固体充填开采地表沉陷规律数值模拟

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地下开采引起地表沉陷的数值模拟_廉海

Serial N o.439January .2006 矿　业　快　报EXPR ESS I N FORM A T I ONO F M I N I N G I NDU STR Y 总第439期2006年1月第1期廉　海(1980-),男,在读研究生,063009河北省唐山市新华西道46号河北理工大学研究生学院03届采矿工程专业。

地下开采引起地表沉陷的数值模拟廉　海　魏秀泉　甘德清(河北理工大学资源与环境学院) 摘　要:地下开采引起的岩层移动和地表沉陷是一个非常严重的地下工程问题。

为实现矿山的安全开采,必须对地下开采引起的上覆岩层的移动规律及其对地表移动的影响进行研究。

文中以石人沟铁矿为研究对象,运用FLA C 软件,采用数值模拟的方法,对石人沟铁矿地表沉陷数学模型的开采过程进行分步开挖模拟,并总结出了地下开采引起的上覆岩层和地表的移动规律,给出了不同开采阶段的地表动态移动曲线。

关键词:地下开采;岩层移动;地表沉陷;数值模拟中图分类号:TD 325+12 文献标识码:A 文章编号:100925683(2006)0120029204Nu m er ica l Si m ula tion of Ground Surface Subsidence Caused by Underground M i n i ngL ian H ai W ei X iuquan Gan D eqing(Schoo l of R esou rces and Environm en t ,H ebei U n iversity of Science and T echno logy )Abstract :T he strata m ovem en t and the ground su rface sub sidence cau sed by underground m in ing are seri ou s underground engineering p rob lem s .In o rder to realize safety m in ing of m ine ,it is necessary to research on the overlying fo r m ati on ’s m ovem en t ru le cau sed by underground m in ing and its effect on the ground su rface m ovem en t .T ak ing Sh irengou Iron M ine fo r exam p le ,the step digging sti m u lati on of m in ing p rocedu res of the ground su rface sub sidence ’s m athem atic m odel is researched by the FLA C softw are and the num erical si m u lati on m ethod in th is p aper .T he overlying fo r m ati on and the ground su rface ’s m ovem en t ru le cau sed by the underground m in 2ing is summ arized ,and the m oving cu rves of ground su rface dynam ic state in differen t m in ing stages are given .Keywords :U nderground m in ing ;Strata m ovem en t ;Ground su rface sub sidence ;N um erical si m u lati on1　国内外开采沉陷理论的研究发展地下开采引起的岩层移动及地表下沉是一个复杂的物理、力学变化过程,它涉及到采矿工程的各个领域。

绿色矿山密实充填开采地表沉陷规律研究

绿色矿山密实充填开采地表沉陷规律研究摘要为保护地表建筑物、农田、河流及主要井巷，在城镇范围内留设了大量优质煤柱资源。

该部分矿量属于典型的“三下”开采，因此如何在保证地表及矿山主要井巷安全的前提下，最大限度地回收优质的煤炭资源，对矿山可持续发展意义重大。

我矿充分借鉴其它煤矿连采连充技术，利用煤矸石作为充填骨料，实现高浓度充填，解决煤矸石地表堆放难题、消除环境污染、解放保安煤柱、减轻地表沉降对地表建构筑物的损坏，提高安全开采保障程度和资源回收率。

关键词绿色矿山密实充填地表沉降一、密实充填开采的背景充填采矿法由于能够确保“三下”开采安全，最大限度地回收矿产资源，保护地下、地表环境，特别是近些年来，由于充填材料、充填工艺、管道输送装备和技术的不断进步、充填成本的不断降低及其无可替代的优势，密实充填开采方法在煤矿开采中有很大的优势。

目前，由于存在以下难题，矿山可持续发展受到一定程度的制约：1、由于多年的强化开采，掘进产生的煤矸石日益增多（按12%的煤矸石产出率，每年新增煤矸石近20万吨），现有煤矸石山容积已近饱和，如何为新增煤矸石堆放寻找出路成为当务之急。

2、煤矸石山位于城区内，靠近柴汶河，对城镇环境和柴汶河水系造成严重污染。

如果能够将这部分煤矸石彻底消化，不仅可以恢复宝贵的土地资源，创造显著的经济效益（按每亩土地20万元计算，占地近200亩的煤矸石山占用资金4000万元），而且会对保护环境、创建绿色矿山作出重大贡献，经济效益、社会效益和环境效益显著。

3、为保护地表建筑物、农田、柴汶河及主要井巷，在城镇范围内留设了大量优质保安煤柱。

由于该部分矿量属于典型的“三下”开采，因此如何在保证地表及矿山主要井巷安全的前提下，最大限度地回收这部分宝贵的煤炭资源，对矿山可持续发展意义重大。

二、开采方法的调研及开采沉降的分析论证1、密实充填开采试验区开采设计方案充填开采试验区位于-210水平西部，开采范围：东至-210～-600原皮带井保安煤柱线，西至充填联络巷，南至矸石充填运输巷，北至矸石充填回风巷。

