余學(xué)義，毛旭魏，魯 楠，郭 強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)“三下”壓煤量達(dá)14Gt，其中建筑物下壓煤量達(dá)8.76Gt，占整個(gè)壓煤量的66%[1]。隨著煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展，淺部易采煤炭資源逐漸減少，開(kāi)采建筑物下壓煤已成為必然的趨勢(shì)[2-3]。有的地區(qū)村莊下壓煤量大、房屋密集、人口數(shù)量多且因?yàn)榄h(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素對(duì)村莊搬遷不易實(shí)施，在保證地表建筑物不被破壞的前提下使資源最大化的利用，合理運(yùn)用條帶開(kāi)采能較好地控制地表沉陷，保護(hù)地表建(構(gòu))筑物[4-5]。條帶開(kāi)采是“綠色環(huán)保開(kāi)采技術(shù)”體系中重要組成部分之一[6]。

本文以高家堡新建煤礦為背景，對(duì)朱家溝村莊下開(kāi)采方案進(jìn)行系統(tǒng)研究。如圖1所示，首先基于概率密度函數(shù)法給出采寬和留寬的范圍，應(yīng)用FLAC3D建立深部寬條帶開(kāi)采數(shù)值模型，模擬開(kāi)采覆巖與地表移動(dòng)變形規(guī)律，并對(duì)地表沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì)，最終給出大采深密集建筑物下安全開(kāi)采的方案[7-8]。

圖1 研究分析方法

1 采礦地質(zhì)條件

高家堡煤礦一盤區(qū)位于彬長(zhǎng)礦區(qū)西北部，處于侏羅紀(jì)黃隆煤田深部，東西長(zhǎng)約4.0km，南北寬約3.0km，面積約12km2。該區(qū)內(nèi)唯一賦存可采煤層為4號(hào)煤層，屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單煤層，煤層上限標(biāo)高為+162m，下限標(biāo)高為+75m，賦存深度在800～1000m之間，平均厚度為6m，平均傾角為6.5°，屬較穩(wěn)定的近水平厚煤層，總儲(chǔ)量為46.68Mt。地層鉆孔柱狀圖如圖2所示，煤層直接頂為中粒砂巖和泥巖，屬不穩(wěn)定頂板；基本頂為中粒砂巖，較穩(wěn)定；直接底為泥巖，屬不穩(wěn)定底板；基本底為細(xì)粒砂巖，屬較穩(wěn)定底板。地表為黃土塬川地貌、溝谷縱橫，全區(qū)被第四系黃土覆蓋，植被條件一般，北部邊緣為涇河河谷。

如圖3所示，朱家溝村莊位于一盤區(qū)的南翼靠

圖2 地層主要巖性柱狀

近盤區(qū)的邊界黃土塬區(qū)，其中一部分位于邊界外，地形由南向北呈階梯形臺(tái)地，村莊位于梁峁平坦塬區(qū)。地表標(biāo)高在1200m左右，地表具有黃土覆蓋層100～255m。經(jīng)過(guò)詳細(xì)地面村莊調(diào)查，建筑物基本情況如表1所示，村莊房屋總量龐大，全部為村民自行建造，房屋結(jié)構(gòu)分布不均，類型以磚瓦、磚木及土木結(jié)構(gòu)為主，無(wú)圈梁、未預(yù)留變形縫等抗變形結(jié)構(gòu)，遇下雨、地震等影響，地基容易產(chǎn)生不均勻下沉。

圖3 村莊建筑物邊界及壓煤邊界

編號(hào)房屋結(jié)構(gòu)數(shù)量/間保護(hù)級(jí)別1磚木結(jié)構(gòu)414Ⅲ2磚混結(jié)構(gòu)1285Ⅲ3土木結(jié)構(gòu)242Ⅲ4磚瓦結(jié)構(gòu)118Ⅲ5簡(jiǎn)構(gòu)109Ⅲ6倉(cāng)庫(kù)15Ⅲ7居住窯洞14Ⅲ8廢棄窯洞53Ⅲ合計(jì)2250Ⅲ

根據(jù)《“三下”開(kāi)采規(guī)范》規(guī)定[9]，綜合街道供水、供電等公共設(shè)施，確定朱家溝村莊主要建筑物保護(hù)級(jí)別為Ⅲ級(jí)保護(hù)對(duì)象，村莊維護(hù)帶取10m，村莊建筑物邊界及壓煤邊界如圖3所示。村莊下壓覆4號(hào)煤層沿走向約1200m，沿傾斜方向?qū)挾燃s800m，壓覆開(kāi)采煤層面積約為1709803m2。據(jù)初步估計(jì)，村莊下壓覆煤炭可采資源(除去壓覆其他盤區(qū)煤炭資源、斷層煤柱和大巷煤柱)約50.023Mt。

