不同采出率條件下條帶開采地表移動變形規律

趙 柯

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.山西汾西礦業(集團)有限責任公司，山西 介休 032000)

0 引言

我國現階段煤炭資源的重點開發由東部不斷向西北移動，陜北淺埋煤層的開發日益擴大，導致了開發區域的地表沉陷、山體滑坡以及地表水土流失的環境破壞日益加劇，使得當地原本脆弱的生態環境更加嚴峻。陜北煤層主要的賦存情況為埋藏淺、薄基巖、厚松散層[1]，為了保證地表建筑(構)物以及水資源不受影響，該地質結構想要提高采出率，地表沉陷現象必然加劇，因此研究采出率對地表沉陷的影響是很有必要的。

針對煤炭開采而引起的地表沉陷問題，國內學者們做了大量的研究。例如，孫健等[2]依據巖層控制理論，推導結構隔水層及上方黏性土層穩定性力學判據，分析條帶充填覆巖隔水層穩定性影響因素。崔希民等[3]討論了開采沉陷的主要影響因素、預計參數的確定和預計誤差，強調了預計誤差和擬合誤差的區別。從現有預計方法存在的不足中提出了開采沉陷預計存在的問題和今后的研究方向。董羽等[4]通過理論計算充填體荷載及強度，分析充填體的穩定性；根據條帶開采后巖層移動情況確定預計參數，采用概率積分法計算充填回采后地表移動與變形。白二虎等[5]采用理論分析與相似模擬相結合的研究方法，以具體的煤礦為工程背景給出了條帶開采的采留寬、沿空留巷的巷旁充填寬度和充填率的確定原則，分析了巷旁充填體提升條帶煤柱穩定性的作用原理及置換煤柱開采的覆巖穩定性。賀強等[6]基于淺埋煤層開采下的地表沉陷控制理論及控制方法，提出不同開采方法相結合的開采模式。以關鍵層理論為依據，試驗研究為基礎，并結合數值模擬分析，研究了不同采-留-充相結合的開采方法對該礦區地表沉陷的控制作用。黃慶享等[7]根據特殊保水開采區典型條件，提出了條帶充填隔水巖組彈性基礎梁力學模型，給出了充填條帶壓縮量和隔水巖組的撓度計算公式，確定了下行裂隙的位置和發育深度，提出了合理的充填間隔寬度和充填條帶寬度計算方法。于洋等[8]研究了煤柱在地下水、風化作用等多種因素的作用下會發生剝離和尺寸縮減，使煤柱發生漸進性失穩破壞的影響因素，討論了采出率、地表沉陷控制和安全系數的協同關系。數值模擬計算是采礦工程研究的有效手段，通過數值模擬可以清楚地來研究煤炭開采而引起的地表沉陷問題[9-10]。劉洋等[11]使用FLAC3D數值模擬軟件建立模型，并且通過分析和計算得出了應力集中區域，從而判定了沖擊危險性。楊永杰等[12]研究了含水率對條帶煤柱蠕變特性的影響，得出含水率對煤樣蠕變特性具有明顯的影響，含水率越大，煤樣的蠕變變形量越大，其蠕變門檻值、蠕變強度及蠕變系數越低。采用改進的Burgers模型能夠較好地描述煤的蠕變力學特性并且以蠕變試驗結果為基礎，采用FLAC3D數值模擬軟件對不同含水率條帶煤柱的蠕變特性及穩定性進行了模擬分析。張藝凡等[13]采用數值模擬方法，模擬了不同坡度下的地表移動變形，總結巖體在不同坡度下的移動變形特征。

為了使煤炭開采能在一個安全、高效、合理的過程中進行，研究煤礦采出率是非常必要的[14]。以榆林某礦為工程背景，利用FLAC3D數值模擬軟件模擬不同采出率下的地表沉陷情況，并且在模型地表布置測點，通過收集地表位移數據，得到地表下沉、地表水平和曲率曲線圖，進而對地表移動規律進行分析和研究。

1 采出率及采、留寬的選取

1.1 工程概況

以榆林市榆陽區某煤礦為工程背景。該礦開采方式為條帶開采，礦井主采3號煤層，302盤區構造較簡單，在工作面范圍內，巖層與煤層為近水平，平均厚度5.34 m。巖性以中細粒砂巖為主，粗砂巖次之。巖石較為堅硬，強度較大。煤層埋藏較淺，基巖比較薄、松散層厚度較大。

