古汉山矿开采沉陷特征模拟研究

贾明魁

（1.中国矿业大学 （北京），北京 100083;2.河南煤化集团焦煤公司，河南焦作 454000）

古汉山矿开采沉陷特征模拟研究

贾明魁1，2

（1.中国矿业大学 （北京），北京 100083;2.河南煤化集团焦煤公司，河南焦作 454000）

深部厚煤层特殊开采的地表沉陷特征是一个全新的研究课题，对于深部厚煤层“三下”压煤开采具有重要意义。为研究这一课题，以焦煤古汉山矿采矿地质条件为例，利用通用离散元软件UDEC，对部分开采以及充填开采进行了数值模拟研究，研究了部分开采采出率以及充填开采充填采厚比对地表沉陷的影响，得出了深部厚煤层特殊开采条件下的地表沉陷规律，对其他矿区的“三下”压煤开采也具有一定的参考意义。

深部厚煤层;“三下”压煤;特殊开采;地表沉陷;数值模拟

随着我国煤炭资源持续大规模开采，煤炭生产矿区产生大量“三下”（建筑物、铁路及水体下）压煤［1］，某些矿区“三下”压煤量甚至已占矿区可采储量的80%以上。而传统的全陷法开采地表移动变形剧烈，破坏矿区环境，影响工农关系，因此，如何经济合理地开采“三下”压煤，已成为保持矿区经济、社会发展和稳定的重要问题。

“三下”压煤开采的关键在于地表的沉降控制，因而部分开采及充填开采等能减缓地表移动变形的开采方法是目前解决“三下”压煤开采主要技术措施［2－3］。而随着煤层开采往深部发展，深部煤层地下开采的地表沉陷特征值得深入研究，为此，于保华［4］等研究了深部开采的地表沉陷特征;邓喀中［5］等研究了深部极不充分开采条件下的地表沉陷预测与控制;何满潮［6］等指出深部开采的岩体力学特点及研究方向;王金安［7］等研究了建筑物下厚煤层特殊开采。总体而言，目前对深部厚煤层特殊开采条件下的地表沉陷特征研究较少。

为研究深部厚煤层在特殊开采条件下的地表沉陷特征，本文拟采用数值模拟［8］手段，对煤层地下开采过程进行模拟，就部分开采［9］以及充填开采技术下的地表移动变形进行计算分析，以获得深部厚煤层在特殊开采条件下的地表沉陷规律。

1 模型建立

数值模拟采用由ITASCA公司开发的商业软件UDEC进行，UDEC是一款处理不连续介质的二维离散元程序，用于模拟非连续介质 （如岩体中的节理裂隙等）承受静载或动载作用下的响应，非常适合用以研究地下开采引起的上覆岩层及地表的移动变形问题。

模拟对象为焦煤古汉山矿，模型长1800m，厚600m，煤层厚6.75m，埋深约500m，煤层上覆岩层厚约370m，表土层厚125m。模型参照焦煤古汉山矿的地层并经适当简化而建立，共分31层，为监测采动过程中覆岩及地表的移动变形，在模型上布设了移动观测线，每条水平观测线设91个测点，间距20m等距分布，各测点在煤层开采过程中监测竖向及水平向移动变形量，用于后期分析。

岩石的物理力学性质是地下工程设计和计算的基础，直接关系到地下煤层采动过程中上覆岩层的垮落破断及移动变形状态。为准确把握焦煤古汉山矿煤层上覆岩层力学参数，根据研究的需要，对二1煤层顶底板岩石进行了室内岩石力学试验，所获得的二1煤层顶底板的岩石力学性质参数如表1所示。岩层物理力学参数参考室内试验结果选取，但工程岩体由于节理断层的存在，其强度一般为岩块强度的几分之一至几十分之一，本次模拟计算所选取的岩土层的力学性质参数如表2所示。

表1 煤层顶底板岩性参数

表2 岩土层物理力学性质参数

原岩应力场是数值计算的基础之一，焦煤矿区地应力实测结果［10］表明，焦煤地区水平应力南北向明显大于东西向。鉴于焦煤古汉山矿煤层走向为近东西向，且煤层开采上覆岩层移动机理主要是采空区上覆岩层在重力作用下的垮落破断和移动变形。因此，本次模拟垂直应力取岩层自重，走向水平应力取0.8倍自重，垂直走向水平应力取1.2倍自重。同时模型边界条件设定为:左右两边滚支，下部边界固定，在此条件下进行初始应力平衡及后续计算。

