建筑物下開采方案優化研究

劉寶敏，彭小亞

(河南平煤神馬梁北二井煤業有限公司，河南 禹州 461670)

目前，我國生產礦井“三下”壓煤總量約為140億t，可供10個年產10.0 Mt/a的礦井生產140年，其中建筑物下壓煤約90億t，占64%，村莊壓煤占建筑物下壓煤量的60%左右[1-3]。由于部分礦井建筑物下壓煤占其可采儲量的50%～95%，造成礦井采掘接替緊張，嚴重影響了礦井的正常生產，解放“三下”壓煤刻不容緩[4-7]。

某礦區南翼走向長約1 200 m，傾斜長約860 m，受地面村莊保護煤柱的影響，開采15號煤層時不能簡單布置傳統的綜放長壁工作面，而應該根據村莊保護煤柱特點，結合建筑下采煤新技術，將三礦傳統開采技術與“三下”特殊開采技術相糅合，找出一套技術可行、經濟合理的建筑物下采煤方案，在能夠有效控制地表移動變形，減小地表沉陷的基礎上，保證地面村莊建筑物處于Ⅰ級損壞以內，確保地面建筑物的安全使用，在此基礎上，最大限度的提高煤炭資源采出率，實現不遷村安全采煤，這將具有顯著的經濟和社會效益，延續了礦井的可持續發展。

當前，針對建筑物下開采，國內外采用較多的井下開采技術措施有：條帶開采、房柱式開采、采空區充填(膏體充填、似膏體充填、高水充填、水砂充填)、采空區部分充填、離層注漿充填減沉、冒落區注漿充填減沉、矸石置換充填、協調開采等。我國建下普遍采用的是條帶開采，其減沉效果明顯，缺點是回采率低、資源損失嚴重。

根據某礦區三礦擴四區南翼建筑物下煤層賦存特點，找出技術可行、經濟合理的開采方案，不僅解決了三礦建筑物下壓煤問題，同時為陽泉礦區類似條件的建筑物下安全開采提供借鑒。

1 試驗工程概況

礦區南翼地面建筑物有沙灣村和官溝村兩個村莊，與之相鄰的是官溝煤礦的工業廣場。但是不屬于擴四區的范圍，因此在開采設計中，僅考慮這2個村莊對應壓煤范圍的合理開采設計方案。其中，在官溝村內，有旅游景區銀圓山莊，興建于1700年，被譽為山西的小布達拉宮，并與2005年對外開放。

根據已知的巖層移動角度，針對15號煤層，計算得出現有建筑物壓煤范圍，如圖1所示。由于15號煤層平均厚度6～7 m，在不考慮地表建筑物搬遷的前提下，要想采出此建筑物下煤炭資源，必須采用特殊的開采方法。

圖1 15號煤層建筑物保護煤柱范圍Fig.1 Scope of building protection coal pillar in No.15 coal seam

2 建筑物下開采方案的數值模擬研究

采用UDEC3.0數值模擬軟件[8-10]，該軟件是一種基于非連續體模擬的離散單元二維數值計算程序，主要模擬靜載或動載條件下非連續介質(如節理塊體)的力學行為特征，非連續介質是通過離散塊體的組合來反映的，節理被當作塊體間的邊界條件來處理，允許塊體沿節理面運動及回轉。單個塊體可以表現為剛體也可以表現為可變形體。UDEC3.0提供了適合巖土的7種材料本構模型和5種節理本構模型，能夠較好地適應不同巖性和不同開挖狀態條件下的巖層運動的需要，是目前模擬巖層破斷后移動過程較為理想的數值模擬軟件。UDEC離散單元法數值計算工具主要應用于地下巖體采動過程中巖體節理、斷層、沉積面等對巖體逐步破壞的影響評價。UDEC能夠分析研究直接和不連續特征相關的潛在的巖體破壞方式及煤層開挖后頂板垮落、離層的過程，可以較準確地分析條帶開采后覆巖的移動和地表的沉陷。

2.1 數值模擬方案及建模

2.1.1 建立計算模型

根據三礦擴四區南翼煤層賦存的具體地質情況，在對現場情況進行簡化和抽象的基礎上，建立二維數值計算模型，如圖2所示。模型總長度為1 000 m，高度為435 m，煤層實際傾角平均5°建模時簡化為水平煤層，擴四區南翼3煤層厚度取平均為2 m，15煤層平均厚度7.5 m，模型中的巖層厚度、巖性參考采區附近311號鉆孔柱狀圖。計算模型中兩邊各留設200 m的邊界煤柱，以消除模型尺寸大小對地表下沉的影響。模型邊界條件采用位移固定邊界，其中兩側邊界為單向約束，底部邊界為雙向約束。模型僅受重力作用，采用摩爾—庫侖模型。

