張宏梅

多煤層條帶開采煤柱應(yīng)力分析

張宏梅

(徐州市吉達(dá)地理空間信息技術(shù)開發(fā)中心，江蘇 徐州 221000)

條帶開采是控制地表沉陷及采動(dòng)損害的有效方法之一，但是目前對(duì)多煤層條帶開采時(shí)上下留煤柱的協(xié)同作用研究還不足。本文采用FLAC數(shù)值模擬軟件，系統(tǒng)研究了多煤層條帶開采中不同采深、不同采寬、不同層間距和上下煤柱的空間位置關(guān)系時(shí)留設(shè)煤柱的受力情況，并與在單一煤層條帶開采設(shè)計(jì)中使用的經(jīng)典的威爾遜理論計(jì)算得到的煤柱實(shí)際應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，分析指出了其差異的原因，為以后多煤層條帶開采的設(shè)計(jì)提供了可借鑒的理論和方法。

多煤層條帶開采;FLAC;數(shù)值模擬;煤柱應(yīng)力

煤炭在我國一次能源消耗中占70%左右，隨著大量的煤炭資源從地下采出，開采所引起的地表沉陷及其環(huán)境災(zāi)害問題日益突出。在保證地面建(構(gòu))筑物安全的前提下，最大限度地開采煤炭資源是開采沉陷學(xué)科目前面臨的主要問題［1］。建筑物下采煤的關(guān)鍵問題之一是控制巖層及地表沉陷，巖層與地表沉陷控制也是礦山開采沉陷學(xué)的主要研究方向之一［2］。目前，控制巖層及地表移動(dòng)的方法主要有充填開采、部分開采、覆巖離層注漿等。盡管條帶開采的資源回收率低，但由于它能有效地控制上覆巖層和地表沉陷，保護(hù)地面建(構(gòu))筑物和生態(tài)環(huán)境，有利于安全生產(chǎn)，不需要增加或較少增加生產(chǎn)成本，生產(chǎn)管理簡(jiǎn)單，在我國煤礦區(qū)被廣泛采用［3］。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)條帶開采進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的理論和實(shí)際成果，但絕大部分是針對(duì)單一煤層條帶開采［4～9］。近年來，多煤層條帶開采的研究和應(yīng)用逐年增多。但從多煤層條帶開采設(shè)計(jì)和實(shí)踐來看，目前尚存在以下不完善：1)多煤層條帶開采地表沉陷的預(yù)計(jì)模型和預(yù)計(jì)理論尚未建立，傳統(tǒng)的預(yù)計(jì)方法的預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)際差別較大;2)多煤層條帶開采預(yù)計(jì)參數(shù)體系尚未建立，現(xiàn)有多煤層條帶開采地表移動(dòng)預(yù)測(cè)參數(shù)選取缺乏可靠的理論和方法。本文通過數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了多煤層條帶開采時(shí)，不同開采深度、不同層間距、不同采寬和上下煤柱空間位置關(guān)系時(shí)留設(shè)煤柱的受力情況，并與在單一煤層條帶開采設(shè)計(jì)中使用經(jīng)典的威爾遜理論計(jì)算得到的煤柱極限和實(shí)際應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比，分析和指出了其差異的原因，為以后多煤層條帶開采的設(shè)計(jì)提供了可借鑒的理論和方法。

1 多煤層條帶開采模擬方案

1.1 數(shù)值模擬模型以及邊界條件

采用FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，主要研究不同開采深度、不同開采寬度、不同層間距離、上下煤柱位置關(guān)系(上下煤柱完全對(duì)齊、一半對(duì)齊、完全錯(cuò)開)等對(duì)地表移動(dòng)變形及煤柱穩(wěn)定性的影響。根據(jù)以上模擬目的，構(gòu)建數(shù)值模擬模型。開采模型視為平面應(yīng)變模型，模擬上覆巖層各分層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)。模型采用位移邊界條件，兩側(cè)為限定水平方向的位移，模型底部為限定垂直和水平方向的位移。在分析計(jì)算過程中，不考慮構(gòu)造應(yīng)力對(duì)原巖應(yīng)力的影響，僅考慮巖體自重引起的應(yīng)力，即模型處于靜水應(yīng)力狀態(tài)。巖體內(nèi)部初始應(yīng)力狀態(tài)取決于上覆巖層的重量和性質(zhì)。