2 模拟开采方案及结果分析

2.1 常规开采模拟

为检验数值模型的实际效果，首先进行了常规开采条件下全陷法开采的模拟计算，模拟工作面沿煤层走向推进，推进距离为800m。计算结果如图1、图2所示。

图1 沿走向推进800m后模型下沉及水平移动状态

图2 沿走向推进800m后模型地表下沉及水平移动曲线

由计算结果可见地下开采800m采动稳定后达到充分采动状态，地表最大下沉值约4995mm;水平移动在地表达到最大值，最大水平移动值约1183mm，即在此采矿地质条件下的地表下沉系数为0.74，地表水平移动系数为0.24，这与焦东矿区实测地表下沉及水平移动系数非常接近，同时地表下沉及水平移动曲线符合实测地表移动变形规律，表明该数值模型可以用于该采矿地质条件下地下煤层开采模拟。

2.2 条带开采

条带开采是将开采的煤层区域划分成比较规则的条带形状，采一条，留一条，使保留的条带以煤柱的形式支撑上覆岩层，控制冒落带、裂缝带的发育，从而减少地下开采导致的地表沉陷变形。条带开采设计的重要内容是条带采留宽度设计，即条带采出率设计，不同采出率条带开采对地表移动和变形的影响程度不同。为研究在不同采出率条件下条带开采的地表沉陷规律，本次模拟分析了5种采出率，分别为30%，40%，50%，60%和70%，对应的条带采留宽度分别为:采30m留70m、采40m留60m、采50m留50m、采60m留40m、采70m留30m。其中采出率50%条件下条带开采稳定后模型下沉及水平移动状态云图见图3;5种采出率条件下条带开采的地表移动和变形结果如表3，图4所示。

图3 采50m留50m开采结束后模型下沉及水平移动状态

表3 不同采出率条件下条带开采结束后地表移动变形

图4 不同条带采出率条件下地表下沉曲线

由以上结果可见，条带开采对于地表的沉陷控制具有明显的效果，当条带采出率为50%时，地表下沉系数仅有0.122;但随条带采留宽度比的增大，地表最大下沉呈现一种迅速增大的趋势，表明地表受采动影响程度随采出率的增加而迅速增大。

2.3 限厚开采

地表最大下沉值与煤层采高成正比，减小煤层采高可以减少地表变形，限厚开采即是通过限制煤层采高的方式减小对地表的采动影响程度。为研究不同的煤层采高对地表移动变形的影响规律，模拟分析了5种采高:2.03m，2.70m，3.38m，4.05m和4.73m，对应的采出率分别为 30%，40%， 50%，60%和70%，计算结果如表4，图5、图6所示。

表4 限厚开采条件下地表移动变形

图5 限厚2.03m开采结束后模型下沉及水平移动状态

图6 限厚开采条件下地表下沉曲线

由上述结果可见，限厚开采条件下地表下沉系数及水平移动系数基本稳定，限厚开采对地表的采动影响程度随采厚的增大而增大。与条带开采相比，采出率相同的情况下，限厚开采对地表的采动影响程度远大于条带开采。

2.4 充填开采

采空区充填对井下开采的地面减沉具有明显的作用，实践中常根据地面保护等级采用不同的充填厚度。充填材料种类繁多，本次模拟主要研究水砂充填开采对地表的采动影响程度。

模拟分析了5种充填采厚比，即30%，40%，50%，60%和 70%，对应的充填厚度分别为2.03m，2.70m，3.38m，4.05m和4.73m。计算结果如表5及图7、图8所示。

表5 充填开采结束后地表移动变形

图7 充填4.05m开采结束后模型下沉及水平移动状态

图8 不同充填厚度条件下开采地表下沉曲线

由此可见，充填开采对于地表的沉陷控制具有明显效果，充填开采对地表的减沉效果与充填厚度成正比;地表下沉值和水平移动值随采空区充填厚度增大而减小，但地表水平移动系数基本稳定。

2.5 结果分析

煤层厚度一定条件下，地表沉陷量越大则表明地表受采动影响程度越剧烈。因此，煤厚一定的条件下可以采用地表最大下沉值表征地表受采动影响程度。

图9是不同开采方法条件下地表最大下沉值与采出率或充填采厚比之间的关系曲线。可见限厚开采与条带开采相比，煤炭采出率相同的条件下，限厚开采对地表的采动影响程度远大于条带开采。原因在于地表采动影响程度除与采厚有关外，还与地下采空区大小有关，条带开采留下的条带煤柱一方面承载了上覆岩层的压力，限制了顶板冒落带、裂缝带的发育高度;另一方面也大大降低了地下采空区的面积，从而很大程度上降低了对地表的采动影响程度;而限厚开采会形成大面积的地下采空区，覆岩失去支撑移动变形较为剧烈，加大了对地表的采动影响程度。

