亭南煤矿村庄下宽条带开采地表移动规律研究

2019-05-28余学义刘传杰

煤炭工程 2019年5期

余学义，刘传杰

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西西安 710054)

随着我国煤炭开采信息化、绿色化进程的不断加快，煤炭资源的储量日益减少，三下压煤成为限制我国煤矿可持续发展的重要因素之一[1]。亭南煤矿4#煤层资源储量为19543×104t，其中地表村镇、公路、水库等建筑设施压覆煤炭约3916×104t，约占总储量的20%，严重影响矿井正常的生产接续。因此，三下压煤安全高效开采成为亭南矿区亟待解决的首要问题。此外，控制覆岩移动及地表沉陷是该矿面临的另一关键问题，目前应用于减损开采的方法主要有局部开采、充填开采、覆岩离层注浆、协调开采等[2]。条带开采法属于局部开采，此法可有效控制覆岩及地表移动变形、保护地表建(构)筑物，不仅有利于煤矿安全生产、提高煤炭采出率，还降低了生产成本、扩大了矿井经济效益，并为最大限度地减小开采损害提供技术保障[3]。近年来，高效减沉的宽条带开采法正在被广泛应用到三下压煤开采中来[4]。在宽条带开采中开采参数设计是否合理成为宽条带开采成功与否的一个重要指标[5]。因此研究亭南煤矿宽条带开采对地表建筑物的影响，对亭南煤矿后续工作面的开采具有重要意义。

1 地质采矿条件

彬长矿区亭南煤矿地处陇东黄土高原东南部，属于陕北黄土高原南部梁沟壑区的一部分，地表沟壑纵横、梁塬破碎，地形起伏大，东西向沟谷发育，切割较深，形成沟谷梁峁相隔的地貌，观测区塬面高程最大为+1190m，最小为+850m。塬面为村庄建筑物分布区与农作物耕种区，沟坡部分呈陡峭崖壁或梯田形态，坡角一般在35～70，多由灌木植被覆盖，地表条件复杂。侏罗纪延安组所含的4#煤层为该区主采煤层，煤层平均埋深在550m左右，平均倾角为5，平均厚度为9.10m，属较稳定厚煤层。覆岩中普遍赋存约200m厚的洛河组砂岩关键层，同时地表覆盖有厚黄土层，地质采矿条件特殊。

2 地表移动观测

2.1 地表观测站的布置

为了确保观测线能够有效监测整个开采影响区域沉陷半盆地的地表移动变形情况，并得出该开采条件下地表岩移的相关参数，对该区域布设了多条观测线，并进行长期大量的观测。其中A线为布置在101工作面上方的倾斜观测线(A1—A23)，用于观测101工作面采后地表实时动态移动变形情况；M线(M1—M14)为布设在109与111工作面间的走向观测线，用以观测采后塬区及村庄地表的移动变形情况；Z线为位于101、109和111三个工作面之上的走向观测线(Z0—Z14)，用来观测不同采动程度对地表整体移动变形影响情况，详情如图1所示。

图1 工作面布置及地表观测线布置图

2.2 地表移动规律分析

2.2.1 地表下沉分析

通过分析地表移动观测数据可知，在101和103工作面间歇条采条件下，由于覆岩关键层中洛河组砂岩对地表移动变形的发展起着决定作用，地表的最大下沉量仅为100mm左右，地表下沉曲线基本呈岩梁挠度形态，为极不充分采动状态，但采动影响范围已经接近充分开采条件下的影响范围，说明极不充分开采时，开采面积的减小并不能有效限制地表沉陷盆地的范围，而地表下沉盆地的水平移动范围较下沉范围大，其原因主要是由于在覆岩关键层的控制下坚硬厚岩层的挠曲变形使得地表水平移动范围较下沉范围大。在113和111工作面开采过后，地表最大下沉值达156 mm，属非充分采动。当109工作面回采过后，条带开采已达到充分采动条件，煤柱在开采过程中发生了较大的塑性变形，在上覆厚黄土层的重力作用下洛河组砂岩发生了整体协调下沉，加之厚黄土层的采动特征不同于基岩关键层，具有松散介质的流变性，使得地表下沉量明显增加。此时109工作面地表移动尚处于活跃期，地表沉陷还将持续。地表下沉曲线如图2所示。

