【摘 要】鶴壁礦區(qū)經(jīng)過長期開采，鶴煤集團可開發(fā)利用資源正急劇減少且“三下”壓煤量較大。據(jù)統(tǒng)計，目前鶴煤（集團）公司各生產(chǎn)礦井建筑物和鐵路下壓煤約占生產(chǎn)礦井剩余可采儲量的52%，給礦井正常生產(chǎn)帶來很大的壓力。鶴煤集團急需合理開采“三下”壓煤的具體方案來指導(dǎo)礦區(qū)的以后生產(chǎn)，采用“先治理，后開采”的原則，保護好礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境和保證社會的穩(wěn)定，盡量減少國家財產(chǎn)和人民財產(chǎn)的損失，因此需要對煤層開采上覆巖層運移及地表沉陷規(guī)律展開研究。本文利用數(shù)值模擬，對不同開采深度及不同開采方案研究分析鶴壁礦區(qū)的地表沉陷規(guī)律，為以后生產(chǎn)提供有效的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬 沉陷 埋深 條帶開采 開采方案

煤礦地下開采導(dǎo)致的地表移動變形量的大小受許多地質(zhì)采礦因素的控制，比如采深、采厚、采煤方法、覆巖的力學(xué)性質(zhì)、松散層厚度、煤層傾角、采空區(qū)尺寸、和采空區(qū)管理方法等等。

下面通過對鶴壁礦區(qū)不同開采深度和不同開采方法建立數(shù)值模型，并對其引起的地表地表移動變形進行分析研究，獲得鶴壁礦區(qū)在不同開采深度條件及不同開采方案條件下的地表移動變形規(guī)律。

一、模型的建立

鶴壁礦區(qū)深部開采數(shù)值模擬參考鶴煤三礦地層建模，巖層物理力學(xué)參數(shù)參考室內(nèi)試驗結(jié)果選取，詳見表1所示。

數(shù)值模擬中模擬煤層厚度6.75m，埋深500m，模擬工作面沿煤層走向推進，上覆巖層厚375m，第三四系表土厚125米，煤層底板以下巖層厚100m，模型按鶴煤三礦地質(zhì)柱狀建立，共分31層，布設(shè)巖層移動觀測線26條，每條觀測線設(shè)91個測點，水平間距20m等距分布，26條觀測線共計2366個測點，見圖1所示。

二、采深對地表沉陷的影響

分別模擬煤層300m、400m、500m和600m埋深條件下開采后地表移動變形情況。

考慮到模型運算時間與其尺寸大小成正比，為節(jié)省運算時間，不同埋深條件下模型尺寸有所差異：300m埋深條件下模型尺寸為1100m×400m，采空區(qū)長500m，模型兩邊未采長度各300米；400m埋深條件下模型尺寸為1400m×500m，采空區(qū)長600m，模型兩邊未采長度各400米；500m埋深條件下模型尺寸為1800m×600m，采空區(qū)長800m，模型兩邊未采長度各500米；600m埋深條件下模型尺寸為：2000m×700m，采空區(qū)長800m，模型兩邊未采長度各600米，以上模型尺寸可保證各埋深條件下開采地表可達到充分采動狀態(tài)。

（一）煤層300m埋深條件下開采500m后地表最大下沉值5.433m，最大水平移動值1.337m，以地表沉降10mm為沉陷邊界，沉陷范圍為-510m～+510m。煤層采厚6.75m，則在此采礦地質(zhì)條件地表下沉系數(shù)約為0.80，水平移動系數(shù)約為0.25。

（二）煤層400m埋深條件下開采600m后地表最大下沉值4.978m，最大水平移動值1.202m，以地表沉降10mm為沉陷邊界，沉陷范圍為-660m～+660m。煤層采厚6.75m，則在此采礦地質(zhì)條件地表下沉系數(shù)約為0.74，水平移動系數(shù)約為0.24。

（三）煤層500m埋深條件下開采800m后地表最大下沉值4.995m，最大水平移動值1.183m，模型左右兩側(cè)邊界處下沉值約為23mm，即模型地表均在沉陷盆地范圍內(nèi)。煤層采厚6.75m，則在此采礦地質(zhì)條件地表下沉系數(shù)約為0.74，水平移動系數(shù)約為0.24。

（四）煤層600m埋深條件下開采800m后地表最大下沉值4.540m，最大水平移動值0.940m，模型左右兩側(cè)邊界處下沉值約為20mm，即模型地表均在沉陷盆地范圍內(nèi)。煤層采厚6.75m，則在此采礦地質(zhì)條件地表下沉系數(shù)約為0.67，水平移動系數(shù)約為0.21。

