条带开采地表运移模拟与实际观测对比分析

胡文鹏

(山西汾西矿业集团中兴煤业有限责任公司，山西 交城 030500)

0 引言

条带开采作为采出“三下”压煤的重要途径之一，由于其成本低廉，技术简单，并能够有效地控制地表沉陷和移动，保护地面建筑物，在我国矿区得到广泛应用。条带开采煤柱的稳定性及覆岩运动关系到地表建筑物等的安全，因此确定合理的采留比对于控制地表运移，保障地表设施、田地、河流、交通具有重要的意义[1-2]。

由于矿山地质的复杂性和岩体的特殊性，条带开采引起的覆岩及地表移动和破坏机理比较复杂，上覆岩层的破坏和移动是自下而上逐渐发展的过程，并且受多方面因素的影响[3]。上覆岩层的破坏过程不但是一个连续移动变形的过程，更是一个岩体不断破碎、断裂发展的过程。可见，要揭示覆岩运动及地表移动规律，必须深入研究条带开采过程中覆岩破坏及移动与地表移动的特征，而数值模拟方法可快捷方便地对条带开采的各影响因素对覆岩破坏移动规律的作用关系进行研究，模拟结果直观性强，在矿山开采沉陷工程覆岩破坏及地表移动规律研究中具有较好的适用性和广泛性，但在数值模拟过程往往不能够完全真实地反映煤层覆岩状态，难免出现模拟结果与实际有误差，本文围绕某矿条带开采条件(煤柱尺寸为80 m，采宽100 m)对地表的影响进行模拟与地表测量数据对比，为最终确定合理采留比提供参考[4-5]。

1 工程概况

工作面揭露主要煤层为二迭系山西组的3上煤层。根据工作面顺槽实际揭露资料和钻孔柱状资料，二迭系山西组的3上煤层为黑色，以镜煤、亮煤为主，平均煤厚5 m，煤层倾角平均5°，可采系数95%，条带结构，层状构造，属于简单结构。工作面内煤层赋存稳定，接近切眼段煤层倾角较大，本工作面与相邻工作面较近，顶板裂隙比较发育。

煤层顶底板岩性，见表1。

表1 煤层顶底板情况表

2 条带开采地表运移规律的数值模拟

2.1 模拟方案

为了研究不同采出率对条带开采覆岩运动及地表移动规律的影响，为使各个方案的模拟结果有可比性，在进行某个影响因素的分析时，保持其他各影响因素相同。根据模拟的目的制定如下模拟方案。

设煤柱的宽度为80 m(矿方实际煤柱宽度)不变，改变采出条带的宽度，采出条带的宽度分别为60 m、80 m、100 m、120 m，共建立4个模型，这4个模型的采深均为500 m(煤层实际埋深)，采厚为5 m，煤层按水平煤层计算，每个方案均开采3个条带，方案编号为：方案一、方案二、方案三和方案四。

各个方案的边界条件，岩石力学参数等其他条件保持相同。

2.2 模拟结果分析

模拟结果分析见表2。

根据模拟结果，给出方案一～方案四地表下沉曲线图及水平移动曲线图，分别如图1、图2所示。

由地表下沉曲线图1、水平移动值图2可知，留设煤柱的宽度为80 m，在采宽分别为60 m和80 m时，采出率比较小，地表下沉曲线比较平缓，随着采宽的增大，地表下沉曲线变的相对较陡。同样，在采出率较小时，地表水平移动值较小，随着采出率的增加，水平移动值明显增大，并且随着采出率的增加，地表下沉值及地表水平移动值的增幅更大。

图2 采出率不同时地表水平移动曲线图

采区宽度的不同代表着采动程度的不同，采区宽度较小时，往往表现为非充分采动，此时地表下沉值未达到最大值；随着采区宽度的增加，采动程度逐渐接近充分采动，有时会达到超充分采动，这时的地表下沉值达到最大值，不再随采区宽度的增加而增加。

