煤矸石充填开采地表沉陷变形规律研究与分析

2024-02-04武少鹏

煤 2024年2期

武少鹏

(潞安化工集团安全管理部,山西长治 046204)

随着煤炭开采规模的不断发展和扩大,人们逐渐发现了采煤沉陷对人类生产生活造成的影响,并于19世纪末开始对采煤沉陷相关理论进行研究[1]。国内外研究内容主要集中在:通过现场观测与监测建立多种地质条件下的地表移动变形曲线及地表下沉预计函数,运用多种力学原理解释矿压显现规律,分析采煤对覆岩及地表移动变形规律的影响,提出采空区的多时空角度治理措施等[2]。

近年来,随着计算机技术的发展,数值模拟技术逐渐成熟并成功应用到开采沉陷预计中,为研究更加复杂地层条件下的覆岩移动规律提供了便捷手段。

某煤矿为有效解放村庄压煤,采用了综采工作面采空区矸石充填开采方式。要确保村庄民房微小破坏,甚至是不受破坏,控制地表变形就要在一个合理的范围内。因此,研究地表变形量就成了矸石充填开采是否成功的关键。

1 工程概况

某煤矿所选充填区域布置3个短壁充填回采工作面,分别为3211、3212、3213工作面,开采的煤层主要为3号煤层,平均煤厚1.81 m,埋深约为556 m,倾角平均5°.充填区域倾斜长205 m,每个工作面设计采长65 m,走向长340～390 m.

2 充填开采地面沉陷变形的数值模拟

2.1 数值模拟理论基础

连续曲形梁理论:固体充填开采工作面上覆岩层的自重应力由充填体与四周围岩共同承载,顶板及上覆岩层随工作面推进缓慢弯曲下沉,密实充填率达到一定条件时上覆岩层不再垮落,仍然保持着连续的特征,形成连续曲形梁,连续和弯曲的岩梁支撑着上覆岩层,控制着关键层的下沉,从根本上改变了传统的上覆岩层移动与矿压显现规律。

连续曲形梁的特征表现为:①保持几何形态连续,即不发生断裂和垮落,随工作面推进呈弯曲变形和均匀下沉的形态,有利于减轻地表破坏(对地表破坏严重的是非均匀下沉);②保持力的连续传递,即将上覆岩层压力持续地传递至工作面前方煤壁和后方压实的充填体上,从而减轻了支架的承载压力。

物理试验和工程实践表明:密实充填率为60%时,上覆岩层产生断裂和离层,下沉量较大;密实充填率为70%时,上覆岩层产生非贯通性裂隙,且不再发生明显离层;密实充填率为80%时,上覆岩层仅产生微小裂隙,呈整体弯曲、均匀下沉形态,且下沉量较小。

2.2 物理模型设计及参数校正

根据某煤矿充填开采区域附近的地质钻孔参数进行有限元数值建模,物理模型尺寸为1 500 m×1 500 m×600 m(长×宽×高)(图1),煤层平均埋深为550 m,本次模拟采高为2.5 m,工作面采长为65 m,走向推进400 m,矸石充填体弹性地基系数一般为5～25 MN/m3,洗选矸石一般为5～10 MN/m3,破碎后的掘进矸石一般为10～25 MN/m3,掘进矸石粒径小、末状多,力学性能优于普通掘进矸石,弹性地基系数取15 MN/m3(图1)。边界条件为上边界自由、下边界固定、四周辊支承,为提高计算精度,划分1 159 835个超细网格,采用奥普雷斯I9-9900K主机RTX2080服务器计算。

图1 地表沉陷数值模型设计

传统的地表变形预计常采用概率积分法[3],该方法的理论基础是非连续颗粒介质理论,假设条件是上覆岩层垮落、断裂形成非连续块状结构,适用于垮落法开采。对于充填开采地表变形预计,连续的有限元数值计算方法更为适用,但该方法的均质性假设会给预计结果造成一定误差,将数值计算结果与相邻开采、地质条件下的地表实测数据比较,形成校正系数,以此对充填开采区域的地表变形计算值进行校正,形成更为精确的结果[4]。

对邻近3207工作面数值模拟预测和实测结果进行校正,形成校正系数,进而对3211、3212、3213工作面充填开采地表沉降进行预测。对3207工作面开切眼处地表最大下沉点B6测点进行校正,B6测点下沉量为-285 mm,垮落法开采后校正线处地表沉陷数值计算结果为-243 mm(图2),校正系数为1.17.

