不同采出率条件下条带开采地表移动变形规律

赵 柯

(1.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.山西汾西矿业(集团)有限责任公司，山西 介休 032000)

0 引言

我国现阶段煤炭资源的重点开发由东部不断向西北移动，陕北浅埋煤层的开发日益扩大，导致了开发区域的地表沉陷、山体滑坡以及地表水土流失的环境破坏日益加剧，使得当地原本脆弱的生态环境更加严峻。陕北煤层主要的赋存情况为埋藏浅、薄基岩、厚松散层[1]，为了保证地表建筑(构)物以及水资源不受影响，该地质结构想要提高采出率，地表沉陷现象必然加剧，因此研究采出率对地表沉陷的影响是很有必要的。

针对煤炭开采而引起的地表沉陷问题，国内学者们做了大量的研究。例如，孙健等[2]依据岩层控制理论，推导结构隔水层及上方黏性土层稳定性力学判据，分析条带充填覆岩隔水层稳定性影响因素。崔希民等[3]讨论了开采沉陷的主要影响因素、预计参数的确定和预计误差，强调了预计误差和拟合误差的区别。从现有预计方法存在的不足中提出了开采沉陷预计存在的问题和今后的研究方向。董羽等[4]通过理论计算充填体荷载及强度，分析充填体的稳定性；根据条带开采后岩层移动情况确定预计参数，采用概率积分法计算充填回采后地表移动与变形。白二虎等[5]采用理论分析与相似模拟相结合的研究方法，以具体的煤矿为工程背景给出了条带开采的采留宽、沿空留巷的巷旁充填宽度和充填率的确定原则，分析了巷旁充填体提升条带煤柱稳定性的作用原理及置换煤柱开采的覆岩稳定性。贺强等[6]基于浅埋煤层开采下的地表沉陷控制理论及控制方法，提出不同开采方法相结合的开采模式。以关键层理论为依据，试验研究为基础，并结合数值模拟分析，研究了不同采-留-充相结合的开采方法对该矿区地表沉陷的控制作用。黄庆享等[7]根据特殊保水开采区典型条件，提出了条带充填隔水岩组弹性基础梁力学模型，给出了充填条带压缩量和隔水岩组的挠度计算公式，确定了下行裂隙的位置和发育深度，提出了合理的充填间隔宽度和充填条带宽度计算方法。于洋等[8]研究了煤柱在地下水、风化作用等多种因素的作用下会发生剥离和尺寸缩减，使煤柱发生渐进性失稳破坏的影响因素，讨论了采出率、地表沉陷控制和安全系数的协同关系。数值模拟计算是采矿工程研究的有效手段，通过数值模拟可以清楚地来研究煤炭开采而引起的地表沉陷问题[9-10]。刘洋等[11]使用FLAC3D数值模拟软件建立模型，并且通过分析和计算得出了应力集中区域，从而判定了冲击危险性。杨永杰等[12]研究了含水率对条带煤柱蠕变特性的影响，得出含水率对煤样蠕变特性具有明显的影响，含水率越大，煤样的蠕变变形量越大，其蠕变门槛值、蠕变强度及蠕变系数越低。采用改进的Burgers模型能够较好地描述煤的蠕变力学特性并且以蠕变试验结果为基础，采用FLAC3D数值模拟软件对不同含水率条带煤柱的蠕变特性及稳定性进行了模拟分析。张艺凡等[13]采用数值模拟方法，模拟了不同坡度下的地表移动变形，总结岩体在不同坡度下的移动变形特征。

为了使煤炭开采能在一个安全、高效、合理的过程中进行，研究煤矿采出率是非常必要的[14]。以榆林某矿为工程背景，利用FLAC3D数值模拟软件模拟不同采出率下的地表沉陷情况，并且在模型地表布置测点，通过收集地表位移数据，得到地表下沉、地表水平和曲率曲线图，进而对地表移动规律进行分析和研究。

1 采出率及采、留宽的选取

1.1 工程概况

以榆林市榆阳区某煤矿为工程背景。该矿开采方式为条带开采，矿井主采3号煤层，302盘区构造较简单，在工作面范围内，岩层与煤层为近水平，平均厚度5.34 m。岩性以中细粒砂岩为主，粗砂岩次之。岩石较为坚硬，强度较大。煤层埋藏较浅，基岩比较薄、松散层厚度较大。