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

計算模型中的巖層的力學參數選取見表1。

表1 數值模擬計算中不同巖層的力學參數Tab.1 Physical parameters of different strata during numerical simulation calculation

2.1.2 數值模擬方案

根據地質鉆孔的揭露情況，設計區域煤層厚度為7.5 m，保護煤柱下若采用條帶開采，需要保證煤柱的穩定，通過計算可得采全厚7.5 m，采出率為

50%，需要留設的煤柱寬度為215 m，幾乎與長壁開采相同，由于設計區域采深300～400m，全厚條帶開采必然會造成地面的大幅度破壞，全厚開采是不可行的。因此，考慮僅采頂分層的條帶布置方案。在建筑物保護煤柱之外的區域采用全采，工作面長度為180 m，村莊壓煤區域采用條帶開采方案，采用綜放開采。根據實際條件，提出如下幾種模擬方案：①采3 m頂分層，全采；②采3 m頂分層，采90 m留90 m煤柱；③采3 m頂分層，采70 m留90 m煤柱。

制藥工程專業教學質量國家標準對于實驗課程有著明確要求，在化學、藥學類、生物類、工程類學科基礎課程和專業課程中必須包括一定數量的實驗。工程教育專業認證標準及其補充標準中明確指出，實踐教學學分(含課程實驗折合學分)不少于總學分的25%。

2.2 數值模擬結果分析

利用UDEC數值模擬軟件，對不同開采方案的進行模擬計算分析[11-13]。

2.2.1 采3 m頂分層，全部全采

開采3 m頂分層，通過對所建模型地表下3 m處布設的沉陷觀測線數據的計算處理，得出各項移動變形指標，如圖3所示。

圖3 全采地表移動變形曲線Fig.3 Full mining surface movement deformation curve

全采方案地表移動變形值：下沉量為2 381 mm；傾斜為-15.1～17.1 mm/m；曲率為-0.48×10-3～0.24×10-3m-1；水平移動為-550～360 mm；水平變形為-1.51～3.41 mm/m。

由預計結果可見，全采之后，傾斜值已經超過建筑物Ⅲ級破壞，地表破壞嚴重，對應的地面建筑已經超過Ⅱ級破壞。因此，頂分層全采的方案是不可取的。故考慮采用頂分層條帶開采方案。

2.2.2 采3 m頂分層，采90 m留90 m煤柱

采90 m留90 m煤柱方案，采出率達到50%，在條采開采中采出率屬于相對較大的數值。采用條帶開采之后，覆巖運動的程度與全采相比得到了有效的控制，覆巖受應力擾動高度明顯降低。通過對測線上沉陷數據的統計計算，得到了如圖4所示的地表移動曲線。

圖4 采90 m留90 m煤柱地表移動變形曲線Fig.4 Surface movement and deformation curve of mining 90 m remain 90 m coal pillar

采90 m留90 m煤柱方案地表移動變形值：下沉量為330 mm；傾斜為-2.6～2.8 mm/m；曲率為-0.06×10-3～0.05×10-3m-1；水平移動為-71～68 mm；水平變形為-0.85～1.96 mm/m。

由統計結果可以看出，采用此方案后，地表下沉量明顯減小，傾斜和水平變形值均超過了設定的建筑物Ⅰ損壞臨界值，最大傾斜為2.8mm/m，最大拉伸水平變形為1.96 mm/m。因此，采用此方案也是不行的。在此基礎上，需要進一步減小采出率，以進一步減小地表移動變形的值。

2.2.3 采3 m頂分層，采70 m留90 m煤柱

采用現方案之后，采出4個條帶之后，覆巖受到應力擾動高度較采90 m留90 m煤柱方案有明顯下降，這樣對地表建筑物的影響更小。布設測線所記錄的地表移動變形值如圖5所示。對于采70 m留90 m煤柱的開采方案，經過模擬后，得出下沉量為206 mm；傾斜-1.47～1.29 mm/m；曲率-0.03×10-3～0.03×10-3m-1；水平移動-46～45 mm；水平變形-0.4～1.0 mm/m。地表各項移動變形值均小于設定的建筑物Ⅰ級損壞臨界值。因此采用此方案是可行的。

圖5 采70 m留90 m煤柱地表移動變形曲線Fig.5 Surface movement and deformation curve of mining 70 m remain 90 m coal pillar