地下开采引起地表沉陷的数值模拟

Ｍ１～Ｍ５计６个矿体，属多层矿。据统计，各矿体之间夹层平均厚度为２．ｍ。矿体走向近南北，１３向西倾斜，倾角５。Ｏ，０～７。平均倾角６。属急倾斜矿体。矿体顶底板围岩为角闪斜长片麻岩、ｏ，黑云角闪斜长片麻岩，石普氏硬度系数为６～１，重岩０体
总之，经过几十年的研究，开采沉陷理论已取得了很大发展
和完善。２石人沟铁矿简介
力学变化过程，它涉及到采矿工程的各个领域。在国外，在１早５
世纪。地表开采沉陷问题就已被人们所注意。但这个时期开采沉陷理论发展较慢，到１纪，继出现了德国人依琴斯凯的直９世相
“ 二等分线理论” 耳西哈＿的“ ，３自然斜面理论 ” 法国人法约尔Ｊ０，。（ａｏ）Ｆｙ１的开采沉陷“ 拱形理论” ，们对开采影响问题才有了等人
一
石人沟铁矿位于河北省遵化市境内。矿区所处区域地质构造位置为燕山沉降带马兰峪复背斜轴部。矿区为一单斜构造。工程地质条件属简单型。石人沟铁矿矿体走向长２６ｉ，．ｋ自南向北分布在３ｎｏ号勘探线至５号勘探线之间。矿区浅部矿体采用露天开采，露天开采境
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总第１８期２
西部探矿工程
ＷＥＳＩ一ＣＨＩ＇、ＮＡＥＸＰＬ０ＲＡＴ１０ＮＥＮＧＩＮＥＥＮＧＲＩ
ｓｒｅ．１８ｅｉｓＮｏ２
２０年第１期０６２
Ｉｅ．Ｏ６）ｅ２０
文章编号：０４５１（０６１—０９—０１０－７６２０）２２９３

