于　洋，渾寶炬，王哲豪

（河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009）

林南倉(cāng)礦條帶開采參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性規(guī)律研究

于洋*，渾寶炬，王哲豪

（河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009）

在林南倉(cāng)礦某采區(qū)原有的條帶開采方案的基礎(chǔ)上，通過理論分析，對(duì)該采區(qū)條帶開采方案進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，并預(yù)計(jì)其地表移動(dòng)變形的最大值；應(yīng)用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬法分別對(duì)各方案進(jìn)行模擬計(jì)算，得出地表移動(dòng)和變形各參數(shù)的最大值，分析條帶開采中不同采留寬度對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響，研究條帶開采的地表移動(dòng)變形規(guī)律；同時(shí)收集該采區(qū)地表觀測(cè)站的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)計(jì)的地表移動(dòng)及變形值進(jìn)行驗(yàn)證，得出林南倉(cāng)礦該采區(qū)條帶開采的地表移動(dòng)變形規(guī)律及適用于該采區(qū)的更優(yōu)的條帶開采方案。

條帶開采；地表變形；數(shù)值模擬；方案優(yōu)化

研究條帶開采的地表變形規(guī)律，進(jìn)行條帶開采設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，目的就是最大化的提高煤炭資源的采出率，并確保地表建（構(gòu)）筑物的安全使用，減少采動(dòng)損害造成的賠償或搬遷費(fèi)用，同時(shí)保護(hù)礦山生態(tài)環(huán)境［1］。條帶開采最根本的問題是煤柱采寬和留寬的設(shè)計(jì)，它直接決定著煤炭資源的采出率以及條帶開采結(jié)束后地表移動(dòng)和變形的大小，是條帶開采成敗的關(guān)鍵性因素。研究條帶開采對(duì)地表移動(dòng)和變形規(guī)律，優(yōu)化條帶開采的設(shè)計(jì)參數(shù)，即是在林南倉(cāng)礦特定的地質(zhì)條件下，研究條帶開采的主控因素煤柱采留寬對(duì)地表變形規(guī)律的影響，以便更好地利用條帶開采技術(shù)解放“三下”壓煤量，提高煤炭資源回收率，預(yù)防和減輕對(duì)地表造成的損害［2］。

1　工程背景

林南倉(cāng)礦東二采區(qū)主采煤層有煤11、煤12，煤12平均厚度4.8m，煤11平均厚度4.0m，2個(gè)煤層間距27m。煤層賦存深度500～650m，地層走向NW50°～NE50°，傾向SW-SE，地層傾角5°～35°，平均18°［3］。

該區(qū)域地表主要壓煤建筑物有五村、東六村和焦莊子和煤站。在煤層進(jìn)行開采時(shí)，需對(duì)五村和東六村的地面建筑進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)為了開采建筑物壓煤，林南倉(cāng)礦東二采區(qū)采用條帶采煤法，先采12煤，然后再開采11煤。條采參數(shù)如下：保留條帶寬度70m，開采條帶寬度50m。到目前為止，林南倉(cāng)東二采區(qū)12層煤第1、2區(qū)段已開采完成，為了提高第3區(qū)段的回采率，針對(duì)實(shí)際開采情況，對(duì)第3區(qū)段的開采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出適宜的寬條帶開采方案。

2　林南倉(cāng)礦條帶開采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了研究其條帶開采的地表移動(dòng)變形規(guī)律，指導(dǎo)條帶開采參數(shù)設(shè)計(jì)，同時(shí)提高林南倉(cāng)礦條帶開采的煤炭產(chǎn)出量，在原開采方案（b=70，a=80）的基礎(chǔ)上，結(jié)合2采區(qū)第三區(qū)段實(shí)地開采條件，圍繞煤柱強(qiáng)度穩(wěn)定性采用強(qiáng)度理論對(duì)條帶開采方案進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出3種寬條帶開采方案，理論分析對(duì)設(shè)計(jì)的條帶開采的方案分別進(jìn)行地表移動(dòng)變形的預(yù)計(jì)，確定更合理的開采方案，得出條帶開采不同采留寬對(duì)地表移動(dòng)變形的影響［4］。