圖2和圖3分別為鶴壁礦區(qū)煤層在不同埋深條件下開采且達到充分采動條件下的地表下沉曲線和水平移動曲線；表2則為以上模擬結(jié)果匯總。

三、開采方法對地表沉陷的影響

通過分層開采、條帶開采和限厚開采的模擬，獲得鶴壁礦區(qū)深部厚煤層在不同開采方法條件下的地表沉陷規(guī)律。

為形成良好的對比基礎(chǔ)，本次不同開采方法的模擬部分條件相同，即煤層埋深均為500m，煤層厚度6.75m；條帶開采采留比為60：40，即采60m留40m；限厚開采采厚4.05m，即條帶開采和限厚開采煤炭采出率均為60%；分層開采則將6.75m煤層分兩層開采，先采頂分層3.35m，后采底分層3.4m。

（一）由結(jié)算結(jié)果得知，分層開采結(jié)束后地表最大下沉5.301m，最大水平移動1.264m，則分層開采的地表下沉系數(shù)約為0.79，水平移動系數(shù)約為0.24，模型左右兩側(cè)邊界處下沉值約為24mm。與綜采放頂煤一次采全高6.75m的地表下沉系數(shù)0.74相比，地表下沉系數(shù)有所增大，這可能是底分層開采形成重復(fù)采動造成采空區(qū)活化的結(jié)果。

（二）由結(jié)算結(jié)果得知，條帶開采結(jié)束后地表最大下沉1.362m，最大水平移動0.445m，則條帶開采的地表下沉系數(shù)約為0.20，水平移動系數(shù)約為0.33，模型左右兩側(cè)邊界處下沉值約為19mm。與一次采全高6.75m的下沉系數(shù)0.74相比，地表下沉系數(shù)大幅降低，水平移動系數(shù)有所增大。

條帶開采地表下沉系數(shù)明顯減小的原因為，條帶采出以后條帶采空區(qū)范圍很小，冒落帶發(fā)展高度有限，煤層上覆巖層重量完全由保留煤柱支承，覆巖下沉有限，采動影響到達地表以后地表下沉量很小。地表水平移動系數(shù)增大是地表下沉量大幅減小的結(jié)果。

（三）由結(jié)算結(jié)果得知，限厚4.05m開采結(jié)束后地表最大下沉3.121m，最大水平移動0.685m，則限厚4.05m開采的地表下沉系數(shù)約為0.77，水平移動系數(shù)約為0.22，模型左右兩側(cè)邊界處下沉值約為19mm。與一次采全高6.75m的下沉系數(shù)0.74和水平移動系數(shù)0.24相比，地表下沉系數(shù)有所增大，水平移動系數(shù)有所減小。地表下沉系數(shù)有所增大的原因可能是隨采厚減小，上覆巖層受采動劇烈程度減弱，離層變形量減小從而加大了地表下沉系數(shù)。

四、結(jié)論

通過對鶴壁礦區(qū)不同開采深度和不同開采方法所導(dǎo)致的地表移動變形的模擬分析研究，獲得了鶴壁礦區(qū)在不同開采深度及不同開采方案條件下的地表移動變形規(guī)律。

（一）鶴壁礦區(qū)煤層在不同埋深條件下開采且充分采動條件下的地表沉陷規(guī)律如下：300m采深條件下地表下沉系數(shù)約為0.8，水平移動系數(shù)約為0.25；隨采深增大，地表最大下沉值和最大水平移動值降低，即下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)減??；地表沉陷范圍隨采深增加而明顯擴大，采深300m時沉陷范圍邊界到開采邊界的距離約為260m，400m時約為360m，500m時則擴大到大于500m，600m時大于600m，即采深500m、600m時地表沉陷邊界已超出模型范圍。

（二）鶴壁礦區(qū)煤層在不同開采方法條件下地表移動規(guī)律如下：分層開采因底分層開采形成重復(fù)采動造成采空區(qū)活化從而導(dǎo)致地表總的沉陷量增大，但分層開采中各分層開采導(dǎo)致的沉陷量較一次采全高大幅減小，因而分層開采較一次采全高有利于地面保護；條帶開采在采留寬度設(shè)計合理的條件下可大幅降低地面沉陷量，因而適合“三下”開采使用以減輕地表采動影響；限厚開采因上覆巖層受采動劇烈程度減弱，離層變形量減小而加大了地表下沉系數(shù)，但沉陷量較一次采全高仍有所降低，其沉陷變形量與限采厚度有直接關(guān)系；在采深一定的情況下，不同開采方法所導(dǎo)致的地表沉陷范圍變化不大。

作者簡介：

王玉慶（1963-），男，河南安陽人，現(xiàn)任河南煤業(yè)化工集團鶴煤集團三礦礦長。