图2 Z观测线下沉曲线图

由Z7点的动态下沉曲线(图3)可知，在101和103工作面开采后，Z7点的下沉值约为90mm；又经受113和111工作面开采影响，该点下沉值达到182mm；当109工作面回采过后，地表下沉大幅增加，达到302mm，说明大采深宽条带开采符合充分和非充分采动地表移动规律，但地表移动变形量并非简单的叠加，而与条带开采范围有密切关系。

图3 Z7观测点下沉曲线图

2.2.2 水平移动与水平变形特征分析

由M观测线数据可知：101—109工作面开采过程中地表水平移动由开采边界向采空区中央先增大后减小，随采动程度不断扩大，水平移动值逐渐增大，分布在-56～75mm之内，如图4所示。由开采引起的水平变形基本在-1.2～1.5mm/m范围之内，其中位于边界点和下沉拐点之间为拉伸变形，位于两拐点之间为压缩变形，如图5所示。整体分析宽条带开采对地表移动变形影响不大，该区域地表移动变形均在地表建筑物设防标准Ⅰ级变形保护范围以内[6]，村庄房屋建筑安全。

图4 M观测线水平移动分布图

图5 M观测线水平变形分布图

2.3 地表岩移参数分析

通过以上实测分析，结合工作面实际开采情况及经验公式可得岩层移动预计参数为：一盘区101、109—113工作面采动地表下沉系数为0.08；水平移动系数为0.13；主要影响角正切值为2.0，主要影响半径为275m左右；根据拐点的下沉值约为最大下沉值的一半的特性，利用N、M观测线下沉曲线图确定拐点，得到拐点偏距为0.06H[7]。结合以往开采实践证实在大采深条件下极不充分采动与充分采动条件下的影响范围相近[8]。

3 条带工作面开采参数理论分析

亭南煤矿一盘区的开采深度在450～550m，101、109—113条带工作面开采宽度在90～120m。当采宽与采深之比小于1/3时，属于极不充分采动[9，10]。在该条件下分析条带开采参数的合理性对该矿区后续工作面开采有一定的参考价值。

3.1 开采宽度分析

在条带长壁开采工作面推进方向一般可达到充分采动甚至超充分采动，但沿工作面开采宽度方向为极不充分采动[11]。故沿开采宽度方向按照体积不变原理，将开采下沉作为二维平面问题处理，即倾斜主断面下沉盆地的面积应与开采面积相等，结合极不充分开采地表的最大下沉值计算公式Wmax=qm推理得出极不充分开采采出宽度计算公式[12]：

式中，q为极不充分开采地表下沉率，取0.15；M为煤层厚度，m；L为条带开采的宽度，m；r为主要影响半径，m；k为岩土层碎涨系数，取0.65；H为煤层埋深，m；tanβ为主要影响角正切，取2.0。

按地表建筑物保护极限变形值2.0mm/m计算，由式(2)计算出：亭南一盘区101、109—113条带开采工作面宽度应控制在96～112m。

3.2 留设保护煤柱宽度分析

3.2.1 按采留条带协调作用计算

由概率密度函数法分析得知，在单一宽条带工作面开采时，压缩变形最大为：

开采边界0.7r时，地表拉伸变形达到最大为：

在多条带定采留比开采时，如果留设煤柱宽度a与开采宽度L之和为0.7r，使得每个条带开采产生的最大压缩变形与相邻条带开采的最大拉伸变形相叠加，此时开采地表的最大下沉值相对较小，当煤柱宽度与开采宽度之和小于0.94r时，地表将不会出现显著的波浪形下沉盆地[13]。为了使极不充分开采地表不出现波浪形下沉盆地并且下沉盆地中央的变形为零或接近于零，开采宽度L与保护煤柱宽度a之和的最优值为0.7r，且最大值不应该超过0.94r[13]。在开采深度一定的条件下，影响半径取r=275m计算：按最优值条件计算出留设条带煤柱宽度a应在61.1～70.5m范围之内；按最大值条件计算出保护煤柱宽度a应不大于115.1m。

