李 鋒 胡德省 沈永炬

(江蘇省第二地質(zhì)工程勘察院)

條帶開(kāi)采是在一個(gè)開(kāi)采區(qū)域內(nèi)將煤層分割成若干個(gè)條帶，采用開(kāi)采一條(采出條帶)、保留一條(保留煤柱)的方法，從而控制地表的移動(dòng)和變形[1-2]。在目前的實(shí)際工程應(yīng)用中，條帶開(kāi)采不同于其他開(kāi)采方法，其實(shí)施情況往往比較特殊[3-7]，大量的煤礦工程實(shí)踐和國(guó)內(nèi)外的條帶開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)表明，條帶開(kāi)采的安全范圍是采寬一般不超過(guò)采深的1/3～1/4[8-9]。但是關(guān)于條帶開(kāi)采的采寬、留寬與地表變形的關(guān)系的研究并不多見(jiàn)。本文通過(guò)有限差分法及模擬軟件FLAC3D在固定開(kāi)采率的前提下，分別對(duì)不同采寬、留寬條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，分析3種條件下的地表變形及位移情況，并對(duì)其關(guān)系進(jìn)行研究，初步揭示規(guī)律，以期為以后工程實(shí)踐提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地層條件特征

山東某礦區(qū)為典型的華北型煤田，所揭露的地層有第四系、第三系、二疊系、石炭系等。第四系最大揭露厚度為198.95 m，主要由亞砂土、亞黏土、砂組成，底部含礫石層。第三系為一套山麓洪積相沉積，厚0～21.24 m，主要為褐紅、棕黃及黃色黏土、亞黏土與砂互層,底部含礫石層,與下伏地層呈角度不整合接觸。井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組。山西組為K7～K8砂巖底，與下伏太原組呈整合接觸，平均厚57.36 m。其中,3#煤層穩(wěn)定可采，是本次研究的主要對(duì)象。3#煤層厚5.47～7.80 m，平均為6.22 m；距頂0.60 m左右，有一層較穩(wěn)定的泥巖、炭泥夾矸(厚0.24 m)，屬開(kāi)闊的覆水泥炭沼澤沉積。3#煤層頂至2#煤層底平均厚20.92 m，為淺灰中細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，產(chǎn)植物葉化石，其間的K砂巖交錯(cuò)層理、平行層理發(fā)育，屬分流河道沉積，其上以沼澤或分流間灣等沉積為主的三角洲前緣相。

2 模型建立

對(duì)選定礦區(qū)地質(zhì)剖面進(jìn)行概化，研究范圍覆蓋整個(gè)工作面。用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，取走向長(zhǎng)度600 m，巖(土)層高度193 m，其中，煤層底板巖層高14 m，煤層高6 m，頂板巖層高38 m，松散層高135 m。不考慮地下滲透、水流、熱交換等因素，巖體天然應(yīng)力場(chǎng)視為自重應(yīng)力場(chǎng), 巖、土體均看作連續(xù)介質(zhì), 上覆土體可看作均質(zhì)各向異性體，對(duì)邊界進(jìn)行約束。計(jì)算采用的巖石力學(xué)參數(shù)依據(jù)研究區(qū)煤柱區(qū)覆巖力學(xué)性質(zhì)指標(biāo), 見(jiàn)表1。

表1 煤柱區(qū)覆巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3 方案制定

根據(jù)我國(guó)多年的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)煤炭的采出率超出70%時(shí)，一般會(huì)引起較大的地表移動(dòng)與變形，甚至發(fā)生頂板大面積的一次冒頂[10-12]，根據(jù)地層地質(zhì)條件，合理控制采出率才能取得良好的效果。為使模擬準(zhǔn)確合理，將采出率定為50%，采寬選取30,40,60 m，通過(guò)不同的方案對(duì)比分析地表移動(dòng)變形隨條帶煤柱的不同留設(shè)而產(chǎn)生的變化和規(guī)律，具體方案見(jiàn)表2。

表2 50%采出率的3種方案

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 巖土體位移變化情況

當(dāng)煤層被開(kāi)采時(shí)，隨著煤系地層的缺失，煤層周圍的巖層會(huì)失去原有平衡，在應(yīng)力重分布的作用下不可避免地產(chǎn)生變形和移動(dòng)。當(dāng)開(kāi)采區(qū)域達(dá)到一定范圍, 在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下煤層頂板會(huì)發(fā)生變形甚至破壞，進(jìn)而從下向上發(fā)展到地表, 最終結(jié)果是造成地表發(fā)生移動(dòng)甚至沉陷。圖1、圖2分別為在相同采出率下不同開(kāi)采方案的垂向下沉等值線圖和水平位移等值線圖。

圖1 不同方案的垂向位移等值線(單位：m)

通過(guò)對(duì)圖1、圖2進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)隨著條帶采寬和留寬的增大,煤層頂板位移也隨之增大，說(shuō)明隨著開(kāi)采范圍的加深，煤層頂板在應(yīng)力和重力的作用下變形程度變大，其相應(yīng)的水平及垂直變形量也變大，并且變形的影響范圍隨著開(kāi)采條帶的個(gè)數(shù)的減少及預(yù)留煤柱寬度和采寬的增大，其影響范圍也隨之增大。

