岩溶煤矿部分开采合理采高的研究*

2017-04-13阳志成朱川曲

采矿技术 2017年2期

关键词：采动溶洞岩层

阳志成，朱川曲

(湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭市 411201)

岩溶煤矿部分开采合理采高的研究*

阳志成，朱川曲

(湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭市 411201)

为了探究岩溶煤矿部分开采方法的合理采高，防止岩溶塌陷，以丰城矿务局某煤矿的地质条件和生产条件为背景，采用FLAC3D数值模拟软件，模拟出了不同采高时上覆溶洞周围塑性区的发育情况，确定了矿井的最合理采高以及岩溶塌陷易发性的评价指标。研究结果表明，地下开采会使岩溶地层和表层产生拉应力，形成拉伸破坏区，对于浅埋溶洞，其周围拉伸破坏区易发展至表层破坏区而导致岩溶塌陷。由数值模拟结果可知，充分开采后上覆溶洞周围塑性区演化至非常接近贯通但又不贯通至表层塑性区时的采高为1.4 m，因此，该矿最合理采高为1.4 m。通过对数值模拟监测数据的计算分析及地表移动的计算分析可知，地表水平拉伸变形量大于1.89 mm/m时，地表可能发生岩溶塌陷。研究结论可为该岩溶煤矿安全、经济、绿色开采及相关研究提供依据。

煤矿；合理采高；水平拉伸量；FLAC3D；岩溶塌陷

0 引言

我国的岩溶面积大约有346万km2，占全国总面积的近1/3，是世界上岩溶最发育的国家之一[1]。岩溶地区进行煤炭开采易造成岩溶塌陷，据研究，岩溶塌陷主要包括[2￣6]：重力塌陷、潜蚀塌陷、真空吸蚀塌陷、冲爆塌陷、振动塌陷、荷载塌陷、溶蚀塌陷、渗压致塌陷等。长期以来，在研究采煤诱发岩溶地表塌陷机理时，人们普遍认为，在岩溶地层受到采动影响时，产生的裂隙与导水裂隙带联通，是采煤引起煤矿岩溶塌陷的重要原因，但汤伏全、胡炳南[7￣8]等在相关研究中发现，一些岩溶煤矿垮落带和导水裂缝带最大的高度相对于上覆岩层的厚度来讲是很小的，采空区不可能直接沟通至含水地层引起地表塌陷，而采动垂直离层和水平拉伸裂缝可能是岩溶塌陷的基础原因；王明立[9]在研究中发现地表拉伸变形量的数值达到1.8 mm/m时可能发生岩溶塌陷。采用部分开采、留煤柱开采、条带开采及充填开采等开采方法都能有效减少和控制这两种岩溶塌陷，基于部分开采相对其他几种采煤方法具有经济性和简单有效性等优点，研究部分开采合理的采高，对岩溶煤矿的安全开采、防止岩溶塌陷及水资源保护有着重要意义。

1 数值模拟

1.1 矿井概况

该矿位于江西省境内，年生产能力约55万t，地面平均标高为+27 m。平均煤层厚度为2.5 m。平均开采深度520 m。某工作面开采后，地表发生岩溶塌陷，塌陷坑的直径达20 m，塌陷深度达5.0 m。根据地质报告，发生塌陷处的采区地层从上往下依次为松散层、长兴岩层、粒砂岩层、细砂岩层、粉砂岩层、泥岩层、煤层及细砂岩层，共8层。表层松散层厚20 m，长兴岩层厚140 m，该岩层中岩溶分布较广，溶洞数目众多、大小不一且深浅不同，造成该处塌陷的溶洞为此岩层中的一个浅埋溶洞。长兴岩层有4组岩层共计厚度为450 m，前3层自上而下分别是粒砂岩、细砂岩、粉砂岩，而煤层处于长兴岩层下的第四层岩石中，厚度为2.5 m，岩土力学参数值见表1。

1.2 模型建立

为简化计算，对分析系统作如下假定：分析中不考虑岩溶堆积物的影响，按空洞进行计算；溶洞为漫长时期形成的，在煤炭开挖前，整个模型处于自然平衡状态；开采期间，不考虑溶洞的尺寸等的物理力学性质的变化；模型为连续和均匀、各向同性的弹塑性体；不考虑水的作用、地震荷载、采动震动等对溶洞稳定性的影响。

表1 岩土力学参数取值

刘之葵、刘铁雄等对岩溶空间形态的统计表明，在溶洞尺度较大(溶洞洞径大于15 m)时，一般溶洞空间形态近似大厅状，在溶洞洞径不大时，溶洞断面一般为圆形或似圆形[10￣11]。因此，将造成上述塌陷的溶洞的形状设置成圆形。再根据最大影响角正切为1.89，设计模型宽度为1100 m。因此，建立模型长、宽、高分别为1100，1，542.5 m(见图1)。

