胡文鵬

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500)

0 引言

條帶開采作為采出“三下”壓煤的重要途徑之一，由于其成本低廉，技術(shù)簡單，并能夠有效地控制地表沉陷和移動(dòng)，保護(hù)地面建筑物，在我國礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用。條帶開采煤柱的穩(wěn)定性及覆巖運(yùn)動(dòng)關(guān)系到地表建筑物等的安全，因此確定合理的采留比對于控制地表運(yùn)移，保障地表設(shè)施、田地、河流、交通具有重要的意義[1-2]。

由于礦山地質(zhì)的復(fù)雜性和巖體的特殊性，條帶開采引起的覆巖及地表移動(dòng)和破壞機(jī)理比較復(fù)雜，上覆巖層的破壞和移動(dòng)是自下而上逐漸發(fā)展的過程，并且受多方面因素的影響[3]。上覆巖層的破壞過程不但是一個(gè)連續(xù)移動(dòng)變形的過程，更是一個(gè)巖體不斷破碎、斷裂發(fā)展的過程?？梢?，要揭示覆巖運(yùn)動(dòng)及地表移動(dòng)規(guī)律，必須深入研究條帶開采過程中覆巖破壞及移動(dòng)與地表移動(dòng)的特征，而數(shù)值模擬方法可快捷方便地對條帶開采的各影響因素對覆巖破壞移動(dòng)規(guī)律的作用關(guān)系進(jìn)行研究，模擬結(jié)果直觀性強(qiáng)，在礦山開采沉陷工程覆巖破壞及地表移動(dòng)規(guī)律研究中具有較好的適用性和廣泛性，但在數(shù)值模擬過程往往不能夠完全真實(shí)地反映煤層覆巖狀態(tài)，難免出現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)際有誤差，本文圍繞某礦條帶開采條件(煤柱尺寸為80 m，采寬100 m)對地表的影響進(jìn)行模擬與地表測量數(shù)據(jù)對比，為最終確定合理采留比提供參考[4-5]。

1 工程概況

工作面揭露主要煤層為二迭系山西組的3上煤層。根據(jù)工作面順槽實(shí)際揭露資料和鉆孔柱狀資料，二迭系山西組的3上煤層為黑色，以鏡煤、亮煤為主，平均煤厚5 m，煤層傾角平均5°，可采系數(shù)95%，條帶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，屬于簡單結(jié)構(gòu)。工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，接近切眼段煤層傾角較大，本工作面與相鄰工作面較近，頂板裂隙比較發(fā)育。

煤層頂?shù)装鍘r性，見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 條帶開采地表運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

為了研究不同采出率對條帶開采覆巖運(yùn)動(dòng)及地表移動(dòng)規(guī)律的影響，為使各個(gè)方案的模擬結(jié)果有可比性，在進(jìn)行某個(gè)影響因素的分析時(shí)，保持其他各影響因素相同。根據(jù)模擬的目的制定如下模擬方案。

設(shè)煤柱的寬度為80 m(礦方實(shí)際煤柱寬度)不變，改變采出條帶的寬度，采出條帶的寬度分別為60 m、80 m、100 m、120 m，共建立4個(gè)模型，這4個(gè)模型的采深均為500 m(煤層實(shí)際埋深)，采厚為5 m，煤層按水平煤層計(jì)算，每個(gè)方案均開采3個(gè)條帶，方案編號為：方案一、方案二、方案三和方案四。

各個(gè)方案的邊界條件，巖石力學(xué)參數(shù)等其他條件保持相同。

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果分析見表2。

根據(jù)模擬結(jié)果，給出方案一～方案四地表下沉曲線圖及水平移動(dòng)曲線圖，分別如圖1、圖2所示。

由地表下沉曲線圖1、水平移動(dòng)值圖2可知，留設(shè)煤柱的寬度為80 m，在采寬分別為60 m和80 m時(shí)，采出率比較小，地表下沉曲線比較平緩，隨著采寬的增大，地表下沉曲線變的相對較陡。同樣，在采出率較小時(shí)，地表水平移動(dòng)值較小，隨著采出率的增加，水平移動(dòng)值明顯增大，并且隨著采出率的增加，地表下沉值及地表水平移動(dòng)值的增幅更大。

圖2 采出率不同時(shí)地表水平移動(dòng)曲線圖

采區(qū)寬度的不同代表著采動(dòng)程度的不同，采區(qū)寬度較小時(shí)，往往表現(xiàn)為非充分采動(dòng)，此時(shí)地表下沉值未達(dá)到最大值；隨著采區(qū)寬度的增加，采動(dòng)程度逐漸接近充分采動(dòng)，有時(shí)會(huì)達(dá)到超充分采動(dòng)，這時(shí)的地表下沉值達(dá)到最大值，不再隨采區(qū)寬度的增加而增加。

