古君

（駐馬店市吳桂橋煤礦有限公司，河南駐馬店463000）

不同采礦條件采煤對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響

古君

（駐馬店市吳桂橋煤礦有限公司，河南駐馬店463000）

水下煤層安全開(kāi)采對(duì)于煤礦來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，以位于水庫(kù)下的某煤田為例，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析3m、4.5m、6m三種不同開(kāi)采厚度和300m、400m、500m三種不同開(kāi)采深度對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響，經(jīng)計(jì)算得到地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)，分別將其與不同采厚和采深進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果表明，采厚、采深與地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)均呈現(xiàn)冪數(shù)關(guān)系，隨著采厚和采深增加，地表移動(dòng)變形規(guī)律分別呈現(xiàn)緩慢增加和減小趨勢(shì)。經(jīng)計(jì)算知水庫(kù)下煤田可以進(jìn)行正常開(kāi)采，不會(huì)對(duì)水庫(kù)的安全造成威脅。

FLAC3D；地表下沉系數(shù)；水平移動(dòng)系數(shù)；采厚；采深

煤炭資源屬于不可再生能源，對(duì)于煤炭資源盡量實(shí)現(xiàn)充分開(kāi)采，特別是對(duì)于水下采煤研究是當(dāng)前能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要［1］。為了緩解采掘工作面交替困難的形勢(shì)，在保證煤礦安全開(kāi)采的情況下實(shí)現(xiàn)煤炭的有效開(kāi)采，不同采礦條件下開(kāi)采煤層對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律影響的研究是相當(dāng)有必要的。有相關(guān)文獻(xiàn)［2］研究了不同工作面長(zhǎng)度對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響，但沒(méi)有考慮其他采礦條件對(duì)地表移動(dòng)規(guī)律的影響；相關(guān)文獻(xiàn)［3］對(duì)水庫(kù)下開(kāi)采煤層進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，但沒(méi)有對(duì)采礦條件對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。鑒于此，以某礦水體下采煤為例，運(yùn)用FLAC3D［4］數(shù)值模擬軟件研究不同煤層開(kāi)采厚度、開(kāi)采深度等采礦條件對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響，為水下采煤提供了技術(shù)理論指導(dǎo)。

1　礦井概況

該礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.6Mt/a，該井田內(nèi)大部分煤層為穩(wěn)定可采煤層，煤厚平均為5.0m，煤層傾角平均為16°，采深約為320m左右，22采區(qū)西側(cè)開(kāi)采工作面上方為水庫(kù)，水庫(kù)水深平均深度為3m。

2　煤層開(kāi)采厚度對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響

2.1方案的確定及模擬計(jì)算

為了研究不同開(kāi)采厚度條件下永華能源嵩山礦“三軟”煤層開(kāi)采條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律，根據(jù)該礦

圖1　不同開(kāi)采厚度條件下豎直位移云圖Fig.1 Vertical displacement contours under the condition of different mining thickness

山實(shí)際情況，設(shè)計(jì)3種模擬方案，即模擬煤層開(kāi)采厚度分別為3m、4.5m、6m，對(duì)模擬開(kāi)挖后的煤層進(jìn)行計(jì)算分析，分析在不同煤層開(kāi)采厚度條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律。設(shè)置走向無(wú)限開(kāi)采，傾向充分采動(dòng)的地質(zhì)力學(xué)模型。其中傾向工作面長(zhǎng)度為500m。邊界煤柱大小均取450m。X方向?yàn)閮A向，Y方向?yàn)樽呦?，Z方向?yàn)殂U垂方向。按照各方案要求進(jìn)行模擬開(kāi)挖計(jì)算，最終得到模擬計(jì)算開(kāi)挖后的豎直方向位移云圖，分別如圖1所示。

2.2地表移動(dòng)變化規(guī)律分析

在三種不同厚度煤層開(kāi)采厚度模擬計(jì)算過(guò)程中，利用FLAC3D中的fish語(yǔ)言，對(duì)模型頂部（即地表）的移動(dòng)變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到模型地表的下沉值和水平移動(dòng)值，繪制的曲線圖如圖2、圖3所示。

圖2　不同煤層開(kāi)采厚度下地表下沉曲線Fig.2 Surface subsidence curve under different mining thick

圖3　不同開(kāi)采厚度下地表水平移動(dòng)曲線Fig.3 Surface horizontal displacement curve under different mining thick

為了掌握不同煤層開(kāi)采厚度對(duì)地表移動(dòng)變形的影響，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，選取不同開(kāi)采方案所引起的地表最大下沉值和最大水平移動(dòng)值，并計(jì)算得到相應(yīng)的下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)［5-7］，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　不同煤層開(kāi)采厚度地表移動(dòng)變形值Tab.1 Different thickness of coal seam mining surface movement and deformation

圖4　采厚和地表下沉系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between mining thick and surface subsidence coefficient

圖5　采厚和水平移動(dòng)系數(shù)的關(guān)系Fig.5Relationship between thick and surface level coefficient

