條帶煤柱留設對地表移動變形影響的數值模擬研究

李 鋒 胡德省 沈永炬

(江蘇省第二地質工程勘察院)

條帶開采是在一個開采區域內將煤層分割成若干個條帶，采用開采一條(采出條帶)、保留一條(保留煤柱)的方法，從而控制地表的移動和變形[1-2]。在目前的實際工程應用中，條帶開采不同于其他開采方法，其實施情況往往比較特殊[3-7]，大量的煤礦工程實踐和國內外的條帶開采經驗表明，條帶開采的安全范圍是采寬一般不超過采深的1/3～1/4[8-9]。但是關于條帶開采的采寬、留寬與地表變形的關系的研究并不多見。本文通過有限差分法及模擬軟件FLAC3D在固定開采率的前提下，分別對不同采寬、留寬條件下進行數值模擬，分析3種條件下的地表變形及位移情況，并對其關系進行研究，初步揭示規律，以期為以后工程實踐提供準確的理論依據。

1 研究區地層條件特征

山東某礦區為典型的華北型煤田，所揭露的地層有第四系、第三系、二疊系、石炭系等。第四系最大揭露厚度為198.95 m，主要由亞砂土、亞黏土、砂組成，底部含礫石層。第三系為一套山麓洪積相沉積，厚0～21.24 m，主要為褐紅、棕黃及黃色黏土、亞黏土與砂互層,底部含礫石層,與下伏地層呈角度不整合接觸。井田內含煤地層為石炭系上統太原組和二迭系下統山西組。山西組為K7～K8砂巖底，與下伏太原組呈整合接觸，平均厚57.36 m。其中,3#煤層穩定可采，是本次研究的主要對象。3#煤層厚5.47～7.80 m，平均為6.22 m；距頂0.60 m左右，有一層較穩定的泥巖、炭泥夾矸(厚0.24 m)，屬開闊的覆水泥炭沼澤沉積。3#煤層頂至2#煤層底平均厚20.92 m，為淺灰中細粒砂巖、砂質泥巖、泥巖，產植物葉化石，其間的K砂巖交錯層理、平行層理發育，屬分流河道沉積，其上以沼澤或分流間灣等沉積為主的三角洲前緣相。

2 模型建立

對選定礦區地質剖面進行概化，研究范圍覆蓋整個工作面。用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬，取走向長度600 m，巖(土)層高度193 m，其中，煤層底板巖層高14 m，煤層高6 m，頂板巖層高38 m，松散層高135 m。不考慮地下滲透、水流、熱交換等因素，巖體天然應力場視為自重應力場, 巖、土體均看作連續介質, 上覆土體可看作均質各向異性體，對邊界進行約束。計算采用的巖石力學參數依據研究區煤柱區覆巖力學性質指標, 見表1。

表1 煤柱區覆巖力學性質參數

3 方案制定

根據我國多年的開采經驗表明，當煤炭的采出率超出70%時，一般會引起較大的地表移動與變形，甚至發生頂板大面積的一次冒頂[10-12]，根據地層地質條件，合理控制采出率才能取得良好的效果。為使模擬準確合理，將采出率定為50%，采寬選取30,40,60 m，通過不同的方案對比分析地表移動變形隨條帶煤柱的不同留設而產生的變化和規律，具體方案見表2。

表2 50%采出率的3種方案

4 模擬結果及分析

4.1 巖土體位移變化情況

當煤層被開采時，隨著煤系地層的缺失，煤層周圍的巖層會失去原有平衡，在應力重分布的作用下不可避免地產生變形和移動。當開采區域達到一定范圍, 在拉應力和剪應力作用下煤層頂板會發生變形甚至破壞，進而從下向上發展到地表, 最終結果是造成地表發生移動甚至沉陷。圖1、圖2分別為在相同采出率下不同開采方案的垂向下沉等值線圖和水平位移等值線圖。

圖1 不同方案的垂向位移等值線(單位：m)