图2 3207工作面垮落法开采地表沉陷计算-校正曲线

2.3 数值模拟预测结果分析

模拟充填开采时,首先开采3211工作面,为提高模拟精度,采用参数化扫描,边采煤,边充填,扫描步距0.8 m,直到完成整个工作面充填作业,再顺次充填开采3212、3213工作面,利用校正系数将数值计算结果校正后得到地表沉陷变形规律(图3～图7)。

图3 充填开采后地表沉陷量曲线

图4 充填开采后地表水平移动量曲线

图5 充填开采后地表水平变形量曲线

图6 充填开采后地表倾斜变形量曲线

图7 充填开采后地表曲率变形量曲线

3213工作面充填开采后,地表沉陷值达到最大,随煤层倾向,地表最大沉陷量为0.205 m,地表最大水平移动量为0.062 m,地表最大水平变形量为0.41 mm/m,地表最大倾斜变形量为0.40 mm/m,曲率最大变形量为0.002 6 mm/m2.

2.4 地表沉陷变形实测验证

在工作面推进方向和倾斜方向各布置5条主要测线,形成115个关键测点,定期采集监测数据。充填开采之前,对观测线进行一次全面观测作为初始数据;工作面充填期间,沉降观测的间隔为1周观测1次,充填结束后观测频率密度降低,具体测量时间根据地表沉陷变形速率确定;地表变形稳定后进行最后一次全面观测作为最终数据。

经过地表沉陷实地监测,发现地表最大水平变形绝对值为0.61 mm/m,最大倾斜变形绝对值为0.49 mm/m,最大曲率变形绝对值为0.013 6 mm/m2(表1),虽然各项实测数值比数值模拟预测的值大,但完全满足国家标准Ⅰ级变形指标。

表1 充填开采后地表沉陷数值模拟与实地监测对比

3 煤矸石充填开采对地面沉陷影响评价

某煤矿在3211、3212、3213工作面实施煤矸石充填开采的目的在于解放村庄压覆的煤炭资源,同时减缓村庄的沉降。村庄内建筑物主要为单层砖混、砖瓦或砖木结构民房。根据矿区建(构)筑物的重要性、用途及受开采影响引起的不良后果,矿区范围内的建(构)筑物保护等级分为五级(2017年“三下”规范),见表2.依据村庄地表建筑情况,本次设防标准设定在III级村庄砖瓦民房范围内。

表2 矿区建筑物保护等级划分

一般情况下,地下开采将导致地表发生下沉、水平移动、倾斜、曲率变化等,地表的移动与变形通过基础传递给建筑物,从而在建筑物内部产生附加应力。此时,一方面建筑物随地基变化产生相应的移动与变形;另一方面,当建筑物内附加的应力超过其结构承受能力时,将导致建筑物的破坏。根据我国原国家煤炭工业局[2000]第81号文颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第27条砖混结构建筑物损坏等级的规定,可根据建筑物破坏程度和地表变形值将建筑物破坏划分成四个等级(Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级),其中Ⅰ级对应的建筑物损坏程度为自燃间砖墙上出现宽度1～2 mm的裂缝,自燃间砖墙上出现宽度小于4 mm的裂缝,多条裂缝总宽度小于10 mm,水平变形不大于2.0 mm/m,曲率不大于0.2 mm/m2,倾斜不大于3.0 mm/m.

依据井下开采引起的地表建筑物变形标准,对煤矸石充填开采后地表沉陷指标进行数值模拟预测,将主要沉陷指标与国家标准Ⅰ级变形指标对比,最大水平变形绝对值为0.41 mm/m(Ⅰ级允许值≤2.0 mm/m),最大倾斜变形绝对值为0.40 mm/m(Ⅰ级允许值≤3.0 mm/m),最大曲率变形绝对值为0.002 6 mm/m2(Ⅰ级允许值≤0.2 mm/m2),开采后远小于Ⅰ级允许值,由此可见,煤矸石充填开采对地表减沉有明显的控制作用。