面向耕地保护的充填体-煤柱协同承载及地表沉陷控制研究

耕地是粮食安全的基石,而煤炭则是能源供应的保障。然而,采煤引起的耕地损毁问题在我国高潜水位平原煤粮复合区尤为显著。为了应对这一问题,提出基于充填体-煤柱协同承载体的区域性沉陷控制方法,以实现采煤效益与耕地保护之间的平衡。以河南省某矿区为例,基于面向耕地保护的区域性沉陷控制方法,首先,分析了充填体-煤柱协同承载体的形成过程及其设计原则;随后,使用PFC软件模拟了不同充实率对充填体-煤柱协同承载体稳定性的影响,并基于FLAC3D软件模拟确定了满足耕地保护指标的最优工作面开采参数。研究结果显示:充填体会对煤柱产生侧向支撑,有利于提高煤柱稳定性,形成共同支撑覆岩的协同承载体。当充实率达到85%时,充填区裂纹约占总数的73.42%,此时充填体在协同承载体中发挥主要承载作用,系统处于稳定状态。进一步分析表明,采空区位于应力释放区,而协同承载体位于应力集中区,其应力集中系数呈现出随采宽增大而上升的趋势。在综合考虑充填成本和耕地保护指标后,确定了该矿区最佳的区域性沉陷控制开采参数为采宽160 m、充填宽100 m。该参数设置既能够节约充填成本,又能有效控制地表下沉量,达到耕地保护的标准。该研究成果可为煤粮复合区的绿色开采提供理论依据和工程参考。