1.2 采出率及留宽计算

根据单向应力法计算条带煤柱的安全性计算公式[15]

(1)

式中，γ为上覆岩层的平均容重，g/cm3；a为保留条带(矿柱)的宽度，m；b为采出条带宽度，m;Pd为矿柱实际承担的平均载荷，MPa。

矿体的强度Rc按经验公式来确定，经验公式为

Rc=7.18a0.46M-0.66

(2)

式中，a为保留条带(矿柱)的宽度，m；M为矿柱的高度，m。

条带煤柱稳定性的安全系数Sf应满足

(3)

计算煤柱的核区率

(4)

式中，rp为煤柱屈服宽度，m；T为煤柱高度，m；d为开采扰动因子，取1.5～3.0；β为屈服区与核区界面处的侧压系数；C为煤层与顶底板接触面的粘聚力，MPa；φ为煤层与顶底板接触面的摩擦角，(°)；σzl为煤柱极限强度，MPa；Px为煤壁的侧向约束力，MPa；a为煤柱宽度，m。

根据地质资料以及经验求得参数，煤柱高度T=5 m；开采扰动因子d=2.0；屈服区与核区界面处的测压系数；β=0.3；煤层与顶底板接触面的粘聚力C=0.8 MPa；煤层与顶底板接触面的摩擦角φ=15°；煤柱极限强度σzl=8 MPa；煤壁的侧向约束力Px=1 MPa。

(5)

式中，ρ为核区率。

根据式(4)(5)可以分别计算出不同采出率Sf、ρ值及采留宽度，见表1。

表1 不同采出率Sf、ρ值

由表1可以看出不同采出率的安全系数Sf均大于1，核区率ρ基本满足≥65%的要求，并确定采留宽度。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

以3号煤层为研究对象，建立FLAC3D模型，模型的尺寸为长360 m、宽100 m、高205 m；煤岩层位根据表2的煤岩土层岩性及力学参数进行布置，模型顶部为自由边界，模型其余边界进行位移约束。模型初始平衡采用摩尔-库仑模型进行计算模型。在模型上边界从左边开始沿走向主断面每隔10 m布置一个测点，其开挖简图如图1所示。

表2 煤岩土层岩性及力学参数

图1 不同采出率开挖简图

2.2 模拟结果分析

根据走向主断面布置观测点收集到的数据进行结果分析，见表3。

表3 不同采出率的极值

2.2.1 不同采出率地表移动

由图2～5各曲线图中可以看出在采出率大于50%之后4个指标的极值明显增大，造成这个结果的原因是由于留设煤柱尺寸减小，塑性区增加。

图2 不同采出率下沉曲线

2.2.2 采出率与地表移动变形关系

通过分析可以得到不同采出率对地表的下沉、水平移动、曲率、倾斜极值均随采出率的增加呈非线性不断增加，通过不同采出率与地表移动变形关系进行拟合分析，得出采出率与各个指标极值均呈幂函数趋势增长，具体关系如图6～9所示。各拟合曲线图中可以看出采出率随各个指标参数数值的增大而增大，呈现指数函数增长。

图3 不同采出率水平移动曲线

图4 不同采出率地表曲率曲线

图5 不同采出率地表倾斜曲线

图6 采出率与下沉(w)关系

图7 采出率与水平移动(u)关系

图8 采出率与曲率(k)关系

图9 采出率与倾斜(i)关系

3 结论

(1)随着采出率的增加，对应的地表移动变形值也随之增大，当采出率大于50%时，各地表移动变形加剧，原因是留设煤柱尺寸减小，塑性区增加。

(2)通过分析可知采出率对地表移动极值有较大影响，地表的下沉值、水平移动、曲率、倾斜极值与采出率呈非线性关系，并给出相应的表达式。

(3)研究成果表明，该矿的采出率为50%较为合理，能保证该矿井建筑物安全开采，研究成果也为该矿区研究条带开采提供了科学依据。