充填开采充填率与地表移动规律的数值模拟研究-辽宁工程技术大学

第34卷第9期辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2015年9月V ol.34 No.9 Journalof Liaoning Technical University （Natural Science ） Sep. 2015 收稿日期：2014-10-20基金项目：天地科技股份有限公司项目（KJ-2013-TDKC-12）贾林刚,刘卓然.充填开采充填率与地表移动规律的数值模拟研究[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2015,34(9):1010-1015.doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2015.09.004Jia Lingang,Liu Zhuoran.Study on numerical simulation of filling rate and surface subsidence in backfill mining[J].Journal of Liaoning Technical University:Natural Science,2015,34(9):1010-1015. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2015.09.004充填开采充填率与地表移动规律的数值模拟研究贾林刚，刘卓然（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）摘要：为研究充填开采重要参数充填率与地表移动变形之间的关系，结合某煤矿工作面，采用FLAC 3D 数值模拟方法，对充填开采不同充填率条件下地表沉降规律进行了模拟计算.结果表明：充填率与下沉系数呈指数关系，与水平变形和倾斜变形呈二次函数关系，与曲率变形为指数关系；当充填率增加时，地表变形快速减小，当充填率增加到80%以上时，地表下沉及变形值减小幅度趋缓；充填开采有效改善了围岩力学环境，不同的充填率影响了覆岩“三带”的岩体力学性质，使得下沉系数及地表变形与充填率呈非线性关系.本文结论对充填开采控制地表变形，保护地面建筑物具有一定的理论参考价值和实践指导意义. 关键词：充填开采；充填率；数值模拟；地表变形；围岩应力中图分类号：TD 823 文献标志码：A 文章编号：1008-0562(2015)09-1010-06Study on numerical simulation of filling rate and surfacesubsidence in backfill miningJIA Lingang, LIU Zhuoran(Mining and Design Department, Tiandi Science ＆ Technology Co.,Ltd, Beijing 100013, China)Abstract: For studying the relationship between filling rate and the surface movement and deformation of backfill mining, the paper based on the coal mine working face, used FLAC 3D numerical simulation method, and studied on simulations of the surface subsidence and movement laws under the different filling rate in backfill mining. Research shows that filling rate and the subsidence coefficient exponential relationship, a two function relation with the horizontal deformation and inclination deformation, and the curvature deformation was exponential relation. When the filling rate increases, the surface deformation decreases rapidly, and when the filling rate increases to more than 80%, the surface subsidence and deformation decreases steeply. Filling mining can effectively improve the mechanical environment of surrounding rock, and different filling rate effect the rock "three zone", so that the deformation is nonlinear between in the filling rate and surface subsidence.Key words: backfill mining; filling rate; numerical simulation; surface deformation; surrounding rock stress0 引言煤炭对国民经济的发展起着重要的作用.随着矿井的开采延续，各煤矿都不同程度地存在着“三下”压煤的问题，解放“三下”煤炭资源，可延长矿井服务年限和提高煤炭回收率.充填开采是一种以充填材料置换井下煤炭资源的矿山绿色开采技术[1-5]，可提高煤炭资源采出率、保护地面环境以及控制地表变形，是“三下”采煤的有效方法.在矿井开发生产过程中，产生的矸石满足不了工作面充填需求，目前除矸石外，粉煤灰、水泥、风积沙制成的膏体、高水材料、尾矿等均可作为充填材料进行充填[6-10].在充填开采过程中，充填率是控制围岩变形及地表移动的重要因素，结合地面建筑物的强度特性，在允许地表产生一定量变形时，可通过控制充填率，来控制地表变形的量值，达到节约充填材料成本，保护建筑物的目的.数值模拟计算是岩土工程和采矿工程研究的有效手段[11-14].通过数值模拟模型的建立，可直观清晰地研究分析开采过程中，覆岩的力学演化特性和地表移动变形规律.本文采用FLAC 3D 数值模拟方第9期贾林刚，等：充填开采充填率与地表移动规律的数值模拟研究1011法，建立数值模拟模型，研究分析充填开采过程中，充填率与和地表沉陷之间的关系和围岩力学特性.1 煤矿地质条件陕西某煤矿含煤地层为侏罗系上统煤层，其12306工作面位于井田的西南部，煤层埋深约120 m，煤层倾角为小于2°的近水平煤层，主采煤层平均厚度3.5 m，煤层顶底板岩性较为稳定，大部分为中砂岩、细砂岩和泥岩，地质构造简单，第四系松散层厚度为25 m.2 数值模型的建立及参数的选取以该煤矿12306工作面为原型建立数值模拟模型，根据其地质采矿资料和相应的岩石力学参数，见表1，建立FLAC3D数值计算模型，模型尺寸为300 m×10 m×150 m，煤层深度120 m，底部边界30 m，充填开采区域为中间50～250 m，左右各留50 m的模型边界，煤层倾角为0°，模型见图1.图1 数值模拟模型Fig. 1 numerical simulation model表1 岩体力学参数Tab.1 mechanical parameters of rock岩层名称密度/(kg·m-3) 弹性模量/GPa 泊松比抗拉强度/MPa 粘接力/MPa 内摩擦角/(°)松散层 1970 1.26 0.35 0.03 0.08 28 砂质粘土 2000 0.3 0.23 0.2 0.25 22 细砂岩 2 300 4.3 0.22 7 5.2 29砂质泥岩 2 150 3.5 0.28 1.6 2 27 煤 1 400 1.5 0.3 0.65 0.8 22砂岩 2 200 2.8 0.24 1.3 1.5 30充填体 1 800 1.3 0.32 0.45 0.6 19计算模型的本构关系采用摩尔-库伦屈服准则，开采煤层厚度为3.5 m，开挖充填步距为10 m，通过改变材料属性，对采空区进行充填模拟.采厚为3.5 m时，如果充填率小于50%，即相当于充填厚度小于1.75 m时，顶板位移较大，难以控制地表变形达到理想效果，因此，分别以50%、60%、70%、80%、90%、100% 6种充填率来进行充填开采模拟迭代计算.3 模拟结果分析3.1 不同充填率地表沉降规律分析在模拟结果中，分别取各充填率开采后地表的最大下沉值，计算其下沉系数见表2.充填率和地表最大下沉值显示，随着充填率的增加，地表下沉值大幅减小.主要是由于充填率增加时，顶板与充填体之间的空间减小，降低或阻止了顶板的垮落高度.同时，提高充填率时，充填体对围岩体有支撑作用.表2 不同充填率的地表最大下沉值Tab.2 different filling rate of surface maximumsubsidence value采深H/m采厚/m充填率/%地表下沉值/mm 下沉系数η50 1653 0.4760 1300 0.3770 754 0.2280 426 0.1290 321 0.09120 3.5100 1770.05对计算结果采用最小二乘法进行拟合，得到充填率和下沉系数之间的回归曲线图，见图2，充填率与下沉系数之间的回归方程为4.1073.832e xy−=，（1）底板煤顶板老顶覆岩松数层辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第34卷1012式中，x 为充填率，y 为下沉系数.图2 充填率与下沉系数关系Fig.2 filling rate and subsidence coefficient diagram回归拟合曲线与下沉系数拟合优度用相关系数R 表证，经计算回归曲线和下沉系数各点的相关系数R 为0.978.在该地质采矿条件下，不同充填率的下沉系数基本分布在回归曲线附近，且相关系数达到R =97.8%，说明下沉系数和充填率之间为指数函数关系.地表下沉系数是和岩性有关的岩移参数，充填体和围岩相互作用，改变了围岩力学环境，因此不同充填率，地表的下沉系数不同. 3.2 地表变形分析表征地表变形的常用指标有水平变形、倾斜变形和曲率变形，在模型的地表主剖面每10 m 取一个观测点，通过FLAC 命令print gp dis range id （测点）求取地表的移动变形值，得到不同充填率开采时的地表水平变形曲线、倾斜变形曲线和曲率变形曲线，见图3～图5.图3 不同充填率地表水平变形Fig.3 surface horizontal deformation of different filling rate距离-10-8-6-4-20246810图4 不同充填率地表倾斜变形Fig.4 surface inclination deformation of different filling rate第9期贾林刚，等：充填开采充填率与地表移动规律的数值模拟研究1013图5 不同充填率地表曲率变形Fig.5 surface curvature deformation of different filling rate变形曲线显示，各充填率开采方案主剖面变形曲线形态相似，变形值不同，随着充填率的增加，地表各变形指标值减小.在0～75 m 和225～300 m 范围内，地表出现拉伸变形，75～225 m 出现压缩变形，75 m 和235 m 处为倾斜变形最大值点，在工作面的中点150 m 处，出现正曲率最大值，开采切眼和停采线位置出现最大负曲率值.各充填率的变形极值见表3.表3 不同充填率地表变形极值Tab.3 surface deformation peak value of different filling rate充填率/%变形指标 50 60 70 80 90 100 水平变形值ε/(mm·m -1) -6.16 -4.67 -3.00 -1.76 -1.25 -0.69 倾斜变形T /(mm·m -1)8.31 5.41 4.17 2.99 2.03 1.13 曲率/(1·km -1)0.160.110.070.040.030.02充填率在从50%增加到80%的过程中，地表变形指标值减小显著，当充填率达到80%以上时，地表变形值减小趋缓，主要是由于顶板垮落空间减小，阻止了岩层破坏向上继续传播，从而使得地表变形减小.说明可通过充填率的改变来控制地表变形.对不同充填率的地表变形极值进行回归分析，得到倾斜变形极值、水平变形极值、曲率变形极值与充填率之间的相互关系曲线，见图6、图7，倾斜变形、水平变形极值、曲率变形极值与充填率之间的回归方程分别为：y =-16.647x 2+23.07x -20.124, （2） y =19.855x 2-43.282x +24.272, （3） y =1.325 9e -4.178 1x . （4）式中，x 为充填率，y 为变形值.根据倾斜变形、水平变形和曲率变形数据，可以求得函数曲线与离散点的相关系数分别为R =0.996 2；（5） R =0.987 8；（6） R =0.993 6；（7）图6 充填率与水平变形、倾斜变形关系 Fig.6 filling rate and horizontal deformation,inclination deformation diagram图7 充填率与曲率极值关系Fig.7 filling rate and curvature deformation diagram辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第34卷1014倾斜变形、水平变形、曲率变形极值离散点与拟合曲线的相关系数分别达到了R=99.62%、R=98.78%和R=99.36%，说明拟合曲线和离散点相关性很好，充填开采中，充填率与水平变形、倾斜变形值为二次函数关系，充填率与曲率变形值为指数函数关系.3.3 围岩受力分析在数值模型初始平衡时，煤层围岩应力为1.15～1.24 MPa，煤层开采后侧帮主应力为8.89 MPa，顶板出现约2 MPa的拉伸应力，煤层围岩出现了较大的应力集中，充填率分别为50%、60%、70%、80%、90%、100%时，侧帮主应力降低为7.65 MPa、6.59 MPa、5.45 MPa、4.2 MPa、3.35 MPa和2.89 MPa.顶板应力在50%～90%过程中，顶板应力变化较小，100%充填率时，顶板拉伸应力减小为0.56 MPa.随着充填率的增加，围岩主应力降低明显，充填体引起了围岩的应力变化，改变了岩体的力学环境.充填体可以抑制围岩的进一步变形，当顶板悬空时，其拉伸应力没有明显改善，当充填体接顶时，充填体可承受覆岩的压力，减少覆岩变形.4 结论运用FLAC3D对不同充填率的充填开采控制地表移动变形进行了模拟，对开采煤层形成的采空区被不同充填率的充填体替换后的地表下沉、地表变形及围岩应力变化进行了分析，主要得出以下主要结论：（1）充填开采是一种绿色开采工艺，可以改善煤矿环境，控制采煤造成的地表变形，有效保护地面建筑物。