條帶采煤法的基本要求是條帶煤柱采出后，地表不出現(xiàn)波浪形的下沉而出現(xiàn)單一平緩的下沉盆地，根據(jù)國(guó)內(nèi)外條采的經(jīng)驗(yàn)，采出煤柱的寬度小于1/4～1/9倍的采深即可滿足要求。b≤H/9=39～88m（H為采深，取煤層最淺處埋深500m），參照已采用的條帶開采方案，取采寬分別為b=70m和b=80m。林南倉(cāng)礦條帶開采，采用垮落法管理頂板且頂板垮落后能夠充填滿采空區(qū)，考慮到避免對(duì)地表建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生較大變形，取安全系數(shù)為2.0。然后對(duì)不同的采寬b進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)柱核區(qū)寬度B取2h時(shí)，采深H取600m，煤層厚度h取3m時(shí)，a≥24m。

根據(jù)以上要求，在原方案（方案一）的基礎(chǔ)上，考慮到生產(chǎn)中的誤差及確保煤柱存在核心，能夠保證建（構(gòu)）筑物長(zhǎng)久安全的使用，本著寬條帶開采的原則，且能夠分析不同的采留寬對(duì)地表變形產(chǎn)生的影響，保留寬度a=80m和a=90m，則3種方案分別為b=70，a= 80；b=70，a=90；b=80，a=80。根據(jù)公式可以計(jì)算出以下3種方案的采出率，分別為47%、44%和50%。以上各方案都滿足條帶開采的設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)林南倉(cāng)礦某采區(qū)的地質(zhì)采礦條件，對(duì)該區(qū)條帶開采的各個(gè)方案對(duì)地表造成的破壞進(jìn)行預(yù)計(jì)，運(yùn)用概率積分法計(jì)算其最大下沉和變形值。通過理論計(jì)算其最大下沉值、水瓶移動(dòng)值、傾斜變形值、水平變形值和曲率［5］。見表1。

表1　三種方案地表移動(dòng)和變形各參數(shù)的最大值

針對(duì)林南倉(cāng)礦某采區(qū)的條帶開采的地表變形預(yù)計(jì)的數(shù)值計(jì)算分析研究，可以看出：（1）應(yīng)當(dāng)選擇合理的采出率，條帶開采隨采出率的增大，地表移動(dòng)和變形的各參數(shù)的最大值都變大。（2）條帶開采在同樣留寬的條件下，隨著開采寬度增加，地表移動(dòng)和變形的最大值增大，在相同采寬條件下，留設(shè)煤柱的寬度越小，地表移動(dòng)和變形的最大值越大。

3　林南倉(cāng)礦條帶開采地表變形規(guī)律研究

在林南倉(cāng)礦某采區(qū)特定的地質(zhì)條件下，分析條帶開采的不同采留寬對(duì)地表移動(dòng)變形的影響，研究條帶開采的地表移動(dòng)變形規(guī)律［4］。林南倉(cāng)礦采區(qū)采用走向大條帶開采，原技術(shù)為采70m，留80m，同煤層工作面跳面開采。為優(yōu)化條帶開采的設(shè)計(jì)參數(shù)，提出方案二和方案三。方案二：采70m，留90m；方案三：采80m，留80m。該采區(qū)采用條帶法采煤，布置四4個(gè)回采工作面，根據(jù)建立的模型，數(shù)值模擬的方法首先根據(jù)表土層、煤和巖石的物理力學(xué)參數(shù)及模型邊界條件計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)。東二采區(qū)煤層賦存深度500～650m，地層走向NW50°～NE50°，傾向SW-SE，地層傾角5°～35°，平均18°。根據(jù)林南倉(cāng)礦東二采區(qū)開采地質(zhì)情況，建立模型［3］。

由于煤層和巖層的特殊性質(zhì)，對(duì)煤層和巖層采用FLAC3D中的莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則的關(guān)系，對(duì)其計(jì)算，采用的模擬參數(shù)見表2。

表2　煤巖物理力學(xué)性質(zhì)表

通過上述3種模擬方案及模擬過程，分別對(duì)3個(gè)方案的傾向斷面下沉云圖和地表沉陷位移圖進(jìn)行模擬。

從走向主斷面和地表下沉位移云圖可以得出：（1）該采區(qū)條帶開采地表下沉特征：條帶開采地表變形和移動(dòng)量比全采小，3種方案在煤層上覆巖層首先出現(xiàn)波浪形下沉，波浪的最大影響范圍分別約為100m、90m、110m，達(dá)到此距離直至地表，為均勻下沉。條帶開采各方案設(shè)計(jì)合理，地表沒有出現(xiàn)波浪形下沉，而是形成近似橢圓形的平緩的下沉盆地。（2）地表沉陷模擬結(jié)果表明，分布由初期的基本對(duì)稱發(fā)展到后期的不對(duì)稱，走向上地表下沉盆地中心呈近似對(duì)稱的近橢圓分布。傾向由于受到煤層傾角、上覆巖層的圍巖性質(zhì)的影響，橢圓形的下沉盆地的中心稍微偏向巖層下山方向。3種方案的地表最大下沉值分別約為316mm、260mm、402mm。綜合考慮，應(yīng)用第三種開采方案（a=80m，b= 80m），既能保護(hù)地面建筑物，也能達(dá)到最大采出率。