3 地表变形观测与对比分析

为了解决数值模拟所采用地质资料的矿井正确的选择条带的采留、宽问题以及观测开采过程中及开采结束后地表移动变形情况，合理优化开采方案，检验地表移动数值模拟值的正确性，根据该矿的开采实际及要求，在该采区上方布置地表岩移观测站，沿条带采区正上方沿走向布置一条观测线，分析总结该矿开采引起的地表变形规律，以指导矿井安全生产，依据相关规程规定进行了比较细致的观测；通过对测区地表观测数据进行分析，指导矿井生产设计，得出煤矿开采引起的地表变形对地表建(构)筑物的损坏程度等级，以便对井田范围及周边的地面设施进行合理保护或搬迁避让。

3.1 地表移动观测站布设及观测方法

本次地表移动观测线设在条带开采采区工作面的近正上方，为走向观测线，观测线长度为990 m，全线共布设34个测点，点间距为30 m，观测点布置图如图3所示。观测点编号从东自西起连续编号，此观测线基本为一条直线，观测线横跨3条工作面，根据已有的资料表明相邻工作面的开采对该观测站产生的影响很小，因此观测站位置较为理想。

图3 观测点布置图

3.2 观测结果分析

观测数据：每次观测结束后，检查观测数据，使数据符合《煤矿测量规程》的有关规定，然后进行改正计算和平差计算，使观测结果比较准确。在该采区，所采用的开采设计是留设煤柱80 m，采出条带宽度为100 m，即模拟中方案三所采用的留宽和采宽，共采出3个条带，观测站对各观测点进行了10次观测。此采区工作面于2015年12月已经回采结束，到2017年1月18日，地表下沉进入稳定阶段，由此可得到最终的地表移动规律。根据观测数据计算出地表下沉值与水平移动值，其中第10次测量得到的地表下沉值与水平移动值，见表3。

m次观测时n点的下沉：

Wn=Hn0-Hnm

(1)

式中：Wn—n点的下沉值，mm；Hn0、Hnm—分别为首次和m次观测时点的高程，mm。

n号点的水平移动：

Un=[(Xnm-Xn1)×cosα+(Ynm-Yn1)×sinα]×1 000

(2)

式中：Un—n号点的水平移动，mm；(Xnm，Ynm)—m次观测时n点的坐标；(Xn1，Yn1)—第一次全面观测时n点的坐标；α—水平移动方向的方位角。

表3 观测点观测数据

曲线对比：将第10次所测数据导入EXCEL，得到两者的地表下沉曲线和水平移动曲线，与模拟所得数据作对比，如图4，图5所示。

图4 地表下沉曲线

图5 地表水平移动曲线

3.3 模拟结果与观测数据对比

在采宽为100 m，留宽为80 m时，数值模拟地表最大下沉值为323 mm，最大水平移动值为89 mm，而实际观测最大下沉值为386 mm，最大水平移动值120 mm，数值模拟结果比实际数据要小，误差主要由建模过程中对岩层参数简化造成的。数值模拟在对地质条件作了部分简化，去除了部分较薄的软弱岩层，使得上覆岩层中的坚硬岩层所占比例增加，有利于控制地表的下沉与移动，形成数值模拟结果比实际数据要小的这种情况，但差距不大。

条带开采工作面观测站走向线下沉水平移动和水平变形曲线的发育规律符合开采沉陷的一般规律。根据地表移动规律分析，截止工作面结束工作面开采未达到充分采动。

4 结论

(1)观测数据和模拟数据相对比，采用FLAC3D预计地表下沉和水平移动值与现场监测数据相差不大，能够较准确地预计开采引起的地表下沉与变形，证明数值模拟是一种可靠的研究手段。

(2)通过对观测数据的分析，得出地表下沉和移动的一般规律，地表下沉曲线以最大下沉点对称，地表变形曲线各点的移动指向最大下沉点。