固体废弃物充填开采地表沉陷预测方法研究与应用

在上覆岩层荷载作用下二次压实量越小。对于传
采高所引起的地表沉陷。因此，固体废弃物充填开采地表沉陷可采用基于等价采高理论的常规垮
落法地表沉陷预测方法进行沉陷预计。等价采高与充填前顶底板移近量、充填欠接
了夯实装置，改善了充填体的接顶效果，平顶山等煤矿的工业性试验表明，这种新型支架可使充
填率接近１０。０％
３）充填体的初始压实度压实度反映充填进采空区的固体废弃物的压实程度，初始压实度越大，则充填体的密度越大，
Ｋｅｒｓ：ｂａｋｉｌｍｉｎｇ；ｅｕｉａｅｉｎｇｈｅｇｈｔｕｒａｅｓｂｓｄｅｃｙｗｏｄｃｆｌｎｉｑｖｌｎｔｍｎｉｉ；ｓｆｃｕｉｎｅ
煤炭是我国的主要能源。据不完全统计，目前我国仅国有煤矿的生产矿井 “ 下 ” （筑物三建下、铁路下、水体下）压煤就达１０多亿ｔ，可供４７Ｏ个年产２０万ｔ０的矿井开采１０年。中，一些０其老矿区随着煤炭资源的枯竭，“ 下 ”压煤开采势三在必行。如何合理解决 “ 下 ” 压煤问题，实现三
煤炭资源开采与矿区环境保护的协调发展是实现
弃物充填开采技术。该技术已经在河北邢台矿、］新汶翟镇煤矿、兖州济三矿、济宁花园煤矿、平

采空区地表沉陷及移动规律的数值模拟(1)

ＩＳＳＮ１６７ｌ一２９００ＣＮ４３—１３４７／ＴＤ采矿技术第８卷第４期ＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖ０１．８，Ｎｏ．４２００８年７月Ｊｕｌ．２００８采空区地表沉陷及移动规律的数值模拟金爱兵，明世祥，孙金海（北京科技大学土木与环境工程学院，北京１０００８３）摘要：在室内物理力学试验、ＥＨ一４综合探测采空区的基础上，利用ＭＩＤＡＳ／Ｇ髑建立三维数值模型，通过动态模拟某河床下民采开采过程，研究了沉降区覆岩移动规律，得到了与实际监测结果相吻合的结论，并在此基础上对沉降区范围和变化规律进行了预测，为采空区治理方案的确定提供了依据关键词：ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ；采空区；地表沉陷；地表移动；数值模拟某铁矿北区与中区之间的人工渠槽下所留保安矿柱遭到民窑采矿的严重破坏，留下了约４６．７万ｍ３的采空区，与该人工渠槽沉陷区对应的１。

