劉程

（安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

我國的能源結(jié)構(gòu)主要以煤炭為主，煤炭在能源產(chǎn)出和消費中占據(jù)著主體地位，可傳統(tǒng)的垮落法開采煤炭方式卻會帶來煤炭資源采出率不高、地表沉陷等一系列問題。隨著綠色發(fā)展理念的深入，對煤礦的開采應(yīng)用綠色開采技術(shù)符合環(huán)境友好、安全可靠的發(fā)展理念。充填開采作為綠色開采技術(shù)之一，不僅提高了煤炭的采出率還有效的解決了地表沉陷等問題，很大程度上解放了“三下一上”壓煤，延長了礦井的服務(wù)年限，實現(xiàn)安全綠色置換煤炭資源的目的，具有生態(tài)、經(jīng)濟和社會等多重效益，是實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)、煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和綠色安全高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。

郭傳超對充填開采地表沉陷影響因素進行了正交試驗，研究了煤層傾角、采寬、采厚、充填率充填開采中對地表移動的敏感性。張濱對條帶充填開采充填率對地表移動影響因素進行了研究，得出了不同充填率下主斷面地表移動變形的下沉值、傾斜值、曲率值、水平變形值的變化情況。上述文獻研究了不同的因素對開采時地表變形規(guī)律產(chǎn)生的影響。在現(xiàn)實開采中由于開采條件、所處地質(zhì)環(huán)境條件的不同，還需要依據(jù)所開采的條件進行相關(guān)的研究。

1 影響充填開采地表沉陷的因素

煤礦進行充填開采過程中，影響充填開采效果的因素有很多，其中受充填技術(shù)、充填材料和煤礦地質(zhì)條件的影響最大，而煤礦的覆巖巖性、煤層厚度和傾角等地質(zhì)條件是人為不可改變的。現(xiàn)實中煤礦一旦確定了充填方案，對于充填所涉及的充填材料也會根據(jù)現(xiàn)實條件確定下來，改變也會增加充填開采的成本。因此，從充填技術(shù)進行研究，對比分析工作面采用不同開采寬度、工作面推進距離、工作面推進速度進行開采時的地表沉降特征，從而得到有利于充填開采的最佳方案。

2 充填開采地表變形規(guī)律數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

為了方便研究，構(gòu)建了基本底、直接底、煤層、直接頂、基本頂?shù)哪Ｐ?，其余未?gòu)建的煤層以上巖層通過施加相應(yīng)的應(yīng)力來達到效果，此次數(shù)值模擬采用莫爾-庫倫模型，模型的尺寸大小為200m×56m×110m（長×寬×高），相應(yīng)巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體的物理力學(xué)參數(shù)

該模型的邊界條件為：對X 軸和Y 軸方向的兩個面以及Z軸方向的底面的自由度進行了約束，也就是對底面進行了固定，Z 軸方向上表面沒有任何邊界固定的限制，通過施加應(yīng)力來達到未模擬巖層的作用效果。

2.2 數(shù)值模擬開挖方案的設(shè)計

為研究充填開采地表移動和變形規(guī)律，總結(jié)充填開采地表變形規(guī)律的異同，為深部“三下”開采提供依據(jù)和支撐，結(jié)合固體充填開采地表變形的影響因素，對比研究工作面采用不同開采寬度、工作面推進距離、工作面推進速度進行開采時的地表沉降特征，具體的開挖方案如表2。

表2 數(shù)值模擬開挖方案

2.2.1 為研究不同開采寬度對充填開采地表移動規(guī)律的影響，設(shè)計了工作面推進速度、推進距離一定下開采寬度分別為30m、50m、70m 的數(shù)值模擬模型。

2.2.2 為研究不同工作面推進速度對充填開采地表移動規(guī)律的影響，設(shè)計了工作面推進距離、開采寬度一定下不同工作面推進速度的數(shù)值模擬模型，在數(shù)值模擬中工作面推進速度可由相應(yīng)的計算時間步表示，時間步越小，表示工作面推進速度越快。

