郝傳波，趙榮欣

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150027；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027)

某村莊建筑物下條帶開采設(shè)計及數(shù)值模擬分析

郝傳波1，趙榮欣2

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150027；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027)

為安全開采某村莊建筑物下煤炭資源，根據(jù)該礦山地質(zhì)條件和建筑物下煤炭開采要求，依據(jù)壓力拱理論和三向應(yīng)力法煤柱設(shè)計理論進(jìn)行計算，得到28號煤層條帶開采寬度和保留煤柱寬度，理論計算采出率46.2%，煤柱的安全系數(shù)1.89，可以承受上覆巖層施加的載荷，達(dá)到設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)理論計算結(jié)果和地質(zhì)參數(shù)建立數(shù)值模型。模擬結(jié)果表明：地表下沉相對均勻，形成一個采空區(qū)中部凹陷的盆地，地面最大斜變形i=0.017mm/m，曲率K=-0.15×10-7/m，地表變形控制在Ⅰ級范圍內(nèi)，建筑物輕微損壞。通過模擬驗證了該條帶開采方案可以有效控制地表沉降和變形，降低開采對建筑損壞。

條帶開采；數(shù)值模擬；地表移動變形

煤炭是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要消耗能源和重要的工業(yè)原料之一，是不可再生資源。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，煤炭資源開采劇增，由此引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問題日益突出。礦山開采直接引起不同程度的地表變形和沉降，是人為引起的地質(zhì)災(zāi)害問題之一。地表變形沉降對建筑物和環(huán)境危害極大，同時存在安全隱患。其危害和隱患主要表現(xiàn)在：在沉降區(qū)域內(nèi)建(構(gòu))筑物損毀破壞；堤壩、橋梁、道路、管線等受到破壞；大面積的耕地、土壤質(zhì)量下降和水土流失。目前國內(nèi)為保護(hù)礦區(qū)內(nèi)建(構(gòu))筑物、水體和鐵路，三下壓煤開采普遍選擇條帶開采。

現(xiàn)某礦開采建筑物下的煤炭資源，在保護(hù)地表建筑物不受損壞，同時不引起地表大的波浪下沉的前提下，需要合理設(shè)計開采工作面長度和煤柱尺寸。當(dāng)煤柱尺寸太小，其自身穩(wěn)定性差，沒有足夠的承載力支撐上覆巖層載荷，存在安全隱患，不利于安全生產(chǎn)；煤柱尺寸太大，不利于資源回收，造成資源損失。同時工作面長度選擇不合理會造成地表大的波浪下沉、不均勻變形等問題，達(dá)不到保護(hù)建筑物的目的。

因此，需要對條帶開采工作面長度和煤柱尺寸進(jìn)行研究，制定科學(xué)合理的開采方案，保證煤柱穩(wěn)定、工作面開采的安全、充分開采煤炭資源，減少不必要的資源浪費。對條帶開采設(shè)計方案的研究方法主要有：經(jīng)驗研究法[1-2]、理論計算分析法[3-4]、模擬研究方法[5-7]。

1 研究區(qū)域概況

雞西某礦礦區(qū)范圍內(nèi)主要可采煤層28，30，36，37號。本次研究對象僅為28號煤層，該區(qū)域無較大斷層構(gòu)造，28號煤層在礦區(qū)內(nèi)穩(wěn)定發(fā)育，煤層傾角5～15°，平均傾角8°，煤層平均厚度3.6m，埋深439～616m。頂?shù)装鍘r石主要為砂巖、泥巖等。該礦區(qū)東側(cè)地表建有大量需要保護(hù)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，建筑物下壓煤寬度約600m。其中壓煤區(qū)域地面建筑物多為磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)的房屋，少量的木結(jié)構(gòu)和土筑平房。為控制開采建筑物下壓煤對地面建筑物的破壞，使建筑物仍能保持正常使用，根據(jù)該礦區(qū)的地質(zhì)條件，設(shè)計保護(hù)煤柱寬度與開采方案。

2 條帶開采方案設(shè)計

2.1 開采寬度b的確定

根據(jù)大量國內(nèi)外開采實踐總結(jié)，為保證礦山開采地表不出現(xiàn)大波浪變形下沉，而形成單一的平緩的下沉盆地或形成容許等級范圍內(nèi)的波浪下沉，采寬一般在煤層埋深的1/4～1/10 范圍內(nèi)選擇[8]。該煤礦煤層埋深439～616m，煤層埋深變化較大。為了安全起見，可用H上/4(H上地表至礦井回風(fēng)巷的埋深)作為確定開采寬度的依據(jù)。H上為439m，經(jīng)計算可得開采寬度b最大為109.75m。