民采空区冒落裂隙带已发展到地表。

为防止雨季河床水沿裂缝流入井下，与采空区贯通造成重大事故，２００５年６月对河床表面进行了应急加固处理。

加固后的河床在雨季过后（２００５年ｌＯ月）再次发生沉陷，河床、河堤、沿河公路均出现了不同程度的沉陷和沉陷裂缝破坏，沉陷裂缝宽度达３～５ｌｌＵｎ。

沉陷情况见图１～图２。

图１河堤沉降裂缝图２河床混凝土防冲刷层沉降裂缝通过对２００５年８月２５日与２００４年７月２４日沉降观测记录的比较，河堤沉陷深度最大达一０．７９５ｍ。

河床内沉陷面积达１２５６８ｍ２，已形成以０。

观测点东北３０Ｉｎ处为中心，河床内外沉陷面积达３３１７５ｍ２的近似环形的锅底状沉降盆地。

２００５年１０月马河渠槽再次发生的剧烈沉陷，可以明显看出本次沉陷发生在原沉陷范围内，这说明该人工渠槽沉陷并没有得到根治，还需要进一步查明河床下民采空区的岩移规律及影响因素。

本文正是在此基础上，结合变形监测成果，采用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ数值模拟软件，对民采空区地表沉陷、覆岩移动及渗流规律进行数值模拟研究ｎ－２１，并对沉降区塌陷范围及时空变化规律进行预测，为采空区治理方案的确定提供依据。

充填开采地表沉陷规律研究及运用

充填采场覆岩移动规律分析
煤层开采之后，原岩应力被打破，采窄周围应
格规格为５０ａｍ × ｒ５０ａｍ，纵向６ｒ０条，横向４０条，在部
分网格交叉处插入大头钉，通过监测大头钉的位置变化实
新分布，覆岩变形直至地表。随着工作面的继续推进，覆岩开始产生移动变形，
岩主要以裂隙离层为主，一般无周期来压现象，受到现场
实际地质条件和研究手段的影响，无法对工作面推采过程
中覆岩变化情况进行跟踪研究，利用实验室相似模拟实验
可以得到较好效果。
图１模型铺设完成图
实验室相似模拟实验
距开切眼（ｍ）
２
９２．５Ａ１８
２
ｌ０２．５Ａ１９
Байду номын сангаас
２
Ｉ１２．５Ａ２０
２
１２２５Ａ２ｌ
距煤层（ｍ）距开切眼（ｍ）测点（测线１）
５－７．５Ａ２２
５２．５Ａ２３
资源环境技术推广
２应力测点布设位置
ｌｌ测点（测线１）距煤层（ＩＴＩ）
距开切眼（ｍ）测点（测线１）
群矗
圩
Ｂｌ一２
－７．５Ｂ８
Ｂ２－２
２．５Ｂ９
Ｂ３ — ２
表１位移测点布设位置

4常庆粮-膏体充填采煤面覆岩移动规律试验研究1 常庆粮

2.2 数值模拟试验研究
（2）模拟结果与分析
工作面应力分布
25 支承压力 / MPa 20 15 10 充填法开采垮落法开采
图2-5 支承压力分布图
0 -80 -60 -40 -20 0 20 距工作面距离 / m 40 60 80
5
与垮落法开采相比，充填法开采时，工作面后方一定范围内岩层中的应力较大，工作面前方岩层中的应力值及其影响范围均较小。
-60
-20
0
20
40
60
80
距工作面 / m
图2-7
充填率不同时支承压力分布图
一方面，充填开采时顶板未发生大范围破坏，岩层变形量小，很快恢复了其承载能力；另一方面，充填开采时引起的集中应力一部分被充填体的压缩变形所吸收，另一部分通过充填体被转移到底板围岩深处，无明显矿压显现。
2.2 数值模拟试验研究
1
1 研究目的与内容
膏体充填开采的目的：提高采出率、控制地表沉陷、解放呆滞煤炭资源。该技术于2006年5月首次被应用现场工业性试验，并取得成功，被逐步推广应用，取得了一些初步的研究成果，但是充填开采岩层控制的理论体系尚未建立，存在理论研究滞后于现场实践的问题。
2
1 研究目的与内容
覆岩移动变形属于隐蔽工程，无法进行现场观测，实测资料也较少。采用物理模拟、数值模拟和现场实测相结合的方法研究: 1)充填开采覆岩移动变形与分带特征； 2)工作面支承应力特征； 3)充填开采控制地表沉陷的关键。
覆岩变形破坏范围
6m/35m
14m/92m
垮落法工作面推进30m
垮落法工作面推进60m
2.2 数值模拟试验研究
（2）模拟结果与分析

地下开采引起地表沉陷的数值模拟

１我国矿山开采沉陷理论研究现状
矿山开采沉陷理论的兴起是随着我国矿山开采活动的发展而逐步引起人们关注和深入研究的问题。在建国初期，我国在滦矿务局建立了国内第一个地表移动观测站，经过工作人员的努力，为后来理论研究局的工作提供丰富的地表移动历史资料。直到后来我国又成立了矿业学院和峰峰矿务局等理论研究部门，这些部门的工作人员通过对遗留的历史资料进行总结和分析，得出了一些岩层和地表发生移动的参数，为工作的开展提供很多有利的资料。最后，唐山煤炭研究所根据历史资料，提出了地表下沉盆地的负指数剖面函数，到１９６５年，我国研究专家引进国外先进理论研究成果，使得国内地下开采引起地表沉陷理论得到进一步的完善和发展。目前随着科技和经济的不断发展，矿山沉陷现象理论研究和实地观测水设备技术水平都得到相应的提高，为理论研究工作提供更加现代化和科学化的研究工具，极大的改善工作环境，提升了数值的精准度。近年来，理论研究专家渐渐将其他相关学科理论研究成果渗透到地表开裂理论中，目前，地表开裂理论已经逐步成为一门独立的学科发展起来，取得一定的研究成果，如有限元数值模拟技术等，地表沉陷理论正。．。

