林南仓矿极不充分开采宽度设计与数值模拟研究

李玉明，贾红旭

(开滦(集团)有限责任公司 林南仓矿业分公司，河北 唐山 064100)



林南仓矿极不充分开采宽度设计与数值模拟研究

李玉明，贾红旭

(开滦(集团)有限责任公司 林南仓矿业分公司，河北 唐山 064100)

[摘要]针对林南仓矿-650m水平二采区村庄下条带开采，采用FLAC3D数值模拟方法进行了模拟分析设计，分析了覆岩移动和破坏过程，认为在中硬互层型的岩层结构、极不充分开采条件下，在上覆岩层中形成了稳定的拱型平衡结构，在平衡拱内岩石破坏、垮落，在平衡拱外岩层弯曲变形。依据数值模拟结果，设计了林南仓矿极不充分开采方案，对煤柱稳定性进行了分析，FLAC3D计算结果表明当煤柱宽度达到70m时，可以将两个极不充分开采工作面隔离成相对独立的开采工作面，能有效地控制地表的移动和变形。

[关键词]极不充分开采条件；开采宽度设计；FLAC3D；数值模拟；条带开采

林南仓矿-650水平二采区密集建筑群下深部压煤开采包括11，12两个可采煤层，第四系松散层厚度达210m，上覆岩层岩性较软，开采深度大，涉及地面焦庄子、东六村和五村3个村庄，其开采条件复杂[1-2]。

林南仓矿近年来的开采深度亦越来越深，随着采深的增大，小工作面开采由不充分逐渐进入极不充分阶段。极不充分开采能够减缓或者减轻对地表的影响，为“三下”开采提供了一个新的开采思路[3-4]。为研究开采宽度影响岩层移动和变形规律，为准确确定极不充分开采宽度提供依据，采用数值模拟方法是一个有效的途径[5-8]。本文采用东北大学唐春安教授等开发的岩石破坏过程分析软件FLAC3D对极不充分开采岩层的移动和破坏过程进行数值模拟计算。在数值模拟的基础上，对覆岩结构破坏的过程进行了分析，最后依据数值模拟覆岩破坏的结论，设计了林南仓矿东六村、五村和焦庄子村下压煤开采的采留宽。该方法为矿区极不充分开采宽度设计提供了新的方法和依据。

1覆岩破坏的数值模拟分析

1.1上覆岩层移动和破坏过程分析

模型选择不同的开采宽度对上覆岩层的移动破坏过程进行模拟。各岩层的物理力学参数如表1所列，第四系松散层以均布载荷的形式作用在岩层之上。模型单元划分尺寸为水平方向5m，垂直方向5m，采用长壁开采，工作面开切眼位置距模型边界200m，模拟开采步距20m，分4步开采，逐渐扩大开采的宽度。

过程分析如下：

(1)随开采宽度的增大，上覆岩层悬露，在上覆岩层载荷作用下，开始弯曲变形，当开采宽度达到40m时，上覆岩层破坏，垮落。

表1　数值模拟岩层的力学参数

(2)随着开采宽度进一步扩大，当开采宽度达到60m时，在采空区中央上覆岩层破坏的高度增加到35m，上覆岩层的垮落形态为拱型。

(3)当开采宽度达到80m时，上覆岩层破坏的高度进一步增加，达到45m，上覆岩层在更高的高度形成新的拱形平衡。在平衡拱内垮落岩石呈松散状态。

(4)当开采宽度扩大到100m时，上覆岩层破坏的高度和范围进一步扩大，拱的高度进一步增加。

通过以上模拟计算，对于中硬互层型的岩层结构，在极不充分开采条件下，上覆岩层的垮落形态近似椭圆拱型，即在上覆岩层中形成了稳定的拱型平衡结构。在平衡拱内岩石破坏、垮落，在平衡拱外岩层弯曲变形，上覆岩层破坏和垮落的高度随开采宽度的增大而增大。

1.2煤柱的隔离作用

采用FLAC3D连续介质有限差分程序对岩层内部的应力分布状态进行数值分析计算。

数值模拟假定开采两个工作面，两个工作面走向开采长度800m，倾斜开采宽度60m。假定两个工作面间分别留设20m，50m，70m间隔煤柱，分析3种不同情况下，上覆岩层应力分布状态。图1、图2和图3分别给出了间隔煤柱为20m，50m和70m时，上覆岩层垂直应力的分布。

图1　间隔煤柱20m时上覆岩层的应力分布

图2　间隔煤柱50m时上覆岩层垂直应力分布

图3　间隔煤柱70m时上覆岩层垂直应力分布

当两个工作面之间留设20m的间隔煤柱时，上覆岩层垂直应力分布如图1所示。与单采一个工作面相比在每个采空区上方垂直应力未能形成拱形平衡，在距开采煤层水平一定高度上，两个工作面所形成的减压区迅速联成一个整体，并且这一减压区一直发育到地表。由于在采空区上方不能形成应力平衡拱，有效地阻止上覆岩层的移动和变形。