2.2.3 為研究不同工作面推進距離對充填開采地表移動規(guī)律的影響，設(shè)計了工作面推進速度、開采寬度一定下工作面推進距離分別為16m、36m、56m 的數(shù)值模擬模型。

2.3 充填開采地表變形數(shù)值模擬結(jié)果及規(guī)律分析

2.3.1 開采寬度對地表變形規(guī)律影響分析

為研究不同開采寬度對開采時覆巖運移的影響，分別模擬了不同的開采寬度條件下覆巖運移情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到了不同的開采寬度條件下的垂直方向位移圖，如圖1-3。

圖1 開采寬度30m 時步10000 推進距離56m

圖2 開采寬度50m 時步10000 推進距離56m

圖3 開采寬度70m 時步10000 推進距離56m

由圖1-3 可知：在對煤層開挖后還未進行充填的情況下，當(dāng)開采寬度較小時，采空區(qū)上方的覆巖在工作面前方未開挖媒體及液壓支架的支撐作用下，上覆巖層的移動空間及運移程度都較小，其所導(dǎo)致的地表變形相應(yīng)較小，可知開采寬度較小時地表沒有達到充分采動。當(dāng)隨著開采寬度的逐漸增大，上覆巖層的可移動空間也隨著逐漸增大，由于上覆巖層的移動，地表的變形量也會隨開采寬度的增大而增大，而且速度也逐漸加快。當(dāng)開采寬度繼續(xù)增加，尤其達到充分采動之后，此時的地表變形量反而會逐漸減小。

2.3.2 工作面推進距離對地表變形規(guī)律影響分析

為研究不同工作面推進距離對開采時地表垂直方向位移的影響，分別模擬了不同的工作面推進距離條件下覆巖運移情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到了不同的工作面推進距離條件下的垂直方向位移圖，如圖4-5。

圖4 開采寬度30m 時步10000 推進距離16m

圖5 開采寬度30m 時步10000 推進距離36m

由圖4-5 可知：在對煤層開挖后還未進行充填的情況下，與開采寬度相同，當(dāng)工作面推進距離較小時，由于地表未達到充分采動，上覆巖層的移動空間及運移程度都較小，其所導(dǎo)致的地表變形相應(yīng)較小。當(dāng)隨著工作面推進距離的逐漸增大，上覆巖層的可移動空間也隨著逐漸增大，地表的變形量也會隨著工作面推進距離的增大而增大。當(dāng)達到充分采動之后，此時的地表變形量及應(yīng)力反而會逐漸減小。工作面推進距離還可以作為地表是否達到充分采動的一個標(biāo)志。

2.3.3 工作面推進速度對地表變形規(guī)律影響分析

為研究不同工作面推進速度對開采時地表垂直方向位移的影響，分別模擬了不同的工作面推進速度條件下覆巖運移情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到了不同的工作面推進速度條件下的垂直方向位移圖，如圖6-7。

圖6 開采寬度30m 時步15000 推進距離56m

圖7 開采寬度30m 時步20000 推進距離56m

由圖6-7 可知：在對煤層開挖后還未進行充填的情況下，與開采寬度和工作面推進距離不同，隨著工作面推進速度的加快，上覆巖層的移動反而有所減小。工作面推進速度作為影響煤礦開采地表變形的重要可控因素之一，在其他條件一定的情況下，應(yīng)該對工作面推進的速度進行合理的把控。

3 結(jié)論

3.1 通過對數(shù)值模擬的模型進行分析，影響充填開采地表移動規(guī)律的因素有開采寬度、工作面推進距離、工作面推進速度。除此之外還與充填前頂板移近量、充填率、初始壓實率、充實率、充填材料自身方面、覆巖自身巖性、煤層厚度及傾角等有關(guān)。

3.2 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，開采寬度與工作面推進距離越大對地表的移動影響越大，工作面推進速度越快對地表的移動影響越小，可知：控制好開采寬度與推進距離，加快工作面推進速度，有利于事故的減少。