3 15號煤層建筑物下采煤方案沉陷預計

3.1 擴四區南翼建筑物下條帶開采方案

在以前的開采實踐中，由于考慮到建筑下采煤的復雜性，對保護煤柱范圍內的煤炭資源一般采取丟棄的不采的做法。但隨著煤炭資源的日益緊缺，煤炭對于生產生活的重要價值更加明顯。因此，需要在保證地表建筑物的一定的破壞范圍內，盡可能多的開采煤炭資源量，做到資源的充分利用[8-10]。

在3號煤層開采過程中，所有建筑物保護煤柱范圍的煤炭資源均沒有開采，也沒有進行后期的回收，浪費相當嚴重。而且由于15號煤層厚度較大，平均厚6～7 m，如果丟棄，將造成更大的煤炭資源浪費。因此，在保證地表建筑物不超過Ⅰ級破壞的前提下，制定15號煤層建筑物保護煤柱的安全開采。根據條帶開采數值模擬結果，對最優方案利用概率積分法進行預計。條帶布置方式如圖6所示。

圖6 條帶布置方案Fig.6 Strip layout scheme

3.2 條帶開采布置及其地表沉陷預計

礦區沉陷預測預報是礦山開采沉陷學科的核心內容之一，對開采沉陷的理論研究和生產實踐都有重要的意義。利用預測的結果可以定量地研究受開采影響的巖層與地表移動在時間上和空間上的分布規律。預測所得的結果常被用來判別建筑物是否受開采影響和受開采影響的程度，作為受影響建筑物進行維修、加固或就地重建或采取地下開采措施的依據；可以根據預測所得的結果判斷建筑物、鐵路、水體下開采的可能性；可以根據預測的結果全面掌握礦區土地的塌陷情況，包括塌陷面積、塌陷深度，以便開展礦區土地復墾，保護礦區生態環境等。過于保守的(偏大)預測結果將導致花費不必要的保護費用，造成浪費；過于低估影響的(偏小)預測結果可能導致保護措施不足，使保護對象受到破壞，造成不必要的經濟損失。長期的實踐證明，該系統的預測預報結果是準確的和可靠的。

采用推薦方案，煤柱下可以布置4個條帶工作面，采出率為43.7%。根據模擬及分析結果，認為在此條件下，采70 m留90 m煤柱方案為最優方案，條帶設計后可以滿足地表建筑物移動變形值均小于設定的建筑物Ⅰ損壞臨界值。

地表移動變形值見表2，地表建筑物范圍對應的移動變形值見表3。

根據表2、表3可知，采用此方案后，地表最大下沉量為210mm，傾斜為-1.2～0.8mm/m，水平

表2 地表移動變形值Tab.2 Surface movement deformation value

表3 地表建筑物范圍對應的移動變形值Tab.3 Movement deformation value corresponding to the range of surface buildings

變形為-0.2～0.3 mm/m。其中，沙灣村地表最大下沉量為190 mm，傾斜為-0.3～0.5 mm/m，水平變形為-0.05～0.30 mm/m；官溝村地表最大下沉量為130 mm，傾斜為-0.5～0.4 mm/m，水平變形為-0.2～0.3 mm/m。地表建筑物的移動變形值均小于設定的建筑物Ⅰ損壞臨界值。

4 結論

(1)根據采區的地質開采條件，提出3種開采方案，并利用UDEC數值模擬軟件，對個方案的結果進行模擬研究。結果表明，在僅開采3 m頂分層的前提下，全采方案中各項地表移動指標均超過建筑物Ⅱ級破壞等級，方案不可行；對采90 m留90 m煤柱、采70 m留90 m煤柱條帶布置方案進行模擬計算，最終選用采70 m留90 m煤柱條帶開采方案。

(2)在UDEC數值模擬的基礎上，利用概率積分法對采70 m留90 m煤柱條帶開采方案進行了沉陷預計。結果表明，地表最大下沉量為210 mm，傾斜為-1.2～0.8 mm/m，水平變形為-0.2～0.3 mm/m。其中，沙灣村地表最大下沉量為190 mm，傾斜為-0.3～0.5 mm/m，水平變形為-0.05～0.30 mm/m；官溝村地表最大下沉量為130 mm，傾斜為-0.5～0.4 mm/m，水平變形為-0.2～0.3 mm/m。地表建筑物的移動變形值均小于設定的建筑物Ⅰ損壞臨界值。

(3)采用此條帶布置方案，在煤柱區域可以布置4個條帶工作面，采出率為43.7%，可以多采出煤炭資源54.9萬t。