根據(jù)模擬的目的，所選的研究地質(zhì)采礦條件為：開采深度200～500 m，上下煤層開采厚度均為3 m厚，層間10～50 m，底板厚40 m(巖性及力學(xué)參數(shù)見表1)，近水平煤層，設(shè)計(jì)的條帶采出率為50%。為保證地表達(dá)到充分采動(dòng)，根據(jù)條帶采寬，設(shè)計(jì)的開采區(qū)長(zhǎng)度為400 m。為避免邊界效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)的模型計(jì)算剖面長(zhǎng)為1 200 m。水平方向每5 m一個(gè)格網(wǎng)，垂直方向按分析目的不同，單元的大小不同，每個(gè)模型共有15 120單元。根據(jù)上覆巖層材料的力學(xué)特征，采用莫爾－庫侖(Mohr－Coulomb)屈服準(zhǔn)則。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，選取的模擬參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值計(jì)算的巖石參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬方案

本次模擬是在上下煤層完全對(duì)齊和完全錯(cuò)開兩種情況下，固定50%的采出率，分別模擬采深、采寬、層間距變化時(shí)煤柱上的應(yīng)力變化情況。即以采深200 m，采厚3 m，層間距40 m，采寬20 m為基礎(chǔ)，每次模擬僅其中的一個(gè)參數(shù)變化，如采深從200～500 m;采寬從20～50 m;層間距從10～50 m。

2 多煤層條帶開采上下煤柱穩(wěn)定性分析

2.1 層間距對(duì)煤柱上應(yīng)力分布的影響

由條帶開采的理論可知，中間煤柱的受力最大，本次研究以中間的煤柱為例進(jìn)行分析，重點(diǎn)模擬了層間距對(duì)煤柱上的應(yīng)力分布的影響，考慮到要監(jiān)測(cè)煤柱的應(yīng)力和位移情況，將本次不同層間距的實(shí)驗(yàn)?zāi)M模型開采區(qū)的格網(wǎng)從5 m變?yōu)? m，其余條件不變。

數(shù)值模擬表明：在上下煤柱對(duì)齊和完全不對(duì)齊時(shí)，上煤層留煤柱垂直應(yīng)力在兩端應(yīng)力較大，向中間逐漸減小并趨于穩(wěn)定，左右煤柱的受力與中間煤柱對(duì)稱，各層間距下的應(yīng)力與各煤柱的中點(diǎn)基本對(duì)稱，當(dāng)層間距增加到40 m后，各煤柱上垂直應(yīng)力變化不明顯，與50 m層間距下的應(yīng)力圖基本重合;上下煤柱一半對(duì)齊時(shí)，在10 m層間距，左、中、右煤柱上，左端的應(yīng)力明顯大于右端，此外與上述變化規(guī)律相同。

與上煤層留煤柱受力相比，上下煤柱對(duì)齊和完全不對(duì)齊時(shí)，下煤層的受力大于上煤層的受力，隨著層間距的增加，煤柱的應(yīng)力變化更明顯;一半不對(duì)齊時(shí)，在10 m和20 m層間距，上煤柱的應(yīng)力大于下煤柱，下煤柱隨層間距的增加而減小。三種情況下煤層留煤柱則沒有出現(xiàn)應(yīng)力趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

上下煤柱對(duì)齊、一半不對(duì)齊和完全不對(duì)齊時(shí)煤柱上的峰值應(yīng)力與層間距的關(guān)系見圖1、圖2，上、下煤柱的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在上下煤柱一半對(duì)齊的情況，此時(shí)煤柱上的應(yīng)力不對(duì)稱，上煤柱左側(cè)應(yīng)力大，下煤柱右側(cè)應(yīng)力大;上、下煤柱在對(duì)齊時(shí)，隨層間距的增大應(yīng)力逐漸增大，而在一半對(duì)齊和完全對(duì)齊時(shí)，煤柱上的峰值應(yīng)力逐漸減小。

2.2 不同采留寬對(duì)煤柱應(yīng)力分布的影響

2.2.1 上煤層煤柱應(yīng)力分布

數(shù)值模擬結(jié)果表明，在對(duì)齊情況下，煤柱上的應(yīng)力隨著采留寬的增加而增大，但各煤柱上的最小應(yīng)力增加很小，約是峰值增加量的10%，且煤柱上的應(yīng)力沒有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì);在一半不對(duì)齊和完全不對(duì)齊，煤柱的兩端出現(xiàn)應(yīng)力增大，而中間部分逐漸減小。