3 地表變形觀測與對比分析

為了解決數(shù)值模擬所采用地質(zhì)資料的礦井正確的選擇條帶的采留、寬問題以及觀測開采過程中及開采結(jié)束后地表移動(dòng)變形情況，合理優(yōu)化開采方案，檢驗(yàn)地表移動(dòng)數(shù)值模擬值的正確性，根據(jù)該礦的開采實(shí)際及要求，在該采區(qū)上方布置地表巖移觀測站，沿條帶采區(qū)正上方沿走向布置一條觀測線，分析總結(jié)該礦開采引起的地表變形規(guī)律，以指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)，依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行了比較細(xì)致的觀測；通過對測區(qū)地表觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)礦井生產(chǎn)設(shè)計(jì)，得出煤礦開采引起的地表變形對地表建(構(gòu))筑物的損壞程度等級，以便對井田范圍及周邊的地面設(shè)施進(jìn)行合理保護(hù)或搬遷避讓。

3.1 地表移動(dòng)觀測站布設(shè)及觀測方法

本次地表移動(dòng)觀測線設(shè)在條帶開采采區(qū)工作面的近正上方，為走向觀測線，觀測線長度為990 m，全線共布設(shè)34個(gè)測點(diǎn)，點(diǎn)間距為30 m，觀測點(diǎn)布置圖如圖3所示。觀測點(diǎn)編號從東自西起連續(xù)編號，此觀測線基本為一條直線，觀測線橫跨3條工作面，根據(jù)已有的資料表明相鄰工作面的開采對該觀測站產(chǎn)生的影響很小，因此觀測站位置較為理想。

圖3 觀測點(diǎn)布置圖

3.2 觀測結(jié)果分析

觀測數(shù)據(jù)：每次觀測結(jié)束后，檢查觀測數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)符合《煤礦測量規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，然后進(jìn)行改正計(jì)算和平差計(jì)算，使觀測結(jié)果比較準(zhǔn)確。在該采區(qū)，所采用的開采設(shè)計(jì)是留設(shè)煤柱80 m，采出條帶寬度為100 m，即模擬中方案三所采用的留寬和采寬，共采出3個(gè)條帶，觀測站對各觀測點(diǎn)進(jìn)行了10次觀測。此采區(qū)工作面于2015年12月已經(jīng)回采結(jié)束，到2017年1月18日，地表下沉進(jìn)入穩(wěn)定階段，由此可得到最終的地表移動(dòng)規(guī)律。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)計(jì)算出地表下沉值與水平移動(dòng)值，其中第10次測量得到的地表下沉值與水平移動(dòng)值，見表3。

m次觀測時(shí)n點(diǎn)的下沉：

Wn=Hn0-Hnm

(1)

式中：Wn—n點(diǎn)的下沉值，mm；Hn0、Hnm—分別為首次和m次觀測時(shí)點(diǎn)的高程，mm。

n號點(diǎn)的水平移動(dòng)：

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

(2)

式中：Un—n號點(diǎn)的水平移動(dòng)，mm；(Xnm，Ynm)—m次觀測時(shí)n點(diǎn)的坐標(biāo)；(Xn1，Yn1)—第一次全面觀測時(shí)n點(diǎn)的坐標(biāo)；α—水平移動(dòng)方向的方位角。

表3 觀測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)

曲線對比：將第10次所測數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL，得到兩者的地表下沉曲線和水平移動(dòng)曲線，與模擬所得數(shù)據(jù)作對比，如圖4，圖5所示。

圖4 地表下沉曲線

圖5 地表水平移動(dòng)曲線

3.3 模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)對比

在采寬為100 m，留寬為80 m時(shí)，數(shù)值模擬地表最大下沉值為323 mm，最大水平移動(dòng)值為89 mm，而實(shí)際觀測最大下沉值為386 mm，最大水平移動(dòng)值120 mm，數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)際數(shù)據(jù)要小，誤差主要由建模過程中對巖層參數(shù)簡化造成的。數(shù)值模擬在對地質(zhì)條件作了部分簡化，去除了部分較薄的軟弱巖層，使得上覆巖層中的堅(jiān)硬巖層所占比例增加，有利于控制地表的下沉與移動(dòng)，形成數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)際數(shù)據(jù)要小的這種情況，但差距不大。

條帶開采工作面觀測站走向線下沉水平移動(dòng)和水平變形曲線的發(fā)育規(guī)律符合開采沉陷的一般規(guī)律。根據(jù)地表移動(dòng)規(guī)律分析，截止工作面結(jié)束工作面開采未達(dá)到充分采動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)觀測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)相對比，采用FLAC3D預(yù)計(jì)地表下沉和水平移動(dòng)值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相差不大，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)開采引起的地表下沉與變形，證明數(shù)值模擬是一種可靠的研究手段。

(2)通過對觀測數(shù)據(jù)的分析，得出地表下沉和移動(dòng)的一般規(guī)律，地表下沉曲線以最大下沉點(diǎn)對稱，地表變形曲線各點(diǎn)的移動(dòng)指向最大下沉點(diǎn)。