通過對圖1、圖2進行比較,發現隨著條帶采寬和留寬的增大,煤層頂板位移也隨之增大，說明隨著開采范圍的加深，煤層頂板在應力和重力的作用下變形程度變大，其相應的水平及垂直變形量也變大，并且變形的影響范圍隨著開采條帶的個數的減少及預留煤柱寬度和采寬的增大，其影響范圍也隨之增大。

圖2 不同方案水平位移等值線(單位：m)

當采寬和留寬均為30和40 m時，覆巖下沉變化平緩，由下向上逐漸形成單一的下沉盆地，說明這2種方案的煤層開采對煤層頂板的變形影響是持續且低緩的。當采寬和留寬為60 m時，煤層正上方的覆巖呈較明顯的波浪式下沉，但是這種波浪式的下沉形式隨著深度的變小而逐漸消失，而波浪帶上方至地表的巖層下沉值較穩定，呈單一平緩的下沉盆地，說明方案3的煤層開采對靠近開采區的變形影響較大，但是隨著深度降低對地表變形的影響反而減弱。

而從水平變形來看，煤層頂板的水平變形值相對中心條帶的開采區呈對稱分布，并且在第一個條帶的開采區處就達到最大值，在中心條帶的采空區處約為零。巖層各處的水平變形均存在著隨著采寬的增大而增大的趨勢。

4.2 地表移動變化情況

圖3、圖4分別為地表水平移動和地表下沉曲線圖。可以看出，地表的各點下沉量和水平移動量都隨著采寬和留寬的增大而增大。方案1和方案2地表最大下沉量分別為0.516 2和0.616 4 m，都在磚石結構建筑物的破壞(保護) 等級規程規定的Ⅱ級保護范圍內,在條采設計合理的條件下, 可以達到有效控制地表移動變形的目的。在采出率相同的條件下,一般認為,采用小采寬更能控制地表變形。我國設計的條帶開采寬度在10～160 m,寬深比多為0.043～0.347。但采寬較小不利于采煤生產效率的提高,因此，應根據保護地表建筑物和客觀地質開采條件的要求合理地設計條帶的采寬和留寬。

圖3 地表水平移動曲線

圖4 地表下沉曲線

4.3 綜合分析

根據模擬輸出的等值線圖，將地表變形的相關參數匯總得表3。可以得出，一定深度開采時，在控制采出率相同的情況下，代表地表相應位移情況的下沉量、水平移動、水平變形、下沉系數、曲率、最大傾斜等參數隨著采寬的增大而增大；根據模擬結果，方案3的位移變化最大。

表3 采出率50%時地表移動變形參數的最大值

5 工程實例驗證

根據模擬結果，礦井在建筑物下的試采工作面設計采出率為50%，采寬和留寬均為30 m(方案1)。根據地表位移實際觀測站測的數據分析得到,在條帶開采期間，地表的最大沉陷值為542 mm,比數值模擬預計的516.2 mm大35.8 mm。預計的結果和現場觀測的數據基本吻合，偏大的主要原因為該礦區地層呈典型的華北型煤田特征，即巨厚松散層下伏薄層基巖，因此，在一定采寬下,其地表及覆巖的移動變形表現為正常垮落法開采(短壁)的特征，相對一般條帶法設計預測地表沉陷量偏大。通過數值模擬結果與實測數據的對比，也證實了利用數值模擬方法預計地表沉陷變形的可行性及可靠性。

6 結 論

(1)數值模擬較直觀反映出開采過程中煤層頂底板破壞變形情況，經與現場實際數據對比，證明了數值模擬在開采沉陷預計中普遍應用的可行性。若將參數優化，更客觀反映實際，將提高開采變形預計的準確性。

(2)條帶開采中，在采出率和采深相同的情況下，地表的下沉量、水平移動、水平變形、曲率、下沉系數、傾斜等各項參數具有隨著采寬增大而增大的趨勢。

(3)對埋深193 m，采高6 m的研究礦區，在采出率為50%的情況下，采寬為30和40 m都是較合理的，采取合理工程措施，可以有效預防和控制地表變形。

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