根據(jù)壓力拱理論，若使用條帶開采控制礦山地表沉陷，則兩開采條帶煤柱之間的開采寬度b[9]應(yīng)滿足式(1)：

b≤0.75LPA

(1)

內(nèi)寬LPA=3×(H上/20+6.1)

(2)

式中，H上為開采深度，439m；LPA為壓力拱的內(nèi)寬，m。

經(jīng)計算可得開采寬度b為63.11m。為控制地表沉降，根據(jù)該礦的地質(zhì)條件、采礦方法綜合分析，最終將開采寬度設(shè)置為60m。

2.2 煤柱留設(shè)寬a的確定

在一定開采寬度前提下，保留煤柱寬度無限制地增大，也會使地表呈波浪下沉。因此條帶開采時，煤柱尺寸取值根據(jù) A.H.Wilson三向應(yīng)力法煤柱設(shè)計理論，保留煤柱寬度一般應(yīng)滿足下列關(guān)系[10]：

a>2Y+S= 0.01MH下+S

(3)

式中，Y為煤柱屈服寬度，m；S為煤柱核區(qū)寬度，m；M為煤層厚度，m；H下為覆巖最大厚度，m。

把S=8.4m，M=3.6m，H下=616m帶入公式得到保留煤柱a寬度應(yīng)大于30.58m。

為使條帶煤柱有足夠的強度支撐上覆巖層，還須滿足式(4)寬高比。

a/M≥5

(4)

通過對煤層寬高比驗算，得到a/M=8.49，寬高比大于5，煤柱有足夠的強度支撐上覆巖層。為使煤柱更加穩(wěn)定，同時減小地表變形，保護(hù)地表建筑物在煤炭開采以后不維修或小修，煤柱寬度a取70m。

2.3 煤柱穩(wěn)定性驗算

(1)煤柱實際承受的載荷值

F1=γ[H下a+b/2(2H下-b/0.6)]

(5)

式中，γ為容重，t/m3。

(2)煤柱能夠承受的載荷值

F2=4γH下(a-4.92MH下×10-3)

(6)

煤柱的安全系數(shù)k=F2/F1=1.89，k>1.5，滿足安全開采要求。所以，條帶開采設(shè)計開采寬60m、留煤柱寬70m 滿足建筑物下安全開采要求。采出率P=b/(a+b)=46.2%。

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 CDEM模擬的基本原理

CDEM是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)離散元方法(Continuum-based Discrete Element Method)的英文縮寫，主要用于模擬地質(zhì)體的漸進(jìn)破壞過程。該方法是將有限元及離散元耦合，在塊體內(nèi)部進(jìn)行有限元計算，在塊體邊界進(jìn)行離散元計算，通過邊界處法向彈簧及切向彈簧的斷裂，實現(xiàn)塊體的破裂滑移。由于結(jié)構(gòu)面是確定的，通過CDEM的界面模型，完全可以模擬條帶開采過程巖層和地表的變形沉降過程，并最終得到條帶開采地表變形曲線[11-13]。

3.2 模型建立

以該煤礦地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)和實驗室物理力學(xué)實驗所得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)(表1模型主要巖性及參數(shù))，使用ANSYS建立模型劃分網(wǎng)格。最終確定模型的尺寸為：長1400m、高702m；煤巖層共7層，傾角8°；模擬的條帶開采工作面采寬為60m、留寬70m。在CDEM模型計算中，煤、巖體的本構(gòu)模型均采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則。

邊界施加位移約束：

(1)對模型位移邊界條件的設(shè)定包括施加位移約束，固定模型兩側(cè)邊界節(jié)點的x方向移動，即僅存在豎直方向的移動。

(2)對模型底面施加位移約束，即固定底面x，y方向上移動。

表1 模型主要地層及巖性參數(shù)

(3)模型頂面設(shè)置為自由邊界，不施加任何約束，圖1為CDEM計算模型網(wǎng)格劃分，圖中Group1-Group11為煤層，Group12-Group17分別為表土層、砂質(zhì)泥巖層、泥巖層、中砂巖層、粉砂巖層、粉砂巖層。

圖1 CDEM計算模型網(wǎng)格劃分

3.3 模擬結(jié)果分析

自重應(yīng)力計算穩(wěn)定，可得圖2(a)y方向的節(jié)點位移云圖、圖2(b)y方向節(jié)點應(yīng)力云圖。根據(jù)開采采寬60m、煤柱留寬70m的方案進(jìn)行開采，全部開采完成后，可得圖3(a)y方向節(jié)點位移云圖、圖3(b)y方向節(jié)點應(yīng)力云圖。

