賈明魁

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京），北京 100083;2.河南煤化集團(tuán)焦煤公司，河南焦作 454000）

古漢山礦開采沉陷特征模擬研究

賈明魁1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京），北京 100083;2.河南煤化集團(tuán)焦煤公司，河南焦作 454000）

深部厚煤層特殊開采的地表沉陷特征是一個全新的研究課題，對于深部厚煤層“三下”壓煤開采具有重要意義。為研究這一課題，以焦煤古漢山礦采礦地質(zhì)條件為例，利用通用離散元軟件UDEC，對部分開采以及充填開采進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究了部分開采采出率以及充填開采充填采厚比對地表沉陷的影響，得出了深部厚煤層特殊開采條件下的地表沉陷規(guī)律，對其他礦區(qū)的“三下”壓煤開采也具有一定的參考意義。

深部厚煤層;“三下”壓煤;特殊開采;地表沉陷;數(shù)值模擬

隨著我國煤炭資源持續(xù)大規(guī)模開采，煤炭生產(chǎn)礦區(qū)產(chǎn)生大量“三下”（建筑物、鐵路及水體下）壓煤［1］，某些礦區(qū)“三下”壓煤量甚至已占礦區(qū)可采儲量的80%以上。而傳統(tǒng)的全陷法開采地表移動變形劇烈，破壞礦區(qū)環(huán)境，影響工農(nóng)關(guān)系，因此，如何經(jīng)濟(jì)合理地開采“三下”壓煤，已成為保持礦區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和穩(wěn)定的重要問題。

“三下”壓煤開采的關(guān)鍵在于地表的沉降控制，因而部分開采及充填開采等能減緩地表移動變形的開采方法是目前解決“三下”壓煤開采主要技術(shù)措施［2－3］。而隨著煤層開采往深部發(fā)展，深部煤層地下開采的地表沉陷特征值得深入研究，為此，于保華［4］等研究了深部開采的地表沉陷特征;鄧喀中［5］等研究了深部極不充分開采條件下的地表沉陷預(yù)測與控制;何滿潮［6］等指出深部開采的巖體力學(xué)特點(diǎn)及研究方向;王金安［7］等研究了建筑物下厚煤層特殊開采?？傮w而言，目前對深部厚煤層特殊開采條件下的地表沉陷特征研究較少。

為研究深部厚煤層在特殊開采條件下的地表沉陷特征，本文擬采用數(shù)值模擬［8］手段，對煤層地下開采過程進(jìn)行模擬，就部分開采［9］以及充填開采技術(shù)下的地表移動變形進(jìn)行計(jì)算分析，以獲得深部厚煤層在特殊開采條件下的地表沉陷規(guī)律。

1 模型建立

數(shù)值模擬采用由ITASCA公司開發(fā)的商業(yè)軟件UDEC進(jìn)行，UDEC是一款處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，用于模擬非連續(xù)介質(zhì) （如巖體中的節(jié)理裂隙等）承受靜載或動載作用下的響應(yīng)，非常適合用以研究地下開采引起的上覆巖層及地表的移動變形問題。

模擬對象為焦煤古漢山礦，模型長1800m，厚600m，煤層厚6.75m，埋深約500m，煤層上覆巖層厚約370m，表土層厚125m。模型參照焦煤古漢山礦的地層并經(jīng)適當(dāng)簡化而建立，共分31層，為監(jiān)測采動過程中覆巖及地表的移動變形，在模型上布設(shè)了移動觀測線，每條水平觀測線設(shè)91個測點(diǎn)，間距20m等距分布，各測點(diǎn)在煤層開采過程中監(jiān)測豎向及水平向移動變形量，用于后期分析。