1.2 采出率及留寬計算

根據單向應力法計算條帶煤柱的安全性計算公式[15]

(1)

式中，γ為上覆巖層的平均容重，g/cm3；a為保留條帶(礦柱)的寬度，m；b為采出條帶寬度，m;Pd為礦柱實際承擔的平均載荷，MPa。

礦體的強度Rc按經驗公式來確定，經驗公式為

Rc=7.18a0.46M-0.66

(2)

式中，a為保留條帶(礦柱)的寬度，m；M為礦柱的高度，m。

條帶煤柱穩定性的安全系數Sf應滿足

(3)

計算煤柱的核區率

(4)

式中，rp為煤柱屈服寬度，m；T為煤柱高度，m；d為開采擾動因子，取1.5～3.0；β為屈服區與核區界面處的側壓系數；C為煤層與頂底板接觸面的粘聚力，MPa；φ為煤層與頂底板接觸面的摩擦角，(°)；σzl為煤柱極限強度，MPa；Px為煤壁的側向約束力，MPa；a為煤柱寬度，m。

根據地質資料以及經驗求得參數，煤柱高度T=5 m；開采擾動因子d=2.0；屈服區與核區界面處的測壓系數；β=0.3；煤層與頂底板接觸面的粘聚力C=0.8 MPa；煤層與頂底板接觸面的摩擦角φ=15°；煤柱極限強度σzl=8 MPa；煤壁的側向約束力Px=1 MPa。

(5)

式中，ρ為核區率。

根據式(4)(5)可以分別計算出不同采出率Sf、ρ值及采留寬度，見表1。

表1 不同采出率Sf、ρ值

由表1可以看出不同采出率的安全系數Sf均大于1，核區率ρ基本滿足≥65%的要求，并確定采留寬度。

2 數值模擬

2.1 模型的建立

以3號煤層為研究對象，建立FLAC3D模型，模型的尺寸為長360 m、寬100 m、高205 m；煤巖層位根據表2的煤巖土層巖性及力學參數進行布置，模型頂部為自由邊界，模型其余邊界進行位移約束。模型初始平衡采用摩爾-庫侖模型進行計算模型。在模型上邊界從左邊開始沿走向主斷面每隔10 m布置一個測點，其開挖簡圖如圖1所示。

表2 煤巖土層巖性及力學參數

圖1 不同采出率開挖簡圖

2.2 模擬結果分析

根據走向主斷面布置觀測點收集到的數據進行結果分析，見表3。

表3 不同采出率的極值

2.2.1 不同采出率地表移動

由圖2～5各曲線圖中可以看出在采出率大于50%之后4個指標的極值明顯增大，造成這個結果的原因是由于留設煤柱尺寸減小，塑性區增加。

圖2 不同采出率下沉曲線

2.2.2 采出率與地表移動變形關系

通過分析可以得到不同采出率對地表的下沉、水平移動、曲率、傾斜極值均隨采出率的增加呈非線性不斷增加，通過不同采出率與地表移動變形關系進行擬合分析，得出采出率與各個指標極值均呈冪函數趨勢增長，具體關系如圖6～9所示。各擬合曲線圖中可以看出采出率隨各個指標參數數值的增大而增大，呈現指數函數增長。

圖3 不同采出率水平移動曲線

圖4 不同采出率地表曲率曲線

圖5 不同采出率地表傾斜曲線

圖6 采出率與下沉(w)關系

圖7 采出率與水平移動(u)關系

圖8 采出率與曲率(k)關系

圖9 采出率與傾斜(i)關系

3 結論

(1)隨著采出率的增加，對應的地表移動變形值也隨之增大，當采出率大于50%時，各地表移動變形加劇，原因是留設煤柱尺寸減小，塑性區增加。

(2)通過分析可知采出率對地表移動極值有較大影響，地表的下沉值、水平移動、曲率、傾斜極值與采出率呈非線性關系，并給出相應的表達式。

(3)研究成果表明，該礦的采出率為50%較為合理，能保證該礦井建筑物安全開采，研究成果也為該礦區研究條帶開采提供了科學依據。