不同采礦條件采煤對地表移動變形規律的影響

古君

（駐馬店市吳桂橋煤礦有限公司，河南駐馬店463000）

不同采礦條件采煤對地表移動變形規律的影響

古君

（駐馬店市吳桂橋煤礦有限公司，河南駐馬店463000）

水下煤層安全開采對于煤礦來說是至關重要的，以位于水庫下的某煤田為例，運用FLAC3D數值模擬軟件，模擬分析3m、4.5m、6m三種不同開采厚度和300m、400m、500m三種不同開采深度對地表移動變形規律的影響，經計算得到地表下沉系數和水平移動系數，分別將其與不同采厚和采深進行數據擬合，結果表明，采厚、采深與地表下沉系數和水平移動系數均呈現冪數關系，隨著采厚和采深增加，地表移動變形規律分別呈現緩慢增加和減小趨勢。經計算知水庫下煤田可以進行正常開采，不會對水庫的安全造成威脅。

FLAC3D；地表下沉系數；水平移動系數；采厚；采深

煤炭資源屬于不可再生能源，對于煤炭資源盡量實現充分開采，特別是對于水下采煤研究是當前能源經濟發展的迫切需要［1］。為了緩解采掘工作面交替困難的形勢，在保證煤礦安全開采的情況下實現煤炭的有效開采，不同采礦條件下開采煤層對地表移動變形規律影響的研究是相當有必要的。有相關文獻［2］研究了不同工作面長度對地表移動變形規律的影響，但沒有考慮其他采礦條件對地表移動規律的影響；相關文獻［3］對水庫下開采煤層進行了安全評價，但沒有對采礦條件對地表移動變形規律的影響進行評價。鑒于此，以某礦水體下采煤為例，運用FLAC3D［4］數值模擬軟件研究不同煤層開采厚度、開采深度等采礦條件對地表移動變形規律的影響，為水下采煤提供了技術理論指導。

1　礦井概況

該礦年設計生產能力為0.6Mt/a，該井田內大部分煤層為穩定可采煤層，煤厚平均為5.0m，煤層傾角平均為16°，采深約為320m左右，22采區西側開采工作面上方為水庫，水庫水深平均深度為3m。

2　煤層開采厚度對地表移動變形規律的影響

2.1方案的確定及模擬計算

為了研究不同開采厚度條件下永華能源嵩山礦“三軟”煤層開采條件下地表移動變形規律，根據該礦

圖1　不同開采厚度條件下豎直位移云圖Fig.1 Vertical displacement contours under the condition of different mining thickness

山實際情況，設計3種模擬方案，即模擬煤層開采厚度分別為3m、4.5m、6m，對模擬開挖后的煤層進行計算分析，分析在不同煤層開采厚度條件下地表移動變形規律。設置走向無限開采，傾向充分采動的地質力學模型。其中傾向工作面長度為500m。邊界煤柱大小均取450m。X方向為傾向，Y方向為走向，Z方向為鉛垂方向。按照各方案要求進行模擬開挖計算，最終得到模擬計算開挖后的豎直方向位移云圖，分別如圖1所示。

2.2地表移動變化規律分析

在三種不同厚度煤層開采厚度模擬計算過程中，利用FLAC3D中的fish語言，對模型頂部（即地表）的移動變形進行實時監測，得到模型地表的下沉值和水平移動值，繪制的曲線圖如圖2、圖3所示。

圖2　不同煤層開采厚度下地表下沉曲線Fig.2 Surface subsidence curve under different mining thick

圖3　不同開采厚度下地表水平移動曲線Fig.3 Surface horizontal displacement curve under different mining thick

為了掌握不同煤層開采厚度對地表移動變形的影響，根據模型計算結果，選取不同開采方案所引起的地表最大下沉值和最大水平移動值，并計算得到相應的下沉系數和水平移動系數［5-7］，計算結果如表1所示。

表1　不同煤層開采厚度地表移動變形值Tab.1 Different thickness of coal seam mining surface movement and deformation

圖4　采厚和地表下沉系數的關系Fig.4 Relationship between mining thick and surface subsidence coefficient

圖5　采厚和水平移動系數的關系Fig.5Relationship between thick and surface level coefficient

由圖4、圖5可知采厚與地表下沉系數和地表移動系數的關系式分別為y=0.6355x0.1407和y=0.1906x0.2212，該煤礦的采厚為5m，經計算知地表下沉系數和水平移動系數分別為0.797和0.272，該值在工程的允許范圍內，該礦山在水庫下的煤層可以進行整層開采。

3　煤層埋深對地表移動變形規律的影響

3.1模型的建立

為了研究不同開采深度條件下該礦“三軟”煤層開采條件下地表移動規律，設計了3種模擬方案，各方案采深取值為300m、400m、500m。數值模型采用平面應變模型，設置走向無限開采，傾向充分采動的地質力學模型。其中傾向工作面長度為500m，邊界煤柱大小均取450m。