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是地下工程設(shè)計(jì)和計(jì)算的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到地下煤層采動過程中上覆巖層的垮落破斷及移動變形狀態(tài)。為準(zhǔn)確把握焦煤古漢山礦煤層上覆巖層力學(xué)參數(shù)，根據(jù)研究的需要，對二1煤層頂?shù)装鍘r石進(jìn)行了室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，所獲得的二1煤層頂?shù)装宓膸r石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。巖層物理力學(xué)參數(shù)參考室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選取，但工程巖體由于節(jié)理斷層的存在，其強(qiáng)度一般為巖塊強(qiáng)度的幾分之一至幾十分之一，本次模擬計(jì)算所選取的巖土層的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

表2 巖土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

原巖應(yīng)力場是數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)之一，焦煤礦區(qū)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果［10］表明，焦煤地區(qū)水平應(yīng)力南北向明顯大于東西向。鑒于焦煤古漢山礦煤層走向?yàn)榻鼥|西向，且煤層開采上覆巖層移動機(jī)理主要是采空區(qū)上覆巖層在重力作用下的垮落破斷和移動變形。因此，本次模擬垂直應(yīng)力取巖層自重，走向水平應(yīng)力取0.8倍自重，垂直走向水平應(yīng)力取1.2倍自重。同時模型邊界條件設(shè)定為:左右兩邊滾支，下部邊界固定，在此條件下進(jìn)行初始應(yīng)力平衡及后續(xù)計(jì)算。

2 模擬開采方案及結(jié)果分析

2.1 常規(guī)開采模擬

為檢驗(yàn)數(shù)值模型的實(shí)際效果，首先進(jìn)行了常規(guī)開采條件下全陷法開采的模擬計(jì)算，模擬工作面沿煤層走向推進(jìn)，推進(jìn)距離為800m。計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 沿走向推進(jìn)800m后模型下沉及水平移動狀態(tài)

圖2 沿走向推進(jìn)800m后模型地表下沉及水平移動曲線

由計(jì)算結(jié)果可見地下開采800m采動穩(wěn)定后達(dá)到充分采動狀態(tài)，地表最大下沉值約4995mm;水平移動在地表達(dá)到最大值，最大水平移動值約1183mm，即在此采礦地質(zhì)條件下的地表下沉系數(shù)為0.74，地表水平移動系數(shù)為0.24，這與焦東礦區(qū)實(shí)測地表下沉及水平移動系數(shù)非常接近，同時地表下沉及水平移動曲線符合實(shí)測地表移動變形規(guī)律，表明該數(shù)值模型可以用于該采礦地質(zhì)條件下地下煤層開采模擬。

2.2 條帶開采

條帶開采是將開采的煤層區(qū)域劃分成比較規(guī)則的條帶形狀，采一條，留一條，使保留的條帶以煤柱的形式支撐上覆巖層，控制冒落帶、裂縫帶的發(fā)育，從而減少地下開采導(dǎo)致的地表沉陷變形。條帶開采設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容是條帶采留寬度設(shè)計(jì)，即條帶采出率設(shè)計(jì)，不同采出率條帶開采對地表移動和變形的影響程度不同。為研究在不同采出率條件下條帶開采的地表沉陷規(guī)律，本次模擬分析了5種采出率，分別為30%，40%，50%，60%和70%，對應(yīng)的條帶采留寬度分別為:采30m留70m、采40m留60m、采50m留50m、采60m留40m、采70m留30m。其中采出率50%條件下條帶開采穩(wěn)定后模型下沉及水平移動狀態(tài)云圖見圖3;5種采出率條件下條帶開采的地表移動和變形結(jié)果如表3，圖4所示。

圖3 采50m留50m開采結(jié)束后模型下沉及水平移動狀態(tài)

表3 不同采出率條件下條帶開采結(jié)束后地表移動變形

圖4 不同條帶采出率條件下地表下沉曲線

由以上結(jié)果可見，條帶開采對于地表的沉陷控制具有明顯的效果，當(dāng)條帶采出率為50%時，地表下沉系數(shù)僅有0.122;但隨條帶采留寬度比的增大，地表最大下沉呈現(xiàn)一種迅速增大的趨勢，表明地表受采動影響程度隨采出率的增加而迅速增大。