如果将工作面之间的煤柱尺寸扩大到50m，在煤柱上方将形成很高的垂直应力集中区(图2)，煤柱上方的集中应力等值线类似于椭圆形，这对煤柱的稳定是极其不利的。在煤柱上方高应力集中区的两侧分别是两个采空垂直应力的减压区，在一定的高度上，两个采空区的减压区联成一个整体，与煤柱为20m时相比，两个工作面间隔煤柱为50m，采空区上方减压区并未发育到地表，采空区上方减压区的高度得到控制，在减压区上方岩层内部的垂直应力逐步接近原岩应力状态。由采空区上方减压区发育的形态和发育的高度可以说明此时地表的移动和变形将小于间隔煤柱为20m时地表的移动和变形，间隔煤柱对地表的移动和变形规律产生了一定的影响。

如果将两个工作面间的间隔扩大到70m，上覆岩层内部的垂直应力分布见图3。从图中可以看出，在煤柱上方所形成的集中应力为马鞍形。

通过计算机数值模拟计算，当煤柱宽度达到70m时，可以将两个极不充分开采工作面隔离成相对独立的开采工作面，将有效地控制地表的移动和变形。

2极不充分开采采出宽度的确定方法

由计算机数值模拟可以看出，随着开采尺寸的增大，直接顶首先弯曲变形并逐渐达到并超过自身的极限强度，该岩层首先断裂并冒落，并在上覆岩层中形成平衡拱。随着工作面的进一步推进，平衡拱不断遭到破坏，上覆岩层冒落的高度不断增加，并在更高的高度形成新的平衡拱。平衡拱外岩层随拱内岩层的冒落而弯曲下沉，并逐渐发展到地表，在地表形成下沉盆地。

对于中硬互层型结构的岩层，在采空区周围平衡拱内的岩石冒落，岩体破坏严重；在平衡拱外，上覆岩层逐渐由断裂破坏而转变成弯曲变形，由于各层之间岩性相差不大，岩性较软，各岩层基本上是同步协调变形，上方的岩层是随下方岩层的下沉而下沉，因此在各层之间很难形成离层裂缝。在采出空间逐层向上传播过程中，影响范围也逐渐扩大，采出空间向横向逐渐展布，结果在地表形成的下沉盆地范围要比采空区范围大。

中硬互层型结构极不充分开采的开采宽度可以用公式(1)[9]计算：

(1)

式中，L为开采宽度；H为开采深度；q为地表的下沉率；k为岩石的碎胀系数；tanβ为主要影响角正切。

此时，由于开采空间只有50%传播到地表，k值可取0.5。

3东六村、五村和焦庄子村下压煤开采设计

3.1煤层工作面开采宽度的确定

利用极不充分开采进行建筑物下压煤开采，工作面的开采宽度是影响地表移动和变形的主要因素，因此，工作面的开采宽度应满足地表移动和变形的要求，最大开采宽度不应使地表的移动和变形所造成的地面建筑物损害超过规程规定的Ⅰ级采动损害。

由公式(1)可确定中硬岩层的极不充分开采的开采宽度：由林南仓矿实测资料，主要影响角正切tanβ=1.9，平均开采深度H=580m，k=0.5。根据地面建筑物抗变形的能力和开采厚度，取两种允许地表下沉率进行分析。

方案一允许地表下沉率q=0.12，代入到上式可得极不充分开采的开采宽度：L=73m。

方案二允许地表的下沉率q=0.20，代入到上式可得极不充分开采的开采宽度：L=122m。

根据以上确定的极不充分开采的开采宽度，结合实际采宽条件设计如下两种方案：

方案一采60m留70m方案，共布置3个开采工作面，留设2个隔离煤柱。

方案二采100m留120m方案，共布置2个工作面，留设1个隔离煤柱。图4为各开采方案示意图。

图4　12煤层开采方案

比较方案一和方案二可知，方案二工作面的开采宽度由60m提高到100m，工作面的开采宽度加大，并少布置一个工作面，少掘进巷道1600m，从开采角度来说方案二优于方案一。但是，由于方案二工作面开采宽度加大，采动程度增加，地表移动和变形也随之增加，特别是林南仓矿松散层厚度达150m，属于厚松散层下压煤开采，根据实测资料，厚松散层下开采，地表的移动和变形较大，同时在地表往往伴随非连续变形。

3.2保留煤柱的宽度和稳定性

3.2.1煤柱强度与安全系数

根据A.H.Wilson(1972)假设，煤柱(有核区或无核区)煤柱承载能力的计算公式如下：

3.2.1.1有核区宽煤柱(a>0.00984MH)

(1)方煤柱：

Lc=4γH(a2-9.84aMH×10-3+48.44M2H2×10-6)

式中，Lc为煤柱承载能力，kg；γ为覆岩平均容重，MN/m3；H为覆岩厚度，m；a为煤柱宽度，m；M为煤柱高度，m。

(2)长方煤柱：

Lc=4γH[(aL-4.92(a+L)MH×10-3+48.44M2H2×10-6)]

式中，L为煤柱长度，m。

(3)长煤柱：

Lc=4γHL(a-4.92MH×10-3)

3.2.1.2无核区窄煤柱(a<0.00984MH)