因此，針對(duì)朱家溝村莊下壓煤開(kāi)采進(jìn)行合理優(yōu)化，在有效提高煤炭資源采出率的同時(shí)，還可以減小地表沉陷對(duì)村莊及人民生活造成損害以及產(chǎn)生的相應(yīng)賠償費(fèi)用。

2 條帶開(kāi)采方案理論分析

2.1 概率密度函數(shù)法確定開(kāi)采參數(shù)

大采深條件下采用條帶開(kāi)采時(shí)，若條帶開(kāi)采寬度小于1/3開(kāi)采深度，屬于極不充分采動(dòng)類型。通過(guò)對(duì)大量的生產(chǎn)實(shí)踐實(shí)測(cè)資料分析研究，可知極不充分采動(dòng)類型中地表的移動(dòng)和變形很小，在多個(gè)極不充分開(kāi)采面之間留設(shè)合理寬度的煤柱，可將多個(gè)采空區(qū)分隔成獨(dú)立采空區(qū)，在地表形成統(tǒng)一的下沉盆地。與單采一個(gè)工作面相比，地表下沉增加量很小，作用于采空區(qū)中心的地表水平壓縮變形將得到緩解，故可直接用于建筑物下壓煤開(kāi)采[10]。

極不充分開(kāi)采地表下沉計(jì)算坐標(biāo)系如圖4所示[11]。

圖4 極不充分開(kāi)采地表下沉計(jì)算坐標(biāo)系

則地表的最大下沉值為：

Wmax=q極不充分·M

(1)

式中，Wmax為極不充分開(kāi)采地表最大下沉值，m；q極不充分為極不充分開(kāi)采地表下沉率；M為煤層開(kāi)采厚度，m。

在方案設(shè)計(jì)確定采寬尺寸時(shí)考慮允許的地表下沉率與覆巖的物理力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)體積不變?cè)?，可得?/p>

(2)

(3)

式中，L為條帶開(kāi)采的寬度，m；r為主要影響半徑，m；tanβ為主要影響角正切；H為上覆巖層厚度，m。

在覆巖中上部存在堅(jiān)硬巖層條件下，會(huì)出現(xiàn)較大的離層空間，考慮巖土層的碎脹性與離層空間[12-13]，式(3)可以修正為：

(4)

式中，k為巖土層的碎脹系數(shù)，一般取0.5。

多條帶開(kāi)采時(shí)采用定采留比，如果煤柱寬度與開(kāi)采寬度之和為0.7r時(shí)，一個(gè)條帶開(kāi)采后的最大壓縮變形與另外兩個(gè)條帶產(chǎn)生的最大拉伸變形疊加，使得地表變形變小[14]。根據(jù)概率密度函數(shù)法可計(jì)算出在開(kāi)采單一條帶工作面時(shí)，壓縮變形最大為：

(5)

距開(kāi)采邊界0.7r處，地表拉伸變形最大為：

(6)

多條帶開(kāi)采后的地表最大變形疊加后的值為公式(5)與公式(6)相加可得：

(7)

式中，ε為疊加后水平變形，mm/m。

對(duì)于多條帶開(kāi)采疊加原理預(yù)計(jì)地表變形，由(7)式計(jì)算后地表變形值趨近于零，使得地表下沉盆地均勻平緩，所以采、留寬之和最優(yōu)值為0.7r，最大不超過(guò)0.94r[14-15]，即：

(8)

式中，a為煤柱寬度，m。

在確定保留煤柱的寬度時(shí)，保留煤柱應(yīng)大于0.12H。威爾遜三向應(yīng)力法表明：屈服區(qū)寬度X0與開(kāi)采厚度M和開(kāi)采深度H有關(guān)，其表達(dá)式：

(9)

式中，B為核區(qū)寬度，m。

根據(jù)彬長(zhǎng)礦區(qū)大量開(kāi)采實(shí)踐證實(shí)在大采深條件下，極不充分采動(dòng)與充分采動(dòng)條件下的影響范圍相近，同時(shí)考慮到地表磚木、磚土瓦結(jié)構(gòu)房屋抗變形能力較差，確定主要影響角正切值tanβ=2.0。

