梁寶寺礦區(qū)條帶開(kāi)采地表變形的數(shù)值模擬

1、梁寶寺礦區(qū)條帶開(kāi)采地表變形的數(shù)值模擬    摘要：考慮到生產(chǎn)能力的續(xù)接，梁寶寺煤礦需立即開(kāi)采3400 采區(qū)。但3400 采區(qū)建筑物下壓煤情況嚴(yán)重，村莊搬遷面臨財(cái)力與搬遷新址征地困難的雙重阻力，擬采用條帶開(kāi)采方法開(kāi)采建筑物下壓煤。根據(jù)3100，3200 采區(qū)的采煤實(shí)踐，建議3400 采區(qū)采用采寬100m，留寬120m的開(kāi)采方案。用FLAC 2D 軟件對(duì)3400 采區(qū)條帶開(kāi)采的地表移動(dòng)和變形進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)開(kāi)采5 個(gè)條帶的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，并與概率積分法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可知：采用的開(kāi)采方案能夠有效的控制地表變形，滿足工程要求；FLAC 2D 的模擬結(jié)果是

2、可靠的。關(guān)鍵詞：條帶開(kāi)采；FLAC 2D；數(shù)值模擬；建筑物下采煤0 引言梁寶寺能源有限公司核定生產(chǎn)能力為240 萬(wàn)t/a。按照礦井的初步設(shè)計(jì)，礦井先期開(kāi)采3100 和3200 采區(qū)，后續(xù)開(kāi)采3300 和3400 采區(qū)。由于3100、3200 采區(qū)村莊壓煤嚴(yán)重，梁寶寺能源公司自2005 年投產(chǎn)以來(lái)，3100、3200 采區(qū)一直采用條帶垮落法開(kāi)采。據(jù)3400 采區(qū)地質(zhì)報(bào)告，采區(qū)范圍內(nèi)保有資源儲(chǔ)量2401 萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量1599 萬(wàn)t，在總資源儲(chǔ)量中，村莊及村莊保護(hù)煤柱壓煤量為2185 萬(wàn)t，占91。由于在實(shí)施3100、3200 采區(qū)開(kāi)采影響范圍內(nèi)的11 個(gè)村莊搬遷過(guò)程中遇到了很大的阻力，其搬遷進(jìn)度

3、得不到保證，至今尚未解決新村址的征地任務(wù)。根據(jù)目前的搬遷工作進(jìn)度估計(jì)，2009 年上半年很難完成3100、3200 采區(qū)村莊的搬遷工作，但3400 采區(qū)2009 年上半年必須有采煤工作面的接續(xù)才能保證礦井的生產(chǎn)能力。3400 采區(qū)影響范圍內(nèi)地面有黃河李等共11 個(gè)村莊和梁寶寺造紙廠等5 個(gè)企事業(yè)單位，主要分布在含煤區(qū)。為保證礦井的正常生產(chǎn)和接續(xù)，根據(jù)3400 采區(qū)的地質(zhì)采礦條件，參考3100 和3200 采區(qū)條帶開(kāi)采的巖移觀測(cè)成果，依據(jù)建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程的有關(guān)規(guī)定須對(duì)3400 采區(qū)的開(kāi)采方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證安全開(kāi)采。1 開(kāi)采方案設(shè)計(jì)梁寶寺公司自2005 年投產(chǎn)以來(lái)

4、，3100、3200 采區(qū)一直采用條帶垮落法開(kāi)采，采寬80m，留寬110120m，其中3100 采區(qū)已開(kāi)采完設(shè)計(jì)的9 個(gè)條帶，3200 采區(qū)已開(kāi)采完成9 個(gè)設(shè)計(jì)條帶中的7 個(gè)。目前，礦井開(kāi)采對(duì)村莊影響程度較輕，礦井生產(chǎn)正常。各工作面條帶開(kāi)采后實(shí)測(cè)的地面最大下沉值為717mm，造成地面村莊民房級(jí)以下破壞。3100、3200 采區(qū)采用采寬80100m，留寬110120m 的條帶開(kāi)采方案較好地解決了村莊壓煤開(kāi)采問(wèn)題。根據(jù)對(duì)梁寶寺能源有限公司的壓煤條件分析，3400 采區(qū)如果采用全部垮落法開(kāi)采，村莊民房將處于級(jí)及以上損壞狀態(tài)，開(kāi)采影響范圍將殃及3400 采區(qū)開(kāi)采影響范圍內(nèi)的11個(gè)村莊和5 個(gè)企事業(yè)單位