4　現(xiàn)場(chǎng)地表觀測(cè)及分析

依據(jù)東二采區(qū)的地形情況，橫貫采區(qū)沿著煤層傾斜方向建立了66個(gè)測(cè)站，測(cè)站間距為20m，兩端測(cè)站間距為30m。但L8到L54測(cè)站基本上處于同一直線，其水平距離為943m，L8到L54測(cè)站橫跨東二采區(qū)3個(gè)回采工作面。對(duì)東二采區(qū)的觀測(cè)工作持續(xù)了一年多的時(shí)間，本觀測(cè)工作僅僅針對(duì)煤12前兩個(gè)區(qū)段的回采而進(jìn)行，先期每20d觀測(cè)一次，到生產(chǎn)結(jié)束后，采用每個(gè)月及至每45d觀測(cè)一次。

根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確定對(duì)東二采區(qū)采用條帶開采方式開采。條帶參數(shù)如下：開采條帶寬度為80m，保留條帶寬度為80m。回采工作面沿煤層走向推進(jìn)，采區(qū)中共布置3個(gè)條帶回采工作面。本觀測(cè)結(jié)果為前2個(gè)區(qū)段回采結(jié)束時(shí)的觀測(cè)值，共觀測(cè)17次。

圖1　各測(cè)站地表下沉觀測(cè)值曲線圖

圖1為地表移動(dòng)曲線，綜合分析可以看出：（1）東二采區(qū)前2個(gè)條帶工作面的采用開采條帶80m寬，保留條帶80m寬的開采方案時(shí)，不會(huì)對(duì)地表造成波浪狀起伏；（2）地表最大下沉值出現(xiàn)在回采工作面的中央L26號(hào)測(cè)站，其下沉值是768mm，其地表下沉值較小，對(duì)地表建筑影響不大；（3）煤12前2個(gè)回采工作面的條帶開采造成的地表移動(dòng)和變形，其最大水平變形值為0.56mm/m，最大傾斜值為1.31mm/m，最大曲率為0.067mm/m2，地表變形值均較小，能夠保證對(duì)地表建筑物的破壞處于1級(jí)以下；（4）通過對(duì)比分析，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果基本一致參數(shù)選取基本可靠，可以作為該礦條帶開采設(shè)計(jì)計(jì)算的基本參數(shù)。

5　結(jié)論

通過理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算，得出林南倉(cāng)礦某采區(qū)條帶開采的地表移動(dòng)變形規(guī)律及適用于林南倉(cāng)礦某采區(qū)條帶開采的更優(yōu)的方案。其主要結(jié)論為：

（1）煤層條帶沿走向布置，煤柱采寬為80m，留寬為80m。該方案對(duì)地表造成的最大下沉值為402mm，最大傾斜值為1.66mm/m，最大曲率為0.0105/km，最大水平移動(dòng)為122mm，最大水平變形為0.79mm/m。

（2）條帶開采法中煤柱留寬相同，采寬越大，地表沉陷量越大，地表水平移動(dòng)變形越大；煤柱采寬相同，留寬越小，地表沉陷量越大，地表水平移動(dòng)變形也越大。

（3）地表變形主要集中在開采工作面上方及開采邊界附近區(qū)域，移動(dòng)盆地最外邊界至開采邊界的距離較遠(yuǎn)，達(dá)到0.5H左右；最大傾斜和最大水平移動(dòng)變形位于開采邊界附近靠近采空區(qū)一側(cè)。

（4）在考慮煤柱穩(wěn)定性的前提下提出各種方案，通過理論分析和數(shù)值模擬法對(duì)地表移動(dòng)和變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，最終確定條帶開采的方案，這一方法，可以為礦山條帶開采的參數(shù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

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TD823

A

1004-5716（2016）04-0115-03

2015-04-01

2015-04-01

于洋（1984-），男（漢族），河北唐山人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事礦山經(jīng)營(yíng)技術(shù)工作。