根據(jù)《“三下”開(kāi)采規(guī)范》規(guī)定及前期地面入戶調(diào)查[9]，磚混、磚瓦木結(jié)構(gòu)房屋，在地表變形達(dá)到Ⅰ級(jí)損害時(shí)就會(huì)受到損壞，而土木結(jié)構(gòu)房屋抗變形能力更差，考慮煤層埋深為1000m，確定地表水平變形極限值按1.5mm/m計(jì)算；地表傾斜變形極限值按2.0mm/m計(jì)算；曲率影響非常小，不考慮曲率影響；允許地表下沉率為0.12。將以上參數(shù)代入公式(4)和公式(9)可算出：條帶工作面開(kāi)采寬度在120～130m之間；煤柱寬度在120～150m之間可保證地表不會(huì)出現(xiàn)波浪下沉。結(jié)合可開(kāi)采區(qū)域?qū)挾忍岢鲩_(kāi)采方案如表2所示。

表2 各個(gè)開(kāi)采方案及煤柱安全系數(shù)

2.2 煤柱穩(wěn)定性分析

工作面開(kāi)采前，煤層上的應(yīng)力為原巖應(yīng)力，分布基本上是均勻的；工作面開(kāi)采后，煤層的原始應(yīng)力遭到破壞，使得煤柱上方應(yīng)力重新分布，由均勻分布變?yōu)榉蔷鶆蚍植?，并集中作用在煤柱上，所以煤柱的?qiáng)度在安全開(kāi)采中起著重要的作用。國(guó)內(nèi)外有關(guān)煤柱強(qiáng)度計(jì)算理論可以分為：有效區(qū)域理論(Rowland，1969)、(Richards，1978)；壓力拱理論(Woodruff，1966)；威爾遜理論(A.H.Wilson，1972)；核區(qū)強(qiáng)度不等理論(Grobbelaar，1970)、(Mezel，1972)；大板裂隙理論(白矛，1982)；極限平衡理論(K.A.阿爾拉麥夫)。

威爾遜理論建立在煤柱的三向應(yīng)力特性基礎(chǔ)上進(jìn)行煤柱強(qiáng)度計(jì)算，以煤柱本身的極限強(qiáng)度作為煤柱屈服區(qū)與核區(qū)界面處的極限應(yīng)力具有客觀性，故條帶開(kāi)采方案選擇根據(jù)威爾遜理論對(duì)采寬、留寬及煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步分析篩選。一般情況，穩(wěn)定的煤柱有核區(qū)(彈性區(qū))和屈服區(qū)(塑性區(qū))，威爾遜理論推導(dǎo)滿足應(yīng)力微分平衡方程為基礎(chǔ)，具有理論嚴(yán)密性，在計(jì)算時(shí)，核區(qū)與屈服區(qū)計(jì)算方法也不同[16-17]。

長(zhǎng)煤柱極限承載能力：

Fc=40Hγ(a-4.92MH×10-3)

(10)

式中，γ為覆巖平均容重，kN/m3。

煤柱分擔(dān)荷載計(jì)算：

(11)

各個(gè)方案根據(jù)公式(10)和(11)計(jì)算出煤柱安全系數(shù)見(jiàn)表2。

條帶開(kāi)采中安全系數(shù)臨界值一般為1.5。經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐分析：攀煤集團(tuán)太平煤礦在90年代用條帶方法開(kāi)采職工宿舍下煤柱，開(kāi)采結(jié)束后的第二年地表建筑物開(kāi)始破壞，到6年以后整個(gè)建筑物報(bào)廢。主要原因有兩點(diǎn)：一是兩個(gè)近距離煤層開(kāi)采的擾動(dòng)；二是煤柱受采空區(qū)水的浸蝕、自然氧化，降低了煤柱的支撐能力。陜西澄合礦區(qū)過(guò)去條帶開(kāi)采村莊下煤柱，幾年后幾乎所有的房屋都受到了不同程度的損壞?？梢?jiàn)對(duì)煤柱的安全系數(shù)取值偏低，沒(méi)有保證煤柱的足夠穩(wěn)定性，使煤柱破壞不能起到有效的支撐作用，導(dǎo)致地表劇烈變形。所以，提高現(xiàn)用的煤柱安全系數(shù)是必要的，考慮到朱家溝村莊下開(kāi)采煤層屬于大采深厚煤層開(kāi)采，且地表巨厚松散層加載作用，故取煤柱安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.75。不同采、留寬條件下的煤柱穩(wěn)定性因素應(yīng)滿足：保留煤柱應(yīng)大于0.12H，煤柱長(zhǎng)寬比3，煤柱寬高比5。