3.2模擬計算結果分析

分別對3種建立好的方案模型進行賦值計算，對開挖后的豎直方向位移云圖不再敘述，對相對應的監測數據進行提取和分析。提取不同開采深度（采深H分別為300m、400m、500m）下開挖工作面后引起地表變形的數據，提取后繪成地表下沉和水平移動曲線，如圖6、圖7所示。

圖6　不同采深條件下地表下沉曲線Fig.6 The surface subsidence curve under different mining depth

圖7　不同采深條件下地表下沉曲線Fig.7 The surface subsidence curve under different mining depth

圖8　采深與地表下沉系數的關系Fig.8 Relationship between mining depth and

圖9　采深與水平移動系數的關系Fig.9 Relationship between mining depth and surface subsidence coefficientground surface level coefficient

根據上述3種數值模擬方案的地表下沉曲線和水平移動曲線，得到3種不同采深條件下，地表的最大下沉值和最大水平移動值，進而計算得到地表下沉系數和水平移動系數。根據以上不同采深條件下地表下沉系數和水平移動系數，擬合得到采深與地表下沉系數和水平移動系數的關系，見圖8和圖9。

由圖8和圖9可知采深與地表下沉系數和地表移動系數的關系式分別為y=2.5712x-0.1943和y=1.4889x-0.2812，該煤礦的采厚為320m，經計算知地表下沉系數和水平移動系數分別為0.838和0.294，該值在工程的允許范圍內，該礦山在水庫下的煤層可以進行正常開采，不會威脅水庫的安全。

4　結論

第一，煤層開采厚度與地表下沉系數和水平移動系數呈冪函數關系，可知煤層開采厚度對地表移動變形規律影響很大，但隨著開采厚度的增加，其變化趨勢呈現緩慢增加。合理煤層開采厚度對地表構筑物起到安全保護作用。

第二，隨著采深增加，地表下沉和水平移動的影響范圍有所增加，地表最大下沉值和最大水平移動值反而減小。采深與地表下沉系數和地表水平移動系數的關系成反冪函數關系，隨著采深增加，地表移動變化規律呈現減小趨勢。

第三，根據該礦山的實際情況，結合擬合函數，知該水庫下能正常進行整層開采。但對于地下開采的很多不確定因素，需要在煤田開采的過程中對水位實施24h監測，從而間接保證水庫及井下安全開采。

［1］李宏杰，楊鵬旭，文學寬，等.漳河水庫下煤炭資源開采可行性研究［J］.水文地質工程地質，2009，（06）：16-20.

［2］夏艷華.大采高長工作面地表移動變形規律研究［J］.煤炭科學技術，2012，40（11）：35-37.

［3］許國勝，許勝軍，李德海，等.趙城水庫下煤炭開采安全性研究［J］.煤礦安全，2013，44（4）：43-45.

［4］彭文斌．FLAC3D實用教程［M］．北京：機械工業出版社，2008.

［5］劉德峰，王銳濤，耿亞東，等.基于Hoek－Brown準則的數值模擬計算參數的研究［J］.金屬礦山，2013，（10）：43-46.

［6］何榮，郭增長，李春意.大采深極不充分開采地表移動和變形規律實測研究［J］.河南理工大學學報(自然科學版)，2008，27（1）：50-53.

［7］王帥，吳盾，劉桂建.淮南丁集礦地表移動和變形規律分析［J］.中國煤炭地質，2013，25（02）：48-51.

Mining Coal in the different Mining Conditions influence the Law of Surface Movement Deformation

GUJun
(Zhumadian WuguiqiaoCoal Limited,Zhumadian 463000,China)

It is crucial tomine underwater seamfor coal mine,taking reservoir in a coalfield as an example,usingFLAC3D numerical simulation software,simulating and analysing three different mining thickness such as 3 m,4.5 m,6 m and three different mining depth such as 300 m,400 m and 500 m to influence surface movement deformation law,the effect of the coefficient of surface subsidence and horizontal movement coefficient is calculated,with different thickness and fitting method for data mining depth,the results show that the mining thick,mining depth and coefficient of surface subsidence and horizontal movement coefficients appear exponential relationship,with mining thick and mining depth increasing,the surface movement deformation law showed a trend of slow increase and decrease respect respectively.By calculating,coalfield under reservoir can be mined normally,which will not threaten the safety ofthe reservoir.

FLAC3D;Surface subsidence coefficient;Horizontal displacement coefficient;Miningthick;Miningdepth

P642.2

A

1674-8646（2015）09-0037-03

2015-05-30

古君（1984-），男，河南駐馬店人，學士，助理工程師，從事土木工程礦建研究。