5、。根據(jù)3100、3200 采區(qū)村莊下采煤的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮到梁寶寺能源有限公司的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)及區(qū)域地質(zhì)采礦條件，先期擬選擇條帶垮落法開(kāi)采。3400 采區(qū)的平均采深明顯大于3100、3200 采區(qū)，故采取條帶開(kāi)采方案開(kāi)采3400 采區(qū)村莊下壓煤是可行的。參考3100、3200 采區(qū)村莊下采煤的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮采深、采厚等因素并顧及未來(lái)回收保留條帶煤柱的方便，擬采用留寬120m，采寬100m 的大條帶法開(kāi)采。2 條帶開(kāi)采采留尺寸的計(jì)算方法采用條帶垮落法開(kāi)采并獲得預(yù)期的效果，必須遵循兩個(gè)基本原則。一是采后條帶煤柱應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以有效地支撐上覆巖層作用在煤柱上的載荷，以達(dá)到減少地表移動(dòng)和變形的目

6、的；二是條帶煤柱的采出寬度b，其尺寸應(yīng)限制在不使地表出現(xiàn)明顯的波浪狀起伏，而出現(xiàn)單一平緩的下沉盆地。采用方案的技術(shù)關(guān)鍵是合理地確定采寬和留寬尺寸，并在此前提下盡量提高采出率。2.1 采寬 b 的確定根據(jù)目前的理論及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐1,2，采寬b 的選擇小于采深H 的1/3 時(shí)，地表不出現(xiàn)波浪狀下沉盆地，一般取b=(0.10.25)H。同時(shí)，具體確定采寬留寬尺寸時(shí)，有時(shí)還要考慮頂板來(lái)壓情況。梁寶寺能源公司3400 采區(qū)設(shè)計(jì)開(kāi)采區(qū)域采深689939m，平均采深814m，根據(jù)上式計(jì)算的采寬b 的合理尺寸為70235m。2.2 留寬 a 的確定為了保證保留煤柱有長(zhǎng)期支撐上覆巖層載荷的強(qiáng)度，避免因煤柱留設(shè)的不夠

7、而造成上覆巖層大面積來(lái)壓壓垮保留煤柱的情況發(fā)生，a 的確定要滿足：a 5ma 0.01mH +8.4,m式中，m采厚，m。同時(shí)要考慮合理的采出率 ， 要滿足下式要求：b 70%a b = +由于3400 采區(qū)3（3 上）煤層工作面開(kāi)采尺寸較大，直接頂為3.39m 的粉砂巖、泥巖、中砂巖頂板，老頂為13.88m 裂隙發(fā)育的中細(xì)砂巖，頂板容易垮落充填采空區(qū)，可按三向受力狀態(tài)計(jì)算保留煤柱a（長(zhǎng)煤柱）的寬度，即26.56 10 3 ,3 3.6a mH b b mH= × ? + ?必須保證選取的a 值要有一定的安全系數(shù)K，使得K>1.4。根據(jù)條帶采留尺寸的計(jì)算方法，3400 采區(qū)采深

8、按689939m 計(jì)算，根據(jù)地表只出現(xiàn)單一平緩下沉盆地的要求以及壓煤區(qū)域等綜合因素分析確定，a=120m，b=100m，此時(shí)，平均D / H = 0.123，條帶采留寬度及煤柱安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)煤柱符合要求。3 概率積分法進(jìn)行地表移動(dòng)預(yù)計(jì)的計(jì)算方法很多，按照“三下采煤”規(guī)程的規(guī)定，采用概率積分法3-5進(jìn)行預(yù)計(jì)。3.1 計(jì)算參數(shù)的選取通過(guò)對(duì)梁寶寺能源有限公司綜合地層條件分析，根據(jù)本礦以往條帶開(kāi)采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考周邊礦井的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到3400 采區(qū)村莊壓煤區(qū)域開(kāi)采條件的特殊性和煤層變化的特點(diǎn)，比照3100、3200 采區(qū)村下采煤的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，巖層移動(dòng)參數(shù)的選取留有一定的安全系