2.3 限厚開采

地表最大下沉值與煤層采高成正比，減小煤層采高可以減少地表變形，限厚開采即是通過限制煤層采高的方式減小對地表的采動影響程度。為研究不同的煤層采高對地表移動變形的影響規(guī)律，模擬分析了5種采高:2.03m，2.70m，3.38m，4.05m和4.73m，對應(yīng)的采出率分別為 30%，40%， 50%，60%和70%，計(jì)算結(jié)果如表4，圖5、圖6所示。

表4 限厚開采條件下地表移動變形

圖5 限厚2.03m開采結(jié)束后模型下沉及水平移動狀態(tài)

圖6 限厚開采條件下地表下沉曲線

由上述結(jié)果可見，限厚開采條件下地表下沉系數(shù)及水平移動系數(shù)基本穩(wěn)定，限厚開采對地表的采動影響程度隨采厚的增大而增大。與條帶開采相比，采出率相同的情況下，限厚開采對地表的采動影響程度遠(yuǎn)大于條帶開采。

2.4 充填開采

采空區(qū)充填對井下開采的地面減沉具有明顯的作用，實(shí)踐中常根據(jù)地面保護(hù)等級采用不同的充填厚度。充填材料種類繁多，本次模擬主要研究水砂充填開采對地表的采動影響程度。

模擬分析了5種充填采厚比，即30%，40%，50%，60%和 70%，對應(yīng)的充填厚度分別為2.03m，2.70m，3.38m，4.05m和4.73m。計(jì)算結(jié)果如表5及圖7、圖8所示。

表5 充填開采結(jié)束后地表移動變形

圖7 充填4.05m開采結(jié)束后模型下沉及水平移動狀態(tài)

圖8 不同充填厚度條件下開采地表下沉曲線

由此可見，充填開采對于地表的沉陷控制具有明顯效果，充填開采對地表的減沉效果與充填厚度成正比;地表下沉值和水平移動值隨采空區(qū)充填厚度增大而減小，但地表水平移動系數(shù)基本穩(wěn)定。

2.5 結(jié)果分析

煤層厚度一定條件下，地表沉陷量越大則表明地表受采動影響程度越劇烈。因此，煤厚一定的條件下可以采用地表最大下沉值表征地表受采動影響程度。

圖9是不同開采方法條件下地表最大下沉值與采出率或充填采厚比之間的關(guān)系曲線。可見限厚開采與條帶開采相比，煤炭采出率相同的條件下，限厚開采對地表的采動影響程度遠(yuǎn)大于條帶開采。原因在于地表采動影響程度除與采厚有關(guān)外，還與地下采空區(qū)大小有關(guān)，條帶開采留下的條帶煤柱一方面承載了上覆巖層的壓力，限制了頂板冒落帶、裂縫帶的發(fā)育高度;另一方面也大大降低了地下采空區(qū)的面積，從而很大程度上降低了對地表的采動影響程度;而限厚開采會形成大面積的地下采空區(qū)，覆巖失去支撐移動變形較為劇烈，加大了對地表的采動影響程度。

圖9 地表下沉值與采出率或充填采厚比關(guān)系曲線

由圖9可見限厚開采在不同采出率條件下地表下沉與采出率近似線性關(guān)系并逐步增大，表明地表采動影響程度與煤層采厚成正比;條帶開采隨采留寬度比的增大，地表最大下沉呈現(xiàn)一種迅速增大的趨勢，表明地表受采動影響程度隨條帶采出率的增加而迅速增大。

充填開采相當(dāng)于降低了煤層的有效采厚，因而很大程度上可降低對地表的采動影響程度。由圖9可見，地表最大下沉與充填采厚比近似線性關(guān)系并逐步降低，表明充填開采條件下地表受采動影響程度與充填厚度成反比，這與實(shí)測結(jié)果較為一致。