2.2.2 下煤層煤柱應(yīng)力分布

與上煤柱的垂直應(yīng)力相比，上下煤柱在對(duì)齊時(shí)，煤柱上的應(yīng)力隨采留寬的增加而增大，在一半和完全不對(duì)齊時(shí)，煤柱左右兩端應(yīng)力較大的區(qū)域隨采留寬的增加而增大，中間應(yīng)力較小的區(qū)域逐漸減小。上下煤柱應(yīng)力與采寬的關(guān)系見圖3，圖4。從圖3，圖4可知，隨著采留寬的增大，上下煤柱在對(duì)齊、一半不對(duì)齊和完全不對(duì)齊時(shí)，煤柱應(yīng)力逐漸增大，且隨著采留寬的增大，煤柱應(yīng)力的增量增加。但在20 m、30 m采留寬時(shí)，煤柱上的應(yīng)力在三種對(duì)齊程度下的應(yīng)力很接近，說明在20 m和30 m采留寬度下，對(duì)齊程度對(duì)煤柱應(yīng)力的影響不大。

2.3 不同采深對(duì)煤柱上應(yīng)力分布的影響

從數(shù)值模擬的上煤層煤柱在三種對(duì)齊方式下的垂直應(yīng)力分布可知，對(duì)齊、一半不對(duì)齊和完全不對(duì)齊的情況下，煤柱上的受力隨著采深的增加而增大，尤其是煤柱上峰值的增加量也隨采深的增加而增大，在完全不對(duì)齊時(shí)，最小應(yīng)力從400 m到500 m采深時(shí)變化很小。

三種情況下上下煤柱應(yīng)力與開采深度的關(guān)系見圖5，圖6。從圖5，圖6可知，隨著采深的增大，在煤柱對(duì)齊、一半不對(duì)齊和完全不對(duì)齊時(shí)，上下煤柱的應(yīng)力隨著采深的增加而增大，但上煤柱在一半不對(duì)齊時(shí)出現(xiàn)最小的應(yīng)力，完全不對(duì)齊時(shí)出現(xiàn)了最大的應(yīng)力;對(duì)于下煤柱，在對(duì)齊時(shí)出現(xiàn)了最小應(yīng)力，一半不對(duì)齊時(shí)出現(xiàn)了最大應(yīng)力，且在200 m和300 m采深時(shí)，上下煤柱上的峰值應(yīng)力接近，之后上下煤柱的應(yīng)力隨著采深的增加，變化量增大，但變化的速率不同，上煤柱應(yīng)力隨對(duì)齊到完全不對(duì)齊，煤柱應(yīng)力增加速率增大，下煤層煤柱應(yīng)力在一半對(duì)齊、完全錯(cuò)開時(shí)，增加速率相當(dāng)，但大于完全對(duì)齊，說明當(dāng)層間距一定時(shí)，隨著開采深度的增加，上下煤柱對(duì)齊有利于煤柱的穩(wěn)定性。

3 三種不同情況下煤柱的強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)英國A.H.威爾遜的觀點(diǎn)，采出的條帶采空區(qū)被冒落巖石全部充填密實(shí)或采用充填法管理頂板時(shí)，則保留的條帶煤柱呈現(xiàn)三向受力狀態(tài)，保留條帶煤柱實(shí)際承受的荷載值：

矩形煤柱：

條帶形煤柱：

式中：

d—保留煤柱的長(zhǎng)度，m;

γ—上覆巖層的平均容重，N/m3;

a，b—保留煤柱和開采條帶的寬度，m;

H—開采深度，m;

PJ—矩形煤柱實(shí)際承受的載荷值，kN;

Pch—條帶形煤柱實(shí)際承受的載荷值，kN/m。

計(jì)算和模擬得到的上煤層煤柱應(yīng)力值見表2，50%采出率上煤層煤柱應(yīng)力與采留寬、采深關(guān)系示意圖見圖7，圖8。表2和圖7，圖8比較了應(yīng)用威爾遜理論計(jì)算的單獨(dú)開采上煤層時(shí)煤柱的實(shí)際承載力和FLAC數(shù)值模擬得到的煤柱實(shí)際承載力的關(guān)系(限于篇幅僅以上下煤柱對(duì)齊為例)。

表2 計(jì)算和模擬得到的上煤層煤柱的應(yīng)力值

表2中：

層間距—10～50 m，層間距的計(jì)算條件是：200 m采深、20 m采留寬、采厚3 m;

采留寬—20～50 m，采留寬的計(jì)算條件為：200 m采深、40 m層間距，采厚3 m;

采深—200～500 m，采深的kN計(jì)算條件為：采留寬1/10H、層間距40 m、采厚3 m。

PL1—只開采上煤層條帶后中間煤柱的平均垂直應(yīng)力;

PL2—上下煤層條帶開采后上煤層條帶后中間煤柱的平均垂直應(yīng)力;