9、數(shù)，經(jīng)綜合分析，在采寬100m，留寬120m 的條件下，確定的巖層移動(dòng)計(jì)算參數(shù)如表2。3.2 計(jì)算結(jié)果分析通過(guò)編程計(jì)算，得到3400 采區(qū)最大下沉為951mm，最大水平移動(dòng)為285mm。由計(jì)算圖表可以看出，梁寶寺能源公司3400 采區(qū)采用條帶垮落法開(kāi)采后，比照“三下采煤”規(guī)程種房屋損壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，影響范圍內(nèi)173.93 萬(wàn)m2 的村莊區(qū)域最大水平變形值小于0.8mm/m，處于級(jí)損壞范圍；20.96 萬(wàn)m2 的村莊區(qū)域最大水平變形值大于0.8mm/m，處于級(jí)損壞范圍；無(wú)級(jí)損壞區(qū)域。4 數(shù)值模擬針對(duì)梁寶寺煤礦開(kāi)采的具體條件，采用美國(guó)Itasca Consulting Group Inc 開(kāi)發(fā)的數(shù)

10、值模擬軟件FLAC，根據(jù)地層力學(xué)參數(shù)與井下煤層開(kāi)挖尺寸，模擬條帶開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律，預(yù)計(jì)地表變形值。4.1 模擬模型（1）物理模型依據(jù)梁寶寺煤礦工程地質(zhì)巖組柱狀圖，模擬開(kāi)采5 個(gè)條帶引起的地表移動(dòng)。煤層平均采深814m，表土層厚397.7m，煤厚7.00m，將模擬的長(zhǎng)度和模型高度增加，以便消除邊界對(duì)模型的影響程度。（2）邊界條件模型的左右邊界上，x 方向的位移較y 方向的位移為小，因此將水平方向的位移置為零，即給水平方向的約束；下部邊界上，x、y 兩個(gè)方向上的位移都很微小，均可作為零位移邊界；上部邊界上，水平和垂直兩個(gè)方向的位移都比較大，不予約束。即模型兩側(cè)表示x 約束邊界，即只有y 方向的位移

11、；模型下部邊界表示全約束邊界，即沒(méi)有自由度；上邊界為自由邊界。邊界條件如圖1。（3）單元?jiǎng)澐植捎盟倪呅纹矫鎲卧?，單元長(zhǎng)10m，高210m，模型共劃分成14220 個(gè)四邊形平面單元。（4）巖石力學(xué)參數(shù)的選取巖石是一種脆性材料，當(dāng)荷載達(dá)到屈服強(qiáng)度后將發(fā)生破壞、弱化，應(yīng)屬于彈塑性體，在此選擇莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，計(jì)算中采用的巖石力學(xué)參數(shù)與工程地質(zhì)力學(xué)模型模擬試驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)相同。模型中采用的巖層力學(xué)參數(shù)包括彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度和密度，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表3。4.2 條帶開(kāi)采數(shù)值模擬煤炭開(kāi)采后，覆巖原始應(yīng)力受到破壞并重新達(dá)到平衡。通過(guò) FLAC6-9，可以得到開(kāi)采五個(gè)條帶的水平與豎直方向的位移等值線圖、水平與垂直方向的應(yīng)力分布圖等。如圖2、圖經(jīng)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)FLAC 模擬得到的3400 采區(qū)地表最大下沉值為986mm，最大水平位移為315mm。5 分析將 FLAC 模擬結(jié)果與概率積分法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，即表4。數(shù)值模擬的結(jié)果不僅與概率積分法所得的結(jié)果互為驗(yàn)證，通過(guò)模擬，可以得到以下結(jié)論：（1）數(shù)值模擬圖可直觀地給出開(kāi)采后覆巖應(yīng)力場(chǎng)和位移等值線的分布，模擬結(jié)果將給出的條帶