(1)方煤柱：

Lc=135γa3/M

(2)长方煤柱：

Lc=406γa2(L-(a+L)/2+a/3)/M

(3)长煤柱：

Lc=203γLa2/M

Wilson还指出：在一般采深时，煤柱宽度可取采深的12%，或取采深的10%外加9.1～13.7m，即

a=0.12H或a=0.1H+(9.1～13.7)(m)

3.2.2煤柱所承受的载荷

A.H.Wilson(1970)导出的煤柱载荷计算方法见图5，公式如下：

(1)煤柱两侧采空区宽度b大于0.6H时：

P=γH(b+0.3H)L′

式中，L′为煤柱长度加两端巷道宽度，m；P为煤柱荷载，MN；其他符号意义同前。

(2)煤柱两侧采空区宽度小于0.6H时：

若煤柱两侧采出宽度相同即：b1=b2=b，则简化为：

图5　Wilson 煤柱载荷计算方法

3.2.3煤柱安全系数

煤柱安全系数可以按下式计算：

f=Lc/S

取最大开采深度H=640m计算，每个煤柱的宽度均大于0.00984MH，因此，各煤柱均为有核区煤柱，计算结果见表2。设计极不充分开采工作面的开采的宽度小于0.6H，煤柱所承受的载荷见表2。

根据国内外经验，按照A.H.Wilson计算公式计算煤柱强度，煤柱的安全系数在1.6以上时，煤柱是安全稳定的，不会发生溃屈。由表2可以看出，本次设计煤柱的安全系数为1.9，因此，煤柱是安全的，不会破坏。

表2　12煤层开采煤柱强度与安全系数

3.3方案实施与实测分析

林南仓煤矿自2003年10月至2004年5月对2222工作面回采，回采走向长570m，倾斜60m；2224是2004年4月开采至2004年12月结束，回采走向长为620m，倾斜60m。回采方法采用走向长壁后退式，一次采全厚综合机械化轻型放顶煤，采高2.2m，放煤3.1m；顶板管理为全部跨落法。林南仓矿针对东二小采区地表地形设置地表观测线。位置在2222工作面中心以东120m，方位N174°，倾斜方向总长1120m，共计54个测点。自2003年9月23日起观测地表移动。观测方法采用四等水准施测。2222回采结束后，地表最大下沉量为309mm；2224工作面单面回采结束后，地表最大下沉为695mm。见图6。

图6　2222，2224开采后实测地表下沉曲线

由2222和2224工作面地表移动观测可知，地表下沉率为0.13，下沉系数0.15。与邻近全采区域地表下沉相比，地表下沉量较小，下沉系数小，说明所设计条带开采方案达到了控制地表下沉的效果。

实测数据表明采用数值模拟方法进行林南仓矿极不充分开采设计时是可行有效的。研究成果为林南仓矿建下开采设计提供了新的方法和途径。

4结论

结合FLAC3D数值模拟软件，对林南仓矿极不

充分开采条带煤柱的稳定性进行分析，依据数值试验结果设计了条带开采的方案，主要结论如下：

(1)应用FLAC3D有限元程序对12煤层不同开采宽度上覆岩层的移动破坏过程进行了数值模拟计算，认为采动程度是控制该采区地表移动和变形的主要因素，并给出了极不充分开采采出宽度的计算方法。

(2)设计了12煤层的条带开采方案，确定12煤采宽60m，留宽70m的开采方案，实际应用验证了方案的可行性。

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[9]郭增长．极不充分开采地表移动预计方法及建筑物深部压煤开采技术的研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2000.

[责任编辑：李青]

Numerical Simulation and Mining Width Design of Extremely Inadequate Mining of Linnancang Coal Mine

LI Yu-ming1，JIA Hong-xu1

(1.Linnancang Mining Corporation，Kailuan(Group)Co.，Ltd.，Tangshan 063018，China)

Abstract：Strip mining was applied in the second mining area that under village at -650m level of Linnancang coal mine，numerical simulation analysis and design were done by numerical simulation method RFPA，overburden movement and broken process were analyzed，stable arch balance structure formed in overburden under medium harden interlayer rock structure and extremely inadequate mining condition，rock broken appeared in balance arch，rock bend deformation appeared out of balance arch.Mining method of extremely inadequate mining of Linnancang coal mine was put forward on the basis of numerical simulation，coal pillar stability was analyzed，the results of FLAC3Dsimulation showed that two extremely inadequate mining working faces would be isolated to a relative independence working face，when coal pillar width was 70m，then surface movement and deformation could be controlled effectively.

Key words：extremely inadequate mining；mining width design；FLAC3D；numerical simulation；strip mining

[收稿日期]2015-08-19

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51404272)

[作者简介]李玉明(1965-)，男，河北玉田人，工程硕士，高级工程师，矿长，主要从事煤矿管理及开采沉陷的工作。

[中图分类号]TD214.2

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0069-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.019

[引用格式]李玉明，贾红旭.林南仓矿极不充分开采宽度设计与数值模拟研究[J].煤矿开采，2016，21(2)：69-72，117.