基于数值模拟的充填开采地表下沉系数分析

基于数值模拟的充填开采地表下沉系数分析苏仲杰;黄厚旭;赵松;胡亚净【摘要】充填开采是解放“三下”压煤的重要手段.为了研究充填体强度对充填开采时下沉系数的影响,本文以本溪彩屯矿的充填开采实践为基础,结合工程实际建立了FLAC3D数值模型并对充填开采地表下沉系数进行了模拟分析,得到了不同强度充填时对应的地表下沉特征和充填开采时充填体强度与地表下沉系数之间的一般关系.通过改变充填体弹性模量得到了相应的等效采厚比和地表下沉系数,通过多项式拟合建立了等效采厚比和地表下沉系数两者之间的函数关系,并给出了相关参数的参考值,为预测充填开采的地表下沉系数提供了依据.【期刊名称】《中国地质灾害与防治学报》【年(卷),期】2014(025)002【总页数】5页(P98-102)【关键词】充填开采;等效采厚比;地表下沉系数;FLAC3D;多项式拟合【作者】苏仲杰;黄厚旭;赵松;胡亚净【作者单位】辽宁工程技术大学土木与交通学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学土木与交通学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学土木与交通学院,辽宁阜新123000;河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院,河南洛阳471023【正文语种】中文【中图分类】TD80 引言截止1996年我国“三下“压煤量高达137.9×108t［1-2］，随着村镇规模的扩大和新矿井的建设，目前压煤量远高于这一数字。

面对我国紧张的能源局势解放“三下”压煤迫在眉睫。

传统的开采方法易造成严重地表破坏［3］。

充填开采是使煤炭行业转入绿色发展道路的重要途径，但目前对充填开采地表下沉系数的研究较少。

传统的矸石和水砂充填使用较多，人们在工程实践中积累了一定的经验，而高水膨胀材料充填是近年来才开始使用的一种新充填技术，其减沉效果目前在理论方面缺少研究。

本文基于彩屯矿的充填开采实践，通过FLAC3D数值模拟对高水充填开采地表下沉系数进行了一定的研究。

1 模型参数的选取及建立1.1 计算基本参数的选取彩屯矿位于辽宁省本溪市。

充填采矿法和崩落采矿法对地表影响的计算机数值模拟分析

ＡｓａｔａｅｎｔｐｌｅｓｃｍｕｉｌｏｔｓａｅｎｕｔｔｕｅｃｌｉｕａｏｅｉｉｇｏｔｅｉｒｔｆｎｂｔｃｒＢｓＯｅ０ｅＳｅｏｐｔｇｐａｒｈｐｒｏｄｃｅｎｍｒａｓｌｔｎｔｔｎｆｈｗｓｄｓｉｅｄｈｌｎｔｍ，ｉｐｆｃｓｈｉｍｉｏｈｍｎｅｔｔｃｏｏ
为了探讨充填采矿法和崩落采矿法对地表建筑物的影
式中，为应变张量：ｅＱ是一个常数，它与固液两相的其他材
料常数相关。
响，可采用物理力学模型采过程中对地表的影响进行实验分析研究，出不同的采得矿方法引起的地表移动参数。但是由于采场和矿区地质条件的复杂性，且物理模型主要表现了一个断面的情况，因此，
ＷＡＮＧＰｎｉｇ ’ ＸＵＭｅｇｕ２ＬＩＨｕｑａｇｎｇｏｉｉｎＩ
（．ｔｚｏｇＵ／ｒｙｏｃｎｅｎ￣ｏｇＷｈｎ４０７）１Ｈｍ．ｎｎｅ￣ｉｃｄｒｈｖｓｆＳｅａｔｙｏｕａ３０４
口一口，ｆ（ｎ。一１ｎ。ｉ置ｏ（１＋１）６（）（＋＝ ¨ 一）一Ｐｌ一Ｉ嚣）ｐＤ
（）１
口＝口Ｐ（）２
矿岩在空间上的基本情况； ②便于程序的编写与调试； ③便
于网格划分； ④能够模拟充填和崩落两种采矿行为；便于 ⑤ 各种材料的选取； ⑥能够处理固液相耦合的问题。为了便于材料常数的赋值，在建模中，将不同类型的矿岩分图层处理。
ｔｅａｄｕｓｅｅｒｂｍｃｕｅｙｔｅｔｏｔｅｆｉｎｅｏｓｆｍｄｅｎｒｅ．ｈｌｓｂｉｎｅｏｌｓｂｈｗｙｓｏｍｎｇｍｔｄｒｉｒｔＩｓｎｄｐｅａｄｐｉｈｏｆｅａｄ

基于FLAC数值模拟的膏体充填控制覆岩变形与地表沉陷分析

基于FLAC数值模拟的膏体充填控制覆岩变形与地表沉陷分析发表时间：2020-11-05T15:47:01.143Z 来源：《工程管理前沿》2020年第22期作者：周雨垚，谢小平，黄省，王菊，梁芳[导读] 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：A1 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。