P實(shí)—根據(jù)威爾遜公式計(jì)算的條帶實(shí)際承載力。

從表2和圖7，圖8可以得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)開采深度200 m，采留寬度均為20 m條件下，模擬計(jì)算的上煤柱應(yīng)力與威爾遜公式計(jì)算結(jié)果接近，隨著采留寬和開采深度的增加，威爾遜公式計(jì)算的上煤柱應(yīng)力比模擬計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力更大，主要原因是威爾遜公式計(jì)算時(shí)，未考慮覆巖形成的大拱效應(yīng)，覆巖應(yīng)力向兩則轉(zhuǎn)移，減小了中間煤柱的受力，因此威爾遜公式計(jì)算出的中間煤柱應(yīng)力偏大。

2)隨著開采寬度和開采深度的增加，只開采1層煤和2層煤都開采條件相比，開采2層煤層，上煤層煤柱應(yīng)力增加，其原因是在層間距一定的條件下，隨著開采寬度和開采深度的增加，上下煤柱間相互作用增大，從而增大了上煤柱的應(yīng)力，因此，多煤層條帶開采時(shí)，應(yīng)考慮下煤層開采對(duì)上煤層煤柱應(yīng)力的影響。

3)由威爾遜公式計(jì)算的煤柱的實(shí)際應(yīng)力與采寬呈近似線性的關(guān)系，而隨著采深的增加，煤柱上的應(yīng)力變化加快。

4 結(jié)論

1)上下煤柱在對(duì)齊和完全不對(duì)齊時(shí)，不同層間距、采留寬和采深的留煤柱上的垂直應(yīng)力都表現(xiàn)出了對(duì)稱性，兩端較大，中間受力小，且上煤柱受力有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，下煤柱未表現(xiàn)出對(duì)稱性;一半不對(duì)齊時(shí)，煤柱兩端的最大應(yīng)力不相同，但變化規(guī)律與上述相同。

2)除了在采深增加的情況下，煤柱應(yīng)力出現(xiàn)上煤柱在一半對(duì)齊時(shí)應(yīng)力最小，完全不對(duì)齊時(shí)應(yīng)力最大，其它所有情況都表現(xiàn)出上、下煤柱在完全對(duì)齊時(shí)應(yīng)力最小，而在一半不對(duì)齊時(shí)應(yīng)力最大，完全對(duì)齊時(shí)煤柱的受力大小處于以上兩者之間。

3)上煤柱應(yīng)力隨對(duì)齊到完全不對(duì)齊，煤柱應(yīng)力增加速率增大，下煤層煤柱應(yīng)力在一半對(duì)齊、完全錯(cuò)開時(shí)，增加速率相當(dāng)，但大于完全對(duì)齊，說明當(dāng)層間距一定時(shí)，隨著開采深度的增加，上下煤柱對(duì)齊有利于煤柱的穩(wěn)定性。

4)威爾遜公式計(jì)算出的煤柱實(shí)際應(yīng)力大于數(shù)值模擬的應(yīng)力值，主要原因是威爾遜公式計(jì)算時(shí)，未考慮覆巖形成的壓力拱效應(yīng)，覆巖應(yīng)力向兩則轉(zhuǎn)移，減小了中間煤柱的受力。

［1］ 何國清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994：1－26.

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［3］ 郭文兵，深部大采寬條帶開采地表移動(dòng)的預(yù)計(jì)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(4)：368－372.

［4］ 郭增長(zhǎng)，謝和平，王金莊，等.條帶開采保留煤柱寬度和采出寬度與地表變形的關(guān)系［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，18(2)：13－17.

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［7］ 郭文兵.條帶開采的非線性理論模型與應(yīng)用研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2004.

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Analysis of the Pillar’s Stress in Multi－ coal Seam Strip Mining

Zhang Hong－mei

Strip mining is one of the efficient measures to control surface subsidence and mining damage.However，the researches on the laws of the surface subsidence are still deficient in multi－ coal seam strip mining at present.Based on the Fast Lagrangian Analysis of Continua(short for FLAC)numerical simulation software，the pillars stress are systemic studied for the different depth，different mining widths，different distance between seams and the special relations of the upper pillar and the lower pillar in vertical direction in multi－ seam strip mining in this paper，which was contrasted with the actual pillar’s stress calculated by classical Willson’s theory used in strip mining design in single coal seam，at the same time indicate the reason of difference.The results can be used for reference theory and measure in the designing of multi－ coal seam strip mining.

Multi－coal seam strip mining;FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua);Numerical simulation;Pillar’s stress

TD823.6

A

1672－0652(2012)02－0014－04

2012－01－06

張宏梅(1982—)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，2006年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事測(cè)量與地表沉陷控制的研究(E －mail)330825609@qq.com