图9 地表下沉值与采出率或充填采厚比关系曲线

由图9可见限厚开采在不同采出率条件下地表下沉与采出率近似线性关系并逐步增大，表明地表采动影响程度与煤层采厚成正比;条带开采随采留宽度比的增大，地表最大下沉呈现一种迅速增大的趋势，表明地表受采动影响程度随条带采出率的增加而迅速增大。

充填开采相当于降低了煤层的有效采厚，因而很大程度上可降低对地表的采动影响程度。由图9可见，地表最大下沉与充填采厚比近似线性关系并逐步降低，表明充填开采条件下地表受采动影响程度与充填厚度成反比，这与实测结果较为一致。

3 结束语

“三下”压煤开采因地表建 （构）筑物需要保护而对地表移动变形控制要求较高，因此，能减缓地表移动变形的开采方法，如部分开采及充填开采在“三下”压煤开采中得到了广泛应用，是目前解决“三下”压煤问题的主要开采技术措施。而随着煤层开采往深部发展，深部厚煤层特殊开采的地表移动特征值得深入研究。

采用UDEC软件模拟研究了深部厚煤层在条带开采、限厚开采和充填开采条件下的地表沉陷特征。研究结果表明:条带开采条件下，随着条带采出率的增加，地表最大下沉值和最大水平移动值都显著增加，即地表受采动影响程度随条带开采采出率增加而迅速增大;限厚开采的模拟研究结果表明，限厚开采条件下地表下沉系数及水平移动系数虽趋于稳定，但限厚开采的地表最大下沉值与采厚成正比，即限厚开采对地表的采动影响与采厚成正比;充填开采的模拟研究结果表明，地表最大下沉值与充填采厚比呈近似线性关系并逐步减小，即充填开采对地表的减沉效果与充填厚度成正比。

深部厚煤层在特殊开采条件下的地表沉陷特征有其自身的特点，这是由深部开采的采动沉陷机理所决定的，而深部厚煤层的采动沉陷机理则是下一步需要深入研究的问题。

［1］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［2］何国清，杨 伦，凌赓娣，贾凤彩，洪 镀.矿山开采沉陷学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2004.

［3］孙文华.三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册［M］.北京:中国煤炭出版社，2005.

［4］于保华，朱卫兵，许家林.深部开采地表沉陷特征的数值模拟［J］.采矿与安全工程学报，2007，24（4）:422－426.

［5］邓喀中，张冬至，张周权.深部开采条件下地表沉陷预测及控制探讨［J］.中国矿业大学学报，2000，29（1）:52－55.

［6］何满潮，谢和平，彭苏萍，姜耀东.深部开采岩体力学研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（16）:2803－2813.

［7］王金安，谢和平，M.A.Kw asniewski，王广南.建筑物下厚煤层特殊开采的三维数值分析 ［J］.岩石力学与工程学报，1999，18（1）:12－16.

［8］李德海，等.厚松散层下条带开采技术研究［M］.北京:中国科学技术出版社，2006.

［9］ Itasca Consulting Group Inc.UDEC（Universal Distinct Element Code），Version 4.0.Minneapolis，MN:ICG;2004.

［10］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

Numerical Simulation of Surface Subsidence Characteristic in Guhanshan Colliery

JIA Ming-kui1，2

（1.China University of Mining＆Technology（Beijing），Beijing 100083，China; 2.Coking Coal Corporation，Henan Coal＆Chemistry Group，Jiaozuo 454000，China）

Surface subsidence rule of deep thick coal-seam mining is a new research tendency and is very important for mining deep thick coal-seam under river，railway and buildings On the basis ofmining and geological condition of Guhanshan Colliery，this paper applied UDEC to simulating partmining and stowingmining process Mining ratio of partmining and the influence of stowing-to-mining height ratio on surface subsidencewere researched Surface subsidence rule ofmining deep thick coal-seam was obtained，which was referable formining under river，railway and building in othermining areas.

deep thick coal-seam;coal under river，railway and building;specialmining;surface subsidence;numerical simulation

TD823

A

1006-6225（2011）05-0036-04

2011－08－17

国家自然科学基金项目 （41072225）

贾明魁 （1967－），男，河南延津人，在站博士后，教授级高级工程师，主要从事煤矿安全高效开采技术研究和生产管理工作。

［责任编辑:邹正立］

综述