伟，王金安，等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析［J］.岩石力学与工程学报，1999（4）：397－401.

［5］ 马 超，茅献彪，张 春，等.掘进顺序对充填巷采煤柱稳定性的影响研究［J］.矿业研究与开发，2012，32（1）：55－58，94.

［6］ 王海峰.基于FLAC的采空区地表变形及充填效果模拟分析［D］.北京：中国地质大学，2011.

［7］ 袁 坚，冯 涛，刘金海，等.条带采宽及留宽对地表沉陷影响的研究［J］.采矿与安全工程学报，2007，24（1）：88－91.

2012－06－08）

李叔磊（1988－），男，河南安阳人，硕士研究生，从事煤矿“三下”充填开采方面研究，Email：723395382＠qq.com。