在上述所有方案中煤柱長(zhǎng)寬比、煤柱寬高比均滿足要求。但方案1、方案2、方案6、方案7、方案11中的煤柱安全系數(shù)不能滿足要求。在有限的開(kāi)采區(qū)域內(nèi)可以保證房屋安全的前提下，方案3相比其他方案可以多布置一個(gè)工作面，所以面積采出率最高，煤炭資源采出效益最好。因此通過(guò)初步比選，對(duì)方案3、方案8、方案12進(jìn)行數(shù)值模擬比較。

3 條帶開(kāi)采方案數(shù)值模擬分析

3.1 模擬參數(shù)

利用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬，模型計(jì)算中針對(duì)巖土性質(zhì)，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用了摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，邊界采用位移邊界條件。模型坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，xoy平面取為水平面，z軸為鉛直方向，向上為正。以煤層走向?yàn)閤軸，傾向?yàn)閥軸，重力方向?yàn)閦軸。根據(jù)地層綜合柱狀圖進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化，從地表往下各層巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

方案3，8，12數(shù)值模擬出的地表移動(dòng)變形統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 采出率不同時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果

在采深與采高相同時(shí)，地表的主要移動(dòng)參數(shù)與條帶的采寬有關(guān)：留寬一定時(shí)，隨著采寬的增大，地表沉降量也隨之變大，下沉系數(shù)增高；采寬一定時(shí)，留寬越大，地表沉降量隨之減小，下沉系數(shù)降低。方案3所有指標(biāo)均符合設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，方案8和方案12地表傾斜最大值已經(jīng)接近所設(shè)標(biāo)準(zhǔn)?？紤]地表濕陷性黃土層產(chǎn)生隨機(jī)裂縫的可能和資源有效利用率，對(duì)地表建筑物產(chǎn)生的威脅性比較大，在有更安全的方案的前提下不建議采用方案8和方案12。

數(shù)值模擬方案3的下沉圖和塑性區(qū)圖如圖5、圖6所示，在模擬中對(duì)上覆巖層進(jìn)行了分層監(jiān)測(cè)，得到方案3不同層位上下沉曲線，如圖7所示。

圖5 3個(gè)工作面模擬回采結(jié)束后下沉

圖6 3個(gè)工作面模擬回采結(jié)束后塑性區(qū)

圖7 方案3不同剖面線上下沉曲線

(1)模擬開(kāi)采后地表最大下沉約為510mm，塑性區(qū)發(fā)育高度約為110m，煤柱核區(qū)寬度約為76m，核區(qū)率滿足煤柱穩(wěn)定性的要求。

(2)上覆巖層由下向上依次冒落，巖層移動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，移動(dòng)值逐漸減小，由于各巖層的特性不同，所以上下位巖層出現(xiàn)非均勻下沉和離層。

(3)開(kāi)采結(jié)束后由于留設(shè)煤柱的支撐作用，在一定距離內(nèi)上覆巖層成波浪形下沉：導(dǎo)水裂縫帶中上部即距煤層的距離為80m處覆巖下沉呈現(xiàn)波浪起伏狀；彎曲下沉帶下部即距煤層150m處，巖層下沉呈現(xiàn)的波浪幅度減弱；當(dāng)距煤層300m(即約1/3采深處)時(shí)，處于洛河組巨厚砂巖位置，波浪起伏消失，下沉形態(tài)呈現(xiàn)基本平緩。

(4)地表下沉曲線、距煤層800m下沉曲線和距煤層700m下沉曲線3條曲線下沉形態(tài)和移動(dòng)范圍基本一致，是因?yàn)榈乇泶嬖?00m左右的黃土層，在下位巖層下沉后上位的黃土層隨即下沉，但存在碎脹性和壓力的不同，才會(huì)產(chǎn)生不同的下沉值，但其不同層位產(chǎn)生的下沉形態(tài)相似。

4 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)分析

應(yīng)用普適模型開(kāi)發(fā)研制的地表沉陷預(yù)計(jì)軟件(YLH-12)能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)地表沉陷過(guò)程，并將計(jì)算數(shù)據(jù)通過(guò)圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿璧氐乇硪苿?dòng)變形等值線分析圖，分析開(kāi)采地表沉陷對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響。

4.1 地表移動(dòng)靜態(tài)分析

預(yù)計(jì)參數(shù)是進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)的關(guān)鍵，彬長(zhǎng)礦區(qū)亭南煤礦在一盤區(qū)開(kāi)采期間對(duì)101，103，109，111，113條帶工作面開(kāi)采進(jìn)行了地表移動(dòng)觀測(cè)，得到了條帶開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)；在二盤區(qū)204，205，206工作面開(kāi)采期間也進(jìn)行了地表移動(dòng)觀測(cè)，得到了全采條件下的地表移動(dòng)參數(shù)。結(jié)合彬長(zhǎng)礦區(qū)其他礦井地表移動(dòng)觀測(cè)成果和高家堡煤礦地質(zhì)采礦和地形條件，應(yīng)用類比法確定地表移動(dòng)變形的概率積分預(yù)計(jì)參數(shù)預(yù)計(jì)為：

