条带煤柱留设对地表移动变形影响的数值模拟研究

2018-03-21胡德省沈永炬

现代矿业 2018年2期

李锋胡德省沈永炬

(江苏省第二地质工程勘察院)

条带开采是在一个开采区域内将煤层分割成若干个条带，采用开采一条(采出条带)、保留一条(保留煤柱)的方法，从而控制地表的移动和变形[1-2]。在目前的实际工程应用中，条带开采不同于其他开采方法，其实施情况往往比较特殊[3-7]，大量的煤矿工程实践和国内外的条带开采经验表明，条带开采的安全范围是采宽一般不超过采深的1/3～1/4[8-9]。但是关于条带开采的采宽、留宽与地表变形的关系的研究并不多见。本文通过有限差分法及模拟软件FLAC3D在固定开采率的前提下，分别对不同采宽、留宽条件下进行数值模拟，分析3种条件下的地表变形及位移情况，并对其关系进行研究，初步揭示规律，以期为以后工程实践提供准确的理论依据。

1 研究区地层条件特征

山东某矿区为典型的华北型煤田，所揭露的地层有第四系、第三系、二叠系、石炭系等。第四系最大揭露厚度为198.95 m，主要由亚砂土、亚黏土、砂组成，底部含砾石层。第三系为一套山麓洪积相沉积，厚0～21.24 m，主要为褐红、棕黄及黄色黏土、亚黏土与砂互层,底部含砾石层,与下伏地层呈角度不整合接触。井田内含煤地层为石炭系上统太原组和二迭系下统山西组。山西组为K7～K8砂岩底，与下伏太原组呈整合接触，平均厚57.36 m。其中,3#煤层稳定可采，是本次研究的主要对象。3#煤层厚5.47～7.80 m，平均为6.22 m；距顶0.60 m左右，有一层较稳定的泥岩、炭泥夹矸(厚0.24 m)，属开阔的覆水泥炭沼泽沉积。3#煤层顶至2#煤层底平均厚20.92 m，为浅灰中细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩，产植物叶化石，其间的K砂岩交错层理、平行层理发育，属分流河道沉积，其上以沼泽或分流间湾等沉积为主的三角洲前缘相。

2 模型建立

对选定矿区地质剖面进行概化，研究范围覆盖整个工作面。用FLAC3D数值模拟软件进行模拟，取走向长度600 m，岩(土)层高度193 m，其中，煤层底板岩层高14 m，煤层高6 m，顶板岩层高38 m，松散层高135 m。不考虑地下渗透、水流、热交换等因素，岩体天然应力场视为自重应力场, 岩、土体均看作连续介质, 上覆土体可看作均质各向异性体，对边界进行约束。计算采用的岩石力学参数依据研究区煤柱区覆岩力学性质指标, 见表1。

表1 煤柱区覆岩力学性质参数

3 方案制定

根据我国多年的开采经验表明，当煤炭的采出率超出70%时，一般会引起较大的地表移动与变形，甚至发生顶板大面积的一次冒顶[10-12]，根据地层地质条件，合理控制采出率才能取得良好的效果。为使模拟准确合理，将采出率定为50%，采宽选取30,40,60 m，通过不同的方案对比分析地表移动变形随条带煤柱的不同留设而产生的变化和规律，具体方案见表2。

表2 50%采出率的3种方案

4 模拟结果及分析

4.1 岩土体位移变化情况

当煤层被开采时，随着煤系地层的缺失，煤层周围的岩层会失去原有平衡，在应力重分布的作用下不可避免地产生变形和移动。当开采区域达到一定范围, 在拉应力和剪应力作用下煤层顶板会发生变形甚至破坏，进而从下向上发展到地表, 最终结果是造成地表发生移动甚至沉陷。图1、图2分别为在相同采出率下不同开采方案的垂向下沉等值线图和水平位移等值线图。

图1 不同方案的垂向位移等值线(单位：m)

通过对图1、图2进行比较,发现随着条带采宽和留宽的增大,煤层顶板位移也随之增大，说明随着开采范围的加深，煤层顶板在应力和重力的作用下变形程度变大，其相应的水平及垂直变形量也变大，并且变形的影响范围随着开采条带的个数的减少及预留煤柱宽度和采宽的增大，其影响范围也随之增大。

图2 不同方案水平位移等值线(单位：m)

当采宽和留宽均为30和40 m时，覆岩下沉变化平缓，由下向上逐渐形成单一的下沉盆地，说明这2种方案的煤层开采对煤层顶板的变形影响是持续且低缓的。当采宽和留宽为60 m时，煤层正上方的覆岩呈较明显的波浪式下沉，但是这种波浪式的下沉形式随着深度的变小而逐渐消失，而波浪带上方至地表的岩层下沉值较稳定，呈单一平缓的下沉盆地，说明方案3的煤层开采对靠近开采区的变形影响较大，但是随着深度降低对地表变形的影响反而减弱。

而从水平变形来看，煤层顶板的水平变形值相对中心条带的开采区呈对称分布，并且在第一个条带的开采区处就达到最大值，在中心条带的采空区处约为零。岩层各处的水平变形均存在着随着采宽的增大而增大的趋势。

4.2 地表移动变化情况

图3、图4分别为地表水平移动和地表下沉曲线图。可以看出，地表的各点下沉量和水平移动量都随着采宽和留宽的增大而增大。方案1和方案2地表最大下沉量分别为0.516 2和0.616 4 m，都在砖石结构建筑物的破坏(保护) 等级规程规定的Ⅱ级保护范围内,在条采设计合理的条件下, 可以达到有效控制地表移动变形的目的。在采出率相同的条件下,一般认为,采用小采宽更能控制地表变形。我国设计的条带开采宽度在10～160 m,宽深比多为0.043～0.347。但采宽较小不利于采煤生产效率的提高,因此，应根据保护地表建筑物和客观地质开采条件的要求合理地设计条带的采宽和留宽。

图3 地表水平移动曲线

图4 地表下沉曲线

4.3 综合分析

根据模拟输出的等值线图，将地表变形的相关参数汇总得表3。可以得出，一定深度开采时，在控制采出率相同的情况下，代表地表相应位移情况的下沉量、水平移动、水平变形、下沉系数、曲率、最大倾斜等参数随着采宽的增大而增大；根据模拟结果，方案3的位移变化最大。

表3 采出率50%时地表移动变形参数的最大值

5 工程实例验证

根据模拟结果，矿井在建筑物下的试采工作面设计采出率为50%，采宽和留宽均为30 m(方案1)。根据地表位移实际观测站测的数据分析得到,在条带开采期间，地表的最大沉陷值为542 mm,比数值模拟预计的516.2 mm大35.8 mm。预计的结果和现场观测的数据基本吻合，偏大的主要原因为该矿区地层呈典型的华北型煤田特征，即巨厚松散层下伏薄层基岩，因此，在一定采宽下,其地表及覆岩的移动变形表现为正常垮落法开采(短壁)的特征，相对一般条带法设计预测地表沉陷量偏大。通过数值模拟结果与实测数据的对比，也证实了利用数值模拟方法预计地表沉陷变形的可行性及可靠性。