3.2.2 按留设煤柱的支撑能力与长期稳定性计算

保护煤柱必须具有足够的支撑强度和长期的稳定性，条带保护煤柱大小的普遍的判别条件为宽高比大于5、煤柱弹性核区宽度大于55%[13]。考虑到深部开采煤柱塑性区较浅埋条件下大，故一盘区宽条带开采的宽高比取7，工作面间保护煤柱宽度应大于50m；根据威尔逊理论条带保护煤柱的塑性区宽度与核区宽度计算公式[14，15]，按工作面采高6m、平均开采深度470m计算，求出留设保护煤柱的宽度应不小于80m。

3.3 综合分析

通过一盘区采宽、留宽度设计参数结合工作面地表移动观测数据、地表房屋监控调查分析得知：开采工作面选取的开采参数是合理的，具体见表1。按极限承载能力与实际载荷值比值公式计算留设煤柱的安全系数可知留设的保护煤柱安全系数均大于2.0，符合安全系数大于1.5的判别条件。

表1 一盘区101—113工作面参数

4 数值模拟计算分析

4.1 数值模拟

以一盘区特定地质采矿条件参数为基础建立FLAC3D数值模型，模拟101、109、111、113四个工作面开采对地表下沉的影响，模型尺寸为：长1300m；宽500m；高580m，共12个层组，采用大应变变形和Mohr-Coulomb本构模型进行运算。按原开采方案对工作面回采后地表下沉进行模拟，给出沿N观测线为剖面线的地表下沉等值线图，如图6所示。

图6 原方案条带开采下沉图

由模拟结果可知工作面回采结束后地表最大下沉值为536mm；直接顶垮落下沉量为5923mm，以地表下沉10mm为边界得知开采影响半径大约为273m，开采下沉系数为0.09。

将2011年12月工作面地表最终观测数据与数值模拟下沉结果进行对比，如图7所示。二者之间存在一定差值，主要原因是此时的下沉值是在109工作面采后测得的，该工作面覆岩移动变形尚未完全稳定，地表下沉量会进一步增加，所以实测值一般要比数值模拟下沉值小。

图7 实测下沉数据与数值模拟对比图

通过数值模拟与实测数据对比分析可知数值模拟与实测数据在一定程度上相互验证，确保了实测数据与数值模拟的有效性和可靠性，得到在亭南煤矿特定条件下数值模拟中的岩移数据，为亭南煤矿条带开采参数选取以及开采可行性尊定基础。

4.2 不同开采参数分析

为进一步研究条带开采不同采留宽对地表移动变形的影响，优化条带开采设计参数，在原开采方案一的基础之上，又提出三种不同开采方案，通过模拟不同开采参数对地表下沉的影响给出最优的开采参数。方案二、三、四中留设煤柱分别为70m、70m、80m；75m、75m、85m；90m、90m、100m。各开采方案工作面开采宽度见表2。

表2 四种方案条带开采参数 m

根据不同开采参数对另外三种方案进行地表下沉模拟计算，其结果如图8—10所示。将模拟结果结合已知的地表岩移参数应用概率积分法对各方案进行地表移动变形预计[15]，综合分析各方案开采后地表的移动变形规律，具体参数见表3。

由表3知，随工作面开采宽度的增加，采出率随之增加，同时地表各移动变形参数均有所增大；方案二与方案三开采造成的地表移动变形最大值均超出I级变形控制要求；方案一与方案二、方案三相比发现，工作面开采宽度增加对地表移动变形的影响将增大，且增幅越大对地表损害程度越大；由方案一与方案四对比可知，适当地增大采宽，既可提高采出率又可有效控制地表移动变形参数。综合考虑分析方案一(原方案)更适合亭南煤矿现有条件下开采，能够有效保护地表村庄及建筑，解决该矿三下压煤问题。