下沉系數(shù)：q全=0.38；

水平移動(dòng)系數(shù)：b全=0.30；

主要影響范圍角正切：tanβ全=2.0；

拐點(diǎn)偏移距：d=0.05H。

根據(jù)分段計(jì)算地表移動(dòng)變形等值線圖分析，分段開(kāi)采后地表下沉等值線圖如圖8所示。

圖8 全盆地地表下沉等值線

4.2 地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)分析

地表移動(dòng)活躍期的長(zhǎng)短主要取決于開(kāi)采深度、開(kāi)采高度、覆巖巖性、充分開(kāi)采程度等因素。如表5所示，彬長(zhǎng)礦區(qū)充分采動(dòng)條件下地表活躍期一般在200d左右，非充分采動(dòng)條件下地表活躍期相對(duì)較短。

由于朱家溝村莊下條帶開(kāi)采深度大，開(kāi)采高度小，在單一工作面開(kāi)采條件下地表可能不會(huì)出現(xiàn)活躍期；在非充分采動(dòng)條件下地表活躍期應(yīng)不大于2個(gè)月；在多個(gè)工作面開(kāi)采條件下地表沉陷活躍期在34個(gè)月范圍。按預(yù)計(jì)地表沉陷最大值513mm，日推進(jìn)速度6m/d，下沉速度系數(shù)1.7計(jì)算，最大下沉速度在5mm/d左右，表明地表沉陷活躍期地表下沉緩慢，對(duì)地表建筑物起到了很好的保護(hù)作用。

表5 彬長(zhǎng)礦區(qū)地表移動(dòng)活躍期

采用地表沉陷預(yù)計(jì)軟件(YLH-12)考慮了采深、巖性對(duì)下沉影響時(shí)間系數(shù)，其地表沉陷總時(shí)間達(dá)5a以上，而一般在開(kāi)采2a即可完成80%以上的地表下沉量，之后的地表沉陷屬于殘余沉陷。這種情況表明：一是在大采深條件下地表沉陷時(shí)間較長(zhǎng)，沉陷速度一般緩慢，對(duì)地表建筑物影響很小；二是預(yù)計(jì)的地表最大下沉值要比地表實(shí)際觀測(cè)小，地表建筑物將更為安全；三是采用這種評(píng)價(jià)方法也是考慮地層斷裂構(gòu)造、松散層加載及關(guān)鍵層斷裂等因素對(duì)地表沉陷的影響，同時(shí)考慮了地表建筑群密集且抗變型能力較差等因素。

5 結(jié) 論

(1)以高家堡煤礦朱家溝村莊下開(kāi)采為背景，采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬確定采用采120m留130m的開(kāi)采方案，條帶開(kāi)采回采率達(dá)到55.2%，可以保證大采深條件下工作面煤柱安全穩(wěn)定。

(2)經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和概率積分預(yù)計(jì)，條帶工作面開(kāi)采后，預(yù)計(jì)地表下沉盆地平緩，不會(huì)出現(xiàn)波浪起伏變形情況，沉降預(yù)計(jì)結(jié)果為：地表最大下沉量在600mm以內(nèi)，最大水平移動(dòng)在150mm以內(nèi)，最大水平變形小于1.5mm/m，主傾斜變形小于1.2mm/m，保證條帶開(kāi)采引起的地表建筑物損害在Ⅰ級(jí)范圍內(nèi)。

(3)密集村莊下條帶開(kāi)采的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法是基于地表沉陷的長(zhǎng)期性、特殊性、受多因素影響的隨機(jī)性及建筑物長(zhǎng)期安全穩(wěn)定性要求進(jìn)行分析，在理論分析的基礎(chǔ)上加有工程類比，這種系統(tǒng)分析方法對(duì)新建礦井初期開(kāi)采確定方案具有指導(dǎo)意義。

(4)由煤柱引起的下沉曲線呈波浪狀對(duì)稱，且隨距煤層距離增大，波浪幅度逐漸減小，當(dāng)距煤層的距離為300m時(shí)，即約1/3采深處，覆巖下沉波浪狀基本消失，呈現(xiàn)平緩下沉，即在彬長(zhǎng)礦區(qū)條件下開(kāi)采洛河組砂巖對(duì)地表移動(dòng)起到關(guān)鍵控制作用。