徐楼铁矿充填体性能试验分析及地面沉降数值模拟

徐楼铁矿充填体性能试验分析及地面沉降数值模拟随着世界经济的不断发展,资源消耗的不断增加。

因为地下矿产资源开采而引起的地面沉降逐渐成为各大矿产资源国家共同面临的严重环境问题。

我国作为一个矿业大国,铁矿储量十分丰富,矿山固体废弃物的积存量和排放量也非常巨大。

矿区的区域性地面沉降现象频发,因此人们对于地面沉降的研究也越来越多。

针对地面沉降现象,如何利用好矿山开采过程中排放出大量的尾矿,解决好环境污染和土地占用,同时有效地解决采空区塌陷等一系列问题已经成为了值得探讨研究的主题。

目前普遍采用的方法是利用尾矿充填矿山采空区,一方面可以支撑围岩,另一方面也能有效降低矿石的贫化率。

本文以安徽徐楼铁矿项目为背景,通过对国家现行绿色矿山政策的解读学习,在响应国家“安全矿山,绿色生产”的号召下,对尾矿充填材料的性能进行探究,找到适宜配比的充填体料浆进行充填,并通过数值模拟的方法对比分析了不同充填材料的地面沉降情况,主要结论如下:(1)通过对于绿色矿山理论的学习了解,对于环境保护政策的学习解读,提出了从政策、规模、交流三个方面来践行落实绿色发展观。

并从徐楼矿区的实际情况出发,探索出了徐楼铁矿的特色充填工艺流程以及改进方式方法;(2)通过对于尾矿充填材料的探究试验,来确定充填技术方案的选择。

进行塌落度以及强度试验,讨论了不同浓度、不同灰砂比、不同电厂粉煤灰占骨料比例等情况下充填材料的各项指标,并对不同情况予以分析,找出了适合于本工程的最优充填配比。

在此基础上,对于充填胶结物进行改进探究,进一步节约资金;(3)采用Flac 3d数值模拟软件,通过对水平运输巷道的稳定性分析,来判断支护条件下是否适宜进行充填工作,建立模型,对比分析适宜配比的充填料浆和改进了胶结物条件下的充填料浆,两种不同条件下地面的沉降情况;(4)针对矿区地面沉降的地质灾害,分别从充填材料、开采方式、灾后治理三个方面来着手解决。

填充速率对桩基沉降的数值模拟

填充速率对桩基沉降的数值模拟
填充速率是指填充物在单位时间内增加的厚度。

桩基沉降是指桩基在填充过程中下沉的变形量。

填充速率对桩基沉降的数值模拟可以通过以下步骤进行：
1. 建立数值模拟模型：根据实际情况，建立桩基与填充土之间的数值模拟模型。

可以采用有限元分析方法建立模型。

2. 设定填充速率：在模型中，设定填充速率，即单位时间内填充土的增加厚度。

可以根据实际填充的情况设置不同的填充速率。

3. 建立填充土材料模型：根据实际填充土的材料特性，建立填充土材料的本构模型。

可以根据填充土的压缩试验数据确定填充土的本构关系。

4. 进行数值模拟计算：根据设定的填充速率和填充土材料模型，进行数值模拟计算。

可以采用有限元软件进行模拟计算，计算桩基在填充过程中的变形量。

5. 分析结果：根据数值模拟计算的结果，分析桩基沉降的情况。

可以比较不同填充速率下的沉降情况，评估填充速率对桩基沉降的影响。

通过以上步骤，可以进行填充速率对桩基沉降的数值模拟，并得到桩基沉降的数值结果，用于工程设计和安全评估。

充填开采对地表沉陷影响因素的数值模拟

充填开采对地表沉陷影响因素的数值模拟邢宇祺;宁建国;刘军辉;许元凯;王永庆;袁国栋【摘要】充填开采对于解放“三下”煤炭资源具有重要意义,是实现煤炭资源绿色开采的重要途径.充填体强度和采空区充填率是地表沉陷的直接影响因素,为此,以平顶山十二矿CT101充填工作面为研究对象,设计了3种不同强度的充填体分别对应5种不同采空区充填率的充填开采方案.通过数值模拟分析了在不同强度充填体和采空区充填率条件下的地表沉陷规律,为充填开采中地表沉陷控制和充填体强度、采空区充填率等参数的确定提供依据.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】2页(P157-158)【关键词】充填开采;充填体强度;采空区充填率;地表沉陷;数值模拟【作者】邢宇祺;宁建国;刘军辉;许元凯;王永庆;袁国栋【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院;山东科技大学矿业与安全工程学院;山东科技大学矿业与安全工程学院;山东科技大学矿业与安全工程学院;山东科技大学矿业与安全工程学院;山东科技大学矿业与安全工程学院【正文语种】中文目前，我国“三下”压煤量已接近14亿t，其中建筑物下压煤9.5亿t[1-3]，因此解放“三下”压覆的煤炭资源已成为亟待解决的问题。

为解决充填开采面临的理论、技术问题，解放并回收“三下”煤炭资源，我国学者进行了大量研究，成果丰硕[4-8]。

基于FLAC3D软件[9]，以平顶山十二矿CT101充填工作面为例，研究在不同充填体强度及采空区充填率条件下的地表沉陷规律。

十二矿井田位于平顶山矿区东部，北依马棚山，南临湛河，濒近沙河，东西南三面地势平坦，总体属剥蚀残余丘陵地貌单元。

平顶山矿区地层自老至新分别为太古界太华群、上元古界震旦系、下古生界寒武系、上古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系及新生界第三、四系，区内缺失奥陶系—中下石炭系地层。