由圖4、圖5可知采厚與地表下沉系數(shù)和地表移動(dòng)系數(shù)的關(guān)系式分別為y=0.6355x0.1407和y=0.1906x0.2212，該煤礦的采厚為5m，經(jīng)計(jì)算知地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)分別為0.797和0.272，該值在工程的允許范圍內(nèi)，該礦山在水庫(kù)下的煤層可以進(jìn)行整層開(kāi)采。

3　煤層埋深對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的影響

3.1模型的建立

為了研究不同開(kāi)采深度條件下該礦“三軟”煤層開(kāi)采條件下地表移動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了3種模擬方案，各方案采深取值為300m、400m、500m。數(shù)值模型采用平面應(yīng)變模型，設(shè)置走向無(wú)限開(kāi)采，傾向充分采動(dòng)的地質(zhì)力學(xué)模型。其中傾向工作面長(zhǎng)度為500m，邊界煤柱大小均取450m。

3.2模擬計(jì)算結(jié)果分析

分別對(duì)3種建立好的方案模型進(jìn)行賦值計(jì)算，對(duì)開(kāi)挖后的豎直方向位移云圖不再敘述，對(duì)相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析。提取不同開(kāi)采深度（采深H分別為300m、400m、500m）下開(kāi)挖工作面后引起地表變形的數(shù)據(jù)，提取后繪成地表下沉和水平移動(dòng)曲線，如圖6、圖7所示。

圖6　不同采深條件下地表下沉曲線Fig.6 The surface subsidence curve under different mining depth

圖7　不同采深條件下地表下沉曲線Fig.7 The surface subsidence curve under different mining depth

圖8　采深與地表下沉系數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between mining depth and

圖9　采深與水平移動(dòng)系數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between mining depth and surface subsidence coefficientground surface level coefficient

根據(jù)上述3種數(shù)值模擬方案的地表下沉曲線和水平移動(dòng)曲線，得到3種不同采深條件下，地表的最大下沉值和最大水平移動(dòng)值，進(jìn)而計(jì)算得到地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)。根據(jù)以上不同采深條件下地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)，擬合得到采深與地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)的關(guān)系，見(jiàn)圖8和圖9。

由圖8和圖9可知采深與地表下沉系數(shù)和地表移動(dòng)系數(shù)的關(guān)系式分別為y=2.5712x-0.1943和y=1.4889x-0.2812，該煤礦的采厚為320m，經(jīng)計(jì)算知地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)分別為0.838和0.294，該值在工程的允許范圍內(nèi)，該礦山在水庫(kù)下的煤層可以進(jìn)行正常開(kāi)采，不會(huì)威脅水庫(kù)的安全。

4　結(jié)論

第一，煤層開(kāi)采厚度與地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，可知煤層開(kāi)采厚度對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律影響很大，但隨著開(kāi)采厚度的增加，其變化趨勢(shì)呈現(xiàn)緩慢增加。合理煤層開(kāi)采厚度對(duì)地表構(gòu)筑物起到安全保護(hù)作用。

第二，隨著采深增加，地表下沉和水平移動(dòng)的影響范圍有所增加，地表最大下沉值和最大水平移動(dòng)值反而減小。采深與地表下沉系數(shù)和地表水平移動(dòng)系數(shù)的關(guān)系成反冪函數(shù)關(guān)系，隨著采深增加，地表移動(dòng)變化規(guī)律呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

第三，根據(jù)該礦山的實(shí)際情況，結(jié)合擬合函數(shù)，知該水庫(kù)下能正常進(jìn)行整層開(kāi)采。但對(duì)于地下開(kāi)采的很多不確定因素，需要在煤田開(kāi)采的過(guò)程中對(duì)水位實(shí)施24h監(jiān)測(cè)，從而間接保證水庫(kù)及井下安全開(kāi)采。

［1］李宏杰，楊鵬旭，文學(xué)寬，等.漳河水庫(kù)下煤炭資源開(kāi)采可行性研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，（06）：16-20.

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Mining Coal in the different Mining Conditions influence the Law of Surface Movement Deformation

GUJun
(Zhumadian WuguiqiaoCoal Limited,Zhumadian 463000,China)

It is crucial tomine underwater seamfor coal mine,taking reservoir in a coalfield as an example,usingFLAC3D numerical simulation software,simulating and analysing three different mining thickness such as 3 m,4.5 m,6 m and three different mining depth such as 300 m,400 m and 500 m to influence surface movement deformation law,the effect of the coefficient of surface subsidence and horizontal movement coefficient is calculated,with different thickness and fitting method for data mining depth,the results show that the mining thick,mining depth and coefficient of surface subsidence and horizontal movement coefficients appear exponential relationship,with mining thick and mining depth increasing,the surface movement deformation law showed a trend of slow increase and decrease respect respectively.By calculating,coalfield under reservoir can be mined normally,which will not threaten the safety ofthe reservoir.

FLAC3D;Surface subsidence coefficient;Horizontal displacement coefficient;Miningthick;Miningdepth

P642.2

A

1674-8646（2015）09-0037-03

2015-05-30

古君（1984-），男，河南駐馬店人，學(xué)士，助理工程師，從事土木工程礦建研究。