不同采矿条件采煤对地表移动变形规律的影响

古君

（驻马店市吴桂桥煤矿有限公司，河南驻马店463000）

不同采矿条件采煤对地表移动变形规律的影响

古君

（驻马店市吴桂桥煤矿有限公司，河南驻马店463000）

水下煤层安全开采对于煤矿来说是至关重要的，以位于水库下的某煤田为例，运用FLAC3D数值模拟软件，模拟分析3m、4.5m、6m三种不同开采厚度和300m、400m、500m三种不同开采深度对地表移动变形规律的影响，经计算得到地表下沉系数和水平移动系数，分别将其与不同采厚和采深进行数据拟合，结果表明，采厚、采深与地表下沉系数和水平移动系数均呈现幂数关系，随着采厚和采深增加，地表移动变形规律分别呈现缓慢增加和减小趋势。经计算知水库下煤田可以进行正常开采，不会对水库的安全造成威胁。

FLAC3D；地表下沉系数；水平移动系数；采厚；采深

煤炭资源属于不可再生能源，对于煤炭资源尽量实现充分开采，特别是对于水下采煤研究是当前能源经济发展的迫切需要［1］。为了缓解采掘工作面交替困难的形势，在保证煤矿安全开采的情况下实现煤炭的有效开采，不同采矿条件下开采煤层对地表移动变形规律影响的研究是相当有必要的。有相关文献［2］研究了不同工作面长度对地表移动变形规律的影响，但没有考虑其他采矿条件对地表移动规律的影响；相关文献［3］对水库下开采煤层进行了安全评价，但没有对采矿条件对地表移动变形规律的影响进行评价。鉴于此，以某矿水体下采煤为例，运用FLAC3D［4］数值模拟软件研究不同煤层开采厚度、开采深度等采矿条件对地表移动变形规律的影响，为水下采煤提供了技术理论指导。

1　矿井概况

该矿年设计生产能力为0.6Mt/a，该井田内大部分煤层为稳定可采煤层，煤厚平均为5.0m，煤层倾角平均为16°，采深约为320m左右，22采区西侧开采工作面上方为水库，水库水深平均深度为3m。

2　煤层开采厚度对地表移动变形规律的影响

2.1方案的确定及模拟计算

为了研究不同开采厚度条件下永华能源嵩山矿“三软”煤层开采条件下地表移动变形规律，根据该矿

图1　不同开采厚度条件下竖直位移云图Fig.1 Vertical displacement contours under the condition of different mining thickness

山实际情况，设计3种模拟方案，即模拟煤层开采厚度分别为3m、4.5m、6m，对模拟开挖后的煤层进行计算分析，分析在不同煤层开采厚度条件下地表移动变形规律。设置走向无限开采，倾向充分采动的地质力学模型。其中倾向工作面长度为500m。边界煤柱大小均取450m。X方向为倾向，Y方向为走向，Z方向为铅垂方向。按照各方案要求进行模拟开挖计算，最终得到模拟计算开挖后的竖直方向位移云图，分别如图1所示。

2.2地表移动变化规律分析

在三种不同厚度煤层开采厚度模拟计算过程中，利用FLAC3D中的fish语言，对模型顶部（即地表）的移动变形进行实时监测，得到模型地表的下沉值和水平移动值，绘制的曲线图如图2、图3所示。

图2　不同煤层开采厚度下地表下沉曲线Fig.2 Surface subsidence curve under different mining thick

图3　不同开采厚度下地表水平移动曲线Fig.3 Surface horizontal displacement curve under different mining thick

为了掌握不同煤层开采厚度对地表移动变形的影响，根据模型计算结果，选取不同开采方案所引起的地表最大下沉值和最大水平移动值，并计算得到相应的下沉系数和水平移动系数［5-7］，计算结果如表1所示。

表1　不同煤层开采厚度地表移动变形值Tab.1 Different thickness of coal seam mining surface movement and deformation

图4　采厚和地表下沉系数的关系Fig.4 Relationship between mining thick and surface subsidence coefficient