圖2 不同方案水平位移等值線(單位：m)

當(dāng)采寬和留寬均為30和40 m時(shí)，覆巖下沉變化平緩，由下向上逐漸形成單一的下沉盆地，說(shuō)明這2種方案的煤層開(kāi)采對(duì)煤層頂板的變形影響是持續(xù)且低緩的。當(dāng)采寬和留寬為60 m時(shí)，煤層正上方的覆巖呈較明顯的波浪式下沉，但是這種波浪式的下沉形式隨著深度的變小而逐漸消失，而波浪帶上方至地表的巖層下沉值較穩(wěn)定，呈單一平緩的下沉盆地，說(shuō)明方案3的煤層開(kāi)采對(duì)靠近開(kāi)采區(qū)的變形影響較大，但是隨著深度降低對(duì)地表變形的影響反而減弱。

而從水平變形來(lái)看，煤層頂板的水平變形值相對(duì)中心條帶的開(kāi)采區(qū)呈對(duì)稱分布，并且在第一個(gè)條帶的開(kāi)采區(qū)處就達(dá)到最大值，在中心條帶的采空區(qū)處約為零。巖層各處的水平變形均存在著隨著采寬的增大而增大的趨勢(shì)。

4.2 地表移動(dòng)變化情況

圖3、圖4分別為地表水平移動(dòng)和地表下沉曲線圖。可以看出，地表的各點(diǎn)下沉量和水平移動(dòng)量都隨著采寬和留寬的增大而增大。方案1和方案2地表最大下沉量分別為0.516 2和0.616 4 m，都在磚石結(jié)構(gòu)建筑物的破壞(保護(hù)) 等級(jí)規(guī)程規(guī)定的Ⅱ級(jí)保護(hù)范圍內(nèi),在條采設(shè)計(jì)合理的條件下, 可以達(dá)到有效控制地表移動(dòng)變形的目的。在采出率相同的條件下,一般認(rèn)為,采用小采寬更能控制地表變形。我國(guó)設(shè)計(jì)的條帶開(kāi)采寬度在10～160 m,寬深比多為0.043～0.347。但采寬較小不利于采煤生產(chǎn)效率的提高,因此，應(yīng)根據(jù)保護(hù)地表建筑物和客觀地質(zhì)開(kāi)采條件的要求合理地設(shè)計(jì)條帶的采寬和留寬。

圖3 地表水平移動(dòng)曲線

圖4 地表下沉曲線

4.3 綜合分析

根據(jù)模擬輸出的等值線圖，將地表變形的相關(guān)參數(shù)匯總得表3。可以得出，一定深度開(kāi)采時(shí)，在控制采出率相同的情況下，代表地表相應(yīng)位移情況的下沉量、水平移動(dòng)、水平變形、下沉系數(shù)、曲率、最大傾斜等參數(shù)隨著采寬的增大而增大；根據(jù)模擬結(jié)果，方案3的位移變化最大。

表3 采出率50%時(shí)地表移動(dòng)變形參數(shù)的最大值

5 工程實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)模擬結(jié)果，礦井在建筑物下的試采工作面設(shè)計(jì)采出率為50%，采寬和留寬均為30 m(方案1)。根據(jù)地表位移實(shí)際觀測(cè)站測(cè)的數(shù)據(jù)分析得到,在條帶開(kāi)采期間，地表的最大沉陷值為542 mm,比數(shù)值模擬預(yù)計(jì)的516.2 mm大35.8 mm。預(yù)計(jì)的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)基本吻合，偏大的主要原因?yàn)樵摰V區(qū)地層呈典型的華北型煤田特征，即巨厚松散層下伏薄層基巖，因此，在一定采寬下,其地表及覆巖的移動(dòng)變形表現(xiàn)為正?？迓浞ㄩ_(kāi)采(短壁)的特征，相對(duì)一般條帶法設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)地表沉陷量偏大。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，也證實(shí)了利用數(shù)值模擬方法預(yù)計(jì)地表沉陷變形的可行性及可靠性。

6 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬較直觀反映出開(kāi)采過(guò)程中煤層頂?shù)装迤茐淖冃吻闆r，經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，證明了數(shù)值模擬在開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)中普遍應(yīng)用的可行性。若將參數(shù)優(yōu)化，更客觀反映實(shí)際，將提高開(kāi)采變形預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確性。

(2)條帶開(kāi)采中，在采出率和采深相同的情況下，地表的下沉量、水平移動(dòng)、水平變形、曲率、下沉系數(shù)、傾斜等各項(xiàng)參數(shù)具有隨著采寬增大而增大的趨勢(shì)。

(3)對(duì)埋深193 m，采高6 m的研究礦區(qū)，在采出率為50%的情況下，采寬為30和40 m都是較合理的，采取合理工程措施，可以有效預(yù)防和控制地表變形。

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