周雨垚，谢小平，黄省，王菊，梁芳
贵州六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州，六盘水，553004
摘要：煤矿膏体充填开采是一种有效的解决煤矿开采对水资源、土地资源、建筑物等造成破坏的开采方法，相对于其它垮落法开采、条带开采、离层区注浆、水砂充填等开采技术而言，具有安全性高、采出率高、环境友好等优点。本论文从理论和实践上，着重研究了膏体充填开采岩层移动变形与地表沉陷控制的相关问题，采用数值计算的方法，分析了充填开采时顶板岩层的移动变形过程及支承压力分布特征，并对充填开采覆岩变形破坏进行了分类，明确了充填开采岩层控制的关键是控制直接顶及下位老顶的移动变形。
关键词：膏体充填；采空区；矿山压力；地表沉陷；数值模拟；
中图分类号：TD 823 文献标识码：A
1 工程概况
膏体充填的试验地点矿井田北翼-300 m水平至-190 m水平之间的14259工作面，埋藏深度352～407 m，地面标高为+197 m，工作面标高为-155 ~ -210。储量29.5万t。原方案采用条带开采，开采条带宽45m，煤柱条带宽75m，两层煤垂直重叠布置，共布置8个工作面如图1-1所示。其中，野青布置四个，分别是14457、14459、14461、14463条带工作面，大煤布置4个，分别是14257、14259、14261、14263条带工作面。目前，野青的四个条带工作面（14457、14459、14461、14463）已经采完；大煤14257垮落法放顶煤条带工作面也已经采完。
14259工作面开采2#煤层，顶板为二级II类，工作面顶底板柱状图如图1-2所示。其中，直接顶板为粉砂岩，厚度2~14 m，直接顶垮落步距6~8 m，老顶为细砂岩，平均厚度11.25 m。底板为粉砂岩，厚度12~14 m，属于中硬。14259工作面基本为单斜构造，其上部煤层倾角较大，下部较缓，该工作面走向58°，倾向330°，煤层倾角2～13°，平均厚度5.6 m，为高瓦斯煤层。在掘进过程中共揭露32条断层，其中，大部分断层落差2 m ，倾角50°~62°。
2 数值模拟方案设计
以该矿充填区地质条件为基础，建立数值模型。模型的上边界为地表，下边界为煤层底板以下50 m，上下高度为470 m。考虑充分采动采空区长度和宽度均要达到采深的1.2~1.4倍，模型的开采宽度为600 m，为消除边界影响，左右两边各取600 m。所以，建立模型的尺寸为1800 m×470 m。
由于充填开采覆岩移动受采深、顶板和充填采高、充填体强度等因素的耦合影响，要想逐一因素进行模拟，则需要大量的篇章进行阐述，而数值模拟只是规律的总结，只需要对其规律进行显现，不需要逐个因素进行分别模拟。因此，数值模拟方案主要分两类进行：
第一类，主要考虑开采深度、顶板类型、不同采高、不同的工作面推进距离及不同充填效果条件下，充填工作面矿压显现规律及其影响因素分析。
模型中煤层的埋深分别为400 m、500 m、600 m、800 m；按照上述直接顶分类表（表3-1）选取不同的顶板类型，当采高为2 m、3 m、5 m、6 m；工作面长度分别在50 m、100 m、150 m、200 m时，分析充填工作面覆岩应力变化特征，并与垮落法对比；第二类，结合试验矿井的具体条件，研究达到充分采动时，不同充填率条件下，地表沉陷控制效果与支承压力分布特征。
数值计算模型的本构模型为摩尔—库仑模型，模型中围岩的物理力学性质，参照试验矿井该煤矿的岩层柱状该煤矿试验开采区域实际的岩体力学特性和反演法确定岩体力学性质参数。
模拟步骤：建立整体模型，原岩应力平衡计算；按照设定要求进行充填开采；计算充填开采后应力平衡。
膏体充填开采引起了工作面周围围岩应力的重新分布，数值模拟过程的循环时步，虽然不能与实际开采影响过程在时间一一对应，但数值分析中不同时步的应力、位移结果反映了实际开采过程中应力、位移的变化演变过程。在建模过程中，需要在模型覆岩中设置监测点，记录围岩的应力、位移等变量的变化。
在第一类模型中，主要是监测充填开采工作面围岩应力变化情况，第二类模型中，主要是监测充填开采地表变形情况。
在以往的数值模拟中，模型中的力学参数在计算过程中是恒定不变的。充填开采时，进入充填区的充填材料会发生胶结，产生强度，而且在达到后期（28 d）强度之前，强度逐渐增大。所以，随着工作面推进，充填面积越来越大，充填体在覆岩应力作用下被逐步压实，同时充填体的物理力学性质也随着时间的推移而增加。
3数值模拟结果分析
针对该煤矿膏体充填开采的实际情况，要控制充填率大于92 %是有一定难度的，需要综合采取上述措施。由于造成建筑物破坏的主要是地表变形，为降低充填开采时，对充填率控制的要求，对于厚煤层膏体充填开采，可采用大采高充填开采与协调开采相结合的方法进行开采，以减少开采边界上方地表变形的叠加影响或使地表变形相互抵消，实现厚煤层的不迁村充填开采，提高充填开采的生命力。
通过上述分析可知：该煤矿大煤5.6 m，若采用一次充填采全高，地表变形控制在I级指标以内，与分层开采相比，虽然地表允许下沉系数仍为0.1，但，允许下沉值由分层开采时的280 mm提高到了560 mm，对充填质量控制要求降低了，使得矛盾得到集中解决，降低了管理难度，更容易实现，而且避免了分层开采工作面搬家，提高了循环产量，增加了效益。因此，提高充填率，是降低地表沉陷的最有效途径。大采高充填开采技术将是膏体充填开采的发展方向。
参考文献：
[1]王建学，刘天泉．冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉技术的可行性研究[J]．煤矿开采，2001 (1)：45-45．
[2]赵德深，范学理．矿区地面塌陷控制技术研究现状与发展方向[J]．中国地质灾害与防治学报，2001，12(1) ：86-89．
[3]赵德深．煤矿区采动覆岩离层分布规律与地表沉陷控制研究[D]．博士学位论文．阜新：辽宁工程技术大学，2000．
[4]钟亚平．建筑物下综放开采特厚煤层覆岩离层注浆[J]．煤炭科学技术，2001，29(1)：5-7．
[5]王金庄，康建荣，吴立新．煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与应用探讨[J]．中国矿业大学学报，1999，28(4)：331-334．