图5　采厚和水平移动系数的关系Fig.5Relationship between thick and surface level coefficient

由图4、图5可知采厚与地表下沉系数和地表移动系数的关系式分别为y=0.6355x0.1407和y=0.1906x0.2212，该煤矿的采厚为5m，经计算知地表下沉系数和水平移动系数分别为0.797和0.272，该值在工程的允许范围内，该矿山在水库下的煤层可以进行整层开采。

3　煤层埋深对地表移动变形规律的影响

3.1模型的建立

为了研究不同开采深度条件下该矿“三软”煤层开采条件下地表移动规律，设计了3种模拟方案，各方案采深取值为300m、400m、500m。数值模型采用平面应变模型，设置走向无限开采，倾向充分采动的地质力学模型。其中倾向工作面长度为500m，边界煤柱大小均取450m。

3.2模拟计算结果分析

分别对3种建立好的方案模型进行赋值计算，对开挖后的竖直方向位移云图不再叙述，对相对应的监测数据进行提取和分析。提取不同开采深度（采深H分别为300m、400m、500m）下开挖工作面后引起地表变形的数据，提取后绘成地表下沉和水平移动曲线，如图6、图7所示。

图6　不同采深条件下地表下沉曲线Fig.6 The surface subsidence curve under different mining depth

图7　不同采深条件下地表下沉曲线Fig.7 The surface subsidence curve under different mining depth

图8　采深与地表下沉系数的关系Fig.8 Relationship between mining depth and

图9　采深与水平移动系数的关系Fig.9 Relationship between mining depth and surface subsidence coefficientground surface level coefficient

根据上述3种数值模拟方案的地表下沉曲线和水平移动曲线，得到3种不同采深条件下，地表的最大下沉值和最大水平移动值，进而计算得到地表下沉系数和水平移动系数。根据以上不同采深条件下地表下沉系数和水平移动系数，拟合得到采深与地表下沉系数和水平移动系数的关系，见图8和图9。

由图8和图9可知采深与地表下沉系数和地表移动系数的关系式分别为y=2.5712x-0.1943和y=1.4889x-0.2812，该煤矿的采厚为320m，经计算知地表下沉系数和水平移动系数分别为0.838和0.294，该值在工程的允许范围内，该矿山在水库下的煤层可以进行正常开采，不会威胁水库的安全。

4　结论

第一，煤层开采厚度与地表下沉系数和水平移动系数呈幂函数关系，可知煤层开采厚度对地表移动变形规律影响很大，但随着开采厚度的增加，其变化趋势呈现缓慢增加。合理煤层开采厚度对地表构筑物起到安全保护作用。

第二，随着采深增加，地表下沉和水平移动的影响范围有所增加，地表最大下沉值和最大水平移动值反而减小。采深与地表下沉系数和地表水平移动系数的关系成反幂函数关系，随着采深增加，地表移动变化规律呈现减小趋势。

第三，根据该矿山的实际情况，结合拟合函数，知该水库下能正常进行整层开采。但对于地下开采的很多不确定因素，需要在煤田开采的过程中对水位实施24h监测，从而间接保证水库及井下安全开采。

［1］李宏杰，杨鹏旭，文学宽，等.漳河水库下煤炭资源开采可行性研究［J］.水文地质工程地质，2009，（06）：16-20.

［2］夏艳华.大采高长工作面地表移动变形规律研究［J］.煤炭科学技术，2012，40（11）：35-37.

［3］许国胜，许胜军，李德海，等.赵城水库下煤炭开采安全性研究［J］.煤矿安全，2013，44（4）：43-45.

［4］彭文斌．FLAC3D实用教程［M］．北京：机械工业出版社，2008.

［5］刘德峰，王锐涛，耿亚东，等.基于Hoek－Brown准则的数值模拟计算参数的研究［J］.金属矿山，2013，（10）：43-46.

［6］何荣，郭增长，李春意.大采深极不充分开采地表移动和变形规律实测研究［J］.河南理工大学学报(自然科学版)，2008，27（1）：50-53.

［7］王帅，吴盾，刘桂建.淮南丁集矿地表移动和变形规律分析［J］.中国煤炭地质，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，河南驻马店人，学士，助理工程师，从事土木工程矿建研究。