3 結(jié)束語

“三下”壓煤開采因地表建 （構(gòu)）筑物需要保護(hù)而對地表移動變形控制要求較高，因此，能減緩地表移動變形的開采方法，如部分開采及充填開采在“三下”壓煤開采中得到了廣泛應(yīng)用，是目前解決“三下”壓煤問題的主要開采技術(shù)措施。而隨著煤層開采往深部發(fā)展，深部厚煤層特殊開采的地表移動特征值得深入研究。

采用UDEC軟件模擬研究了深部厚煤層在條帶開采、限厚開采和充填開采條件下的地表沉陷特征。研究結(jié)果表明:條帶開采條件下，隨著條帶采出率的增加，地表最大下沉值和最大水平移動值都顯著增加，即地表受采動影響程度隨條帶開采采出率增加而迅速增大;限厚開采的模擬研究結(jié)果表明，限厚開采條件下地表下沉系數(shù)及水平移動系數(shù)雖趨于穩(wěn)定，但限厚開采的地表最大下沉值與采厚成正比，即限厚開采對地表的采動影響與采厚成正比;充填開采的模擬研究結(jié)果表明，地表最大下沉值與充填采厚比呈近似線性關(guān)系并逐步減小，即充填開采對地表的減沉效果與充填厚度成正比。

深部厚煤層在特殊開采條件下的地表沉陷特征有其自身的特點(diǎn)，這是由深部開采的采動沉陷機(jī)理所決定的，而深部厚煤層的采動沉陷機(jī)理則是下一步需要深入研究的問題。

［1］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［2］何國清，楊 倫，凌賡娣，賈鳳彩，洪 鍍.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［3］孫文華.三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實(shí)用手冊［M］.北京:中國煤炭出版社，2005.

［4］于保華，朱衛(wèi)兵，許家林.深部開采地表沉陷特征的數(shù)值模擬［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24（4）:422－426.

［5］鄧喀中，張冬至，張周權(quán).深部開采條件下地表沉陷預(yù)測及控制探討［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，29（1）:52－55.

［6］何滿潮，謝和平，彭蘇萍，姜耀東.深部開采巖體力學(xué)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（16）:2803－2813.

［7］王金安，謝和平，M.A.Kw asniewski，王廣南.建筑物下厚煤層特殊開采的三維數(shù)值分析 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18（1）:12－16.

［8］李德海，等.厚松散層下條帶開采技術(shù)研究［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［9］ Itasca Consulting Group Inc.UDEC（Universal Distinct Element Code），Version 4.0.Minneapolis，MN:ICG;2004.

［10］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

Numerical Simulation of Surface Subsidence Characteristic in Guhanshan Colliery

JIA Ming-kui1，2

（1.China University of Mining＆Technology（Beijing），Beijing 100083，China; 2.Coking Coal Corporation，Henan Coal＆Chemistry Group，Jiaozuo 454000，China）

Surface subsidence rule of deep thick coal-seam mining is a new research tendency and is very important for mining deep thick coal-seam under river，railway and buildings On the basis ofmining and geological condition of Guhanshan Colliery，this paper applied UDEC to simulating partmining and stowingmining process Mining ratio of partmining and the influence of stowing-to-mining height ratio on surface subsidencewere researched Surface subsidence rule ofmining deep thick coal-seam was obtained，which was referable formining under river，railway and building in othermining areas.

deep thick coal-seam;coal under river，railway and building;specialmining;surface subsidence;numerical simulation

TD823

A

1006-6225（2011）05-0036-04

2011－08－17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （41072225）

賈明魁 （1967－），男，河南延津人，在站博士后，教授級高級工程師，主要從事煤礦安全高效開采技術(shù)研究和生產(chǎn)管理工作。

［責(zé)任編輯:鄒正立］

綜述