1.3 模拟方案

(1) 模拟过程。建立模型，本构关系和材料特性(本次模拟为摩尔-库仑材料)；用不同采高开挖煤层，得出充分采动后溶洞周围塑性区刚好联通地表时的采高；提取采高最合理时的监测点数据，并对模拟数据进行分析。

图1 数值模拟模型

(2) 采高的确定。模拟以充分采动后溶洞周围塑性区演化至非常接近贯又不贯通至表层塑性区时的采高为最合理的采高。利用二分法来找出合理的采高，即从中点出发确定含合理采高的上下限，不断缩小含合理采高的采高范围直至模拟出最合理采高。

(3) 监测点与监测内容的确定。在模型顶部X轴方向的中间线上，沿X轴方向每隔110 m取一个监测点，两端加中间共计11个监测点，监测监测点X方向上的位移(见图2)。

图2 监测点布置

1.4 模拟过程及结果分析

1.4.1 模拟过程

(1) 采高取煤层厚度的一半即1.25 m时，发现充分采动后塑性区未演化至表层塑性区，模拟结果见图3。

(2) 采高为1.25 m时充分采动后塑性区未演化至表层塑性区，因此采高取1.25 m与2.5 m的中间值即1.875 m，继续模拟时发现未达到充分采动时溶洞周围塑性区已演化至表层塑性区，模拟结果见图4。

(3) 采高为1.875 m时溶洞周围塑性区已演化至表层塑性区，因此采高取1.25 m至1.875 m的中间值即1.5625 m，受模拟精度的影响，此时采高取1.55 m，继续模拟时发现未达到采动时塑性区已演化至表层塑性区，模拟结果见图5。

(4) 采高为1.55 m时溶洞周围塑性区已演化至表层塑性区，因此采高取1.25 m至1.55 m的中间值即1.4 m，继续模拟时发现充分采动后塑性区演化至非常接近贯通而又未贯通至表层塑性区，模拟结果见图6。

(5) 确定最合理采高在1.4 m至1.55 m之间，取1.45 m时模拟发现未充分采动时塑性区演化已贯通至表层塑性区(见图7)，因此，确定采高1.4 m为最合理采高。

图3 采高为1.25 m时的塑性区演化结果

图4 采高为1.875 m时的塑性区演化结果

图5 采高为1.55 m时的塑性区演化结果

图6 采高为1.4 m时的塑性区演化结果

图7 采高为1.45 m时的塑性区演化结果

1.4.2 模拟结果分析

合理采高即采高为1.4 m时，充分采动后监测点的水平移动数据见表2。

采用图2所示的坐标系，拟合出地表水平位移公式如下：

u(x)=6.394×10-9x3-1.047×10-5x2+0.003824x+0.003876

拟合度0.9853，符合精度要求。再由上式得地表水平变形公式为：

ε(x)=u'(x)=1.9182×10-8x2-2.094×10-5x+0.003824

计算得采高为1.4 m时溶洞处地表水平拉伸量为1.89 mm/m。

模拟结果表明，地下开采会使岩溶地层和表层产生拉应力，受拉应力的作用，溶洞周围产生了拉伸破坏区，表层也产生了拉伸破坏区，二者一旦贯通，可能造成岩溶塌陷。部分开采能有效控制地表水平变形量，当采高控制在1.4 m以内时，溶洞周围破坏区与表层破坏区不会贯通，采矿相对安全。

表2 采高为1.4 m充分采动后监测点的水平位移量

2 地表水平变形预测

采用概率积分法[13￣14]预测岩溶塌陷坑位置的水平移动变形，公式如下：

式中，Wcm=mqcosα；r为等价计算工作面的主要影响半径；m是煤层开采的法向高度1.4m；q为下沉系数0.6；α为开采煤层的倾角10°；L为等价计算工作面各边界的直线段；Hd为等价开采影响深度520m；β为主要影响角，其正切取值1.89；η、ζ为积分变量；Ucm= bWcm，b为平移动系数0.3；θ0为开采影响传播角85°；ε、i分别为水平变形、倾斜变形。计算出部分开采采高为1.4m时的溶洞处地表水平拉伸变形量为1.06mm/m。

可见，预测公式计算比数值模拟计算的水平拉伸变形量要小，如果以数值模拟的结果来作参考，则预测公式中采高为1.4m时溶洞周围的塑性区不会演化至表层破坏区，采高取1.4m也是安全的。由于现场实际的地层结构复杂，采用数值模拟和地表移动变形的预测理论来计算地表变形情况可能都会有所偏差。因此，综合二者的结果，确定该矿该地区采高为1.4m，水平拉伸变形量大于1.89mm/m时岩溶塌陷发生的可能性较大。