该井田属石炭、二叠系含煤岩系，CT101充填工作面位于大型建筑群下，为保证建筑物不受损害，该工作面采用固体充填开采。

开采引起的地表沉陷规律_OK

A
A
B
W0
δ0
δ0
A
A
W0
γ0
ψ2 β0 ψ1θ
B
B
移动盆地在倾向方向上与采空区不对称。盆地、最大下沉值和拐点均下移。
18
（3）急倾斜煤层地表移动盆地
采
非对称性更加明显，
空
整个盆地及最大下沉值向采空区下边
区
界方向偏移，
地表最大水平移动值大于最大下沉值，
煤层底板岩层也移动
λ0
β0
3
wo ψ3
20
3、最大下沉角
在移动盆地倾向主断面上，采空区中点和地表最大下沉点在地表水平线上投影点的连线与水平线在下山方向的夹角
=90-K K=0.50.8
wo θ ψ2
ψ1
wo
θ
ψ1
ψ2
21
D″ D′D φ
γ0 γγ″
θ
C C′ C″ φ
β″β β 0
2、边界角、移动角和裂隙角
•移动盆地的最外边界
一般取下沉为10mm的点为边界点 ACBD
•移动盆地危险边界
倾斜i=3mm/m 水平变形= 2mm/m 曲率K=0.2mm/m2 A'C'B'D'
•移动盆地裂缝边界
A"C"B"D"
A A′A″
D D′ D″
采空区
o
B″ B′B
C″ C′ C
A A′A″ φ
B″B′ B φ
δ″δδ0
δ0 δδ″
22
97下沉系数q水平移动系数btg开采影响传播角拐点偏距s100321885104采区地表移动变形预计参数开采沉陷概率积分法预计981044工作面采后地表下沉等值线图991044工作面采后倾向地表倾斜等值线图1001044工作面采后倾向地表曲率等值线图1011044工作面采后倾向地表水平移动等值线图102开采沉陷数值模拟预计松散层基岩层煤层底板2200101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555756586396561053421245336891683071136211157228418114342294234663431209516713994171238341849442702247261747472949484206220340383812724478998944122940216791053490537741238127576324934718353573601336118364603658437117378063948939560396963990740064402924071040824411664145641879423454268843897444134512646120462914652946870477194816148863491104937150118505905153952023522295244952483525215290153028532725406155050554915572056122578015790658255583085908260320615956235862607松散层粉砂岩泥岩细砂岩泥岩细砂岩粉砂岩细砂岩泥岩细砂岩粉砂岩粉砂岩细砂岩细砂岩粉砂岩泥岩细砂岩粉砂岩粉砂岩粉砂岩细砂岩中砂岩粉砂岩细砂岩岩浆岩天然焦细砂岩粉砂岩细砂岩粉砂岩粉砂岩铝质泥岩粉砂岩细砂岩粉砂岩粗砂岩细砂岩细砂岩粉砂岩101煤泥岩粉砂岩细砂岩泥岩泥岩细砂岩泥岩泥岩泥岩泥岩泥岩泥岩泥岩泥岩泥岩泥岩34718075钻孔柱状图103编号分层容重kn?m弹性模量gpa剪切模量gpa内聚力mpa内摩擦抗拉强度mpa煤层1356201525030泥岩2780321023034粉砂岩27102731521040中砂岩27121811524023粗砂岩27713920261

固体充填开采矿压显现特征监测及数值模拟

固体充填开采矿压显现特征监测及数值模拟郑训臻;王岩;赵海波;成之祥【摘要】为了研究充填开采覆岩破坏及应力场分布特征,以鑫源煤矿6#煤层T6001充填工作面为工程背景,采用现场监测、数值模拟方法,通过布置液压支架压力感应器对工作面顶板压力进行监测,运用FLAC3D软件模拟充填开采与垮落开采过程,分析覆岩破坏及应力场分布情况.结果表明:支架阻力曲线呈现两头高中间低的趋势,反映了充填体经过接顶、压实对顶板的支撑作用由小变大的过程;采空区范围较小时充填开采顶板破坏与应力分布情况与垮落开采相近,随着采空区范围增大,充填体对覆岩活动的控制作用逐渐增强,最终充填开采应力峰值约49 MPa,覆岩破坏高度为3.5 m,较垮落开采分别降低了10%、71.5%,充填开采有效降低了矿压显现程度.%To study the characteristics of overburden failure and stress field distribution in filling mining, the T6001 filling working face of Xinyuan Coal Mine is used as the engineering background. The pressure monitoring of the working face is monitored by the hydraulic monitoring of the hydraulic pressure sensor. The FLAC3D software was used to simulate the filling and slump mining process to analyze the overburden failure and stress field distribution. The results show that the resistance curve of the bracket shows a trend of high at both ends and low in the middle, which reflects the process of supporting the roof from small to large after the filling and compaction of the filling body; the roof failure and stress distribution of the filling mining of the goaf is similar to that in caving mining, with the increase of the area of the goaf, the control effect of the filling body on the overburden activity is gradually enhanced. The peak value of the finalfilling mining is about 49 MPa, and the height of the overburden is 3.5 m, which is 10% and 71.5% lower than caving mining respectively, and filling mining effectively reduces the extent of mine pressure.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷),期】2019(050)007【总页数】5页(P254-258)【关键词】固体充填开采;现场监测;矿压显现;覆岩破坏;数值模拟【作者】郑训臻;王岩;赵海波;成之祥【作者单位】长春建筑学院土木工程学院,吉林长春 130607;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;同煤集团王村煤业公司机掘四队,山西大同 037003【正文语种】中文【中图分类】TD326地下煤炭资源被采出导致地表发生沉陷，且矿井排矸将占用大面积的土地，对地表造成严重的污染，为解决这些问题，固体充填开采是1种非常重要的技术途径[1-3]。