圖2 傾向主斷面自重應(yīng)力平衡計算

圖3 傾向主斷面開采位移及應(yīng)力

由圖3(a)y方向節(jié)點位移云圖可知，煤層開采后，采空區(qū)的形成對上覆巖層的擾動明顯，采空區(qū)上方巖層均勻下沉，由下往上下沉量逐漸減小。由圖3(b)y方向節(jié)點應(yīng)力云圖可知，采空區(qū)頂板和底板形成2個半圓形應(yīng)力平衡拱。從半圓拱的外側(cè)到內(nèi)側(cè)，應(yīng)力逐漸增大，豎直方向上的應(yīng)力達(dá)到平衡，有效地控制垂直應(yīng)力。煤柱所受應(yīng)力，由煤柱邊緣到中間逐漸減小，說明煤柱有足夠的強度，可以穩(wěn)定地支撐頂板，控制上覆巖層的變形。

根據(jù)監(jiān)測點可得圖4地表下沉動態(tài)監(jiān)測曲線，煤炭開采過程，地表最大沉降位置隨著工作面移動，開采到一定位置時最大沉降位置停留在整個礦區(qū)中部，煤礦地表下沉相對均勻，形成一個采空區(qū)中部凹陷的盆地。礦區(qū)中部最大沉降位移為0.063m，盆地兩翼的最小沉降位移是0.047m，兩翼坡腳較小，通過計算傾斜變形i=0.017mm/m，曲率K=-0.15×10-7/m。根據(jù)磚石結(jié)構(gòu)建筑物的破壞(保護(hù))等級規(guī)定[14]，確定建筑物保護(hù)允許地表變形值采用下列數(shù)值：地表傾斜i≤±3.0mm/m，曲率K≤±0.2×10-3/m時，地表建筑物破壞(保護(hù))等級為Ⅰ級。根據(jù)該方案礦區(qū)建筑物下采煤的模擬結(jié)果，采區(qū)范圍內(nèi)建筑物輕微損壞，建筑物簡單維修或可以不做處理。綜上所述，采用走向條帶開采設(shè)計采寬60m、留煤柱寬度70m的方案可實現(xiàn)地表均勻下沉，達(dá)到保護(hù)建筑物安全的目標(biāo)。

圖4 地表下沉動態(tài)監(jiān)測曲線

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)該礦地質(zhì)和采礦條件，通過理論計算得出采寬60m、留寬70m，采出率可以達(dá)到46.2%，地表傾斜變形i=0.017mm/m，曲率K=-0.15×10-7/m，建筑物破壞控制在Ⅰ級范圍內(nèi)，建筑物輕微損壞，建筑物簡單維修或可以不做處理。

(2)在理論計算的基礎(chǔ)上，運用CDEM模擬計算方案的可行性。結(jié)果表明煤柱有足夠的強度支撐頂板和上覆巖層，能有效控制地表變現(xiàn)和沉降。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Numerical Simulation and Strip Mining Design under Building of One Village

HAO Chuan-bo1,ZHAO Rong-xin2

(1.Heilongjiang University of Science and Technology，Heilongjiang Key Laboratory of Deep Mining Pressure Control and Gas Management，Harbin 150027，China；2.Mine Engineering School，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150027，China)

In order to solve the safety of mining under building of one village，based on mine geological situation and demand of mining under building，theory calculated by according pressure arch theory and three-dimensional stress coal pillar design theory，strip mining width and retain coal pillar width of 28 coal seam，recovery ratio was 46.2%，safety coefficient of coal pillar was 1.89，the loading of overlying strata could be supported，it meet the demand of design.Numerical model was built according theory results and geological parameters，the simulation results showed that surface subsidence was relative uniform，concave basin formed in the middle part of goaf，the maximal incline deformation of surfacei=0.017mm/m，curve ratioK=-0.15×10-7/m，surface deformation was controlled during I level，building damage slight.Surface subsidence and deformation could be controlled by the strip mining scheme according simulation，then the damage mining to building was decreased.

strip mining；numerical simulation；surface movement deformation

2016-10-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.017

國家自然科學(xué)基金項目(51374097，51604100，51574115)；中國博士后科學(xué)基金第56批面上項目(2014M561384)；黑龍江科技大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2016-114HKD)

郝傳波(1962-)，男，黑龍江寧安人，教授，博士，研究方向為礦山應(yīng)急救援。

郝傳波，趙榮欣.某村莊建筑物下條帶開采設(shè)計及數(shù)值模擬分析[J].煤礦開采，2017，22(3)：55-58.

TD823.6

A

1006-6225(2017)03-0055-04