余學(xué)義，劉傳杰

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采信息化、綠色化進(jìn)程的不斷加快，煤炭資源的儲(chǔ)量日益減少，三下壓煤成為限制我國(guó)煤礦可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1]。亭南煤礦4#煤層資源儲(chǔ)量為19543×104t，其中地表村鎮(zhèn)、公路、水庫(kù)等建筑設(shè)施壓覆煤炭約3916×104t，約占總儲(chǔ)量的20%，嚴(yán)重影響礦井正常的生產(chǎn)接續(xù)。因此，三下壓煤安全高效開(kāi)采成為亭南礦區(qū)亟待解決的首要問(wèn)題。此外，控制覆巖移動(dòng)及地表沉陷是該礦面臨的另一關(guān)鍵問(wèn)題，目前應(yīng)用于減損開(kāi)采的方法主要有局部開(kāi)采、充填開(kāi)采、覆巖離層注漿、協(xié)調(diào)開(kāi)采等[2]。條帶開(kāi)采法屬于局部開(kāi)采，此法可有效控制覆巖及地表移動(dòng)變形、保護(hù)地表建(構(gòu))筑物，不僅有利于煤礦安全生產(chǎn)、提高煤炭采出率，還降低了生產(chǎn)成本、擴(kuò)大了礦井經(jīng)濟(jì)效益，并為最大限度地減小開(kāi)采損害提供技術(shù)保障[3]。近年來(lái)，高效減沉的寬條帶開(kāi)采法正在被廣泛應(yīng)用到三下壓煤開(kāi)采中來(lái)[4]。在寬條帶開(kāi)采中開(kāi)采參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理成為寬條帶開(kāi)采成功與否的一個(gè)重要指標(biāo)[5]。因此研究亭南煤礦寬條帶開(kāi)采對(duì)地表建筑物的影響，對(duì)亭南煤礦后續(xù)工作面的開(kāi)采具有重要意義。

1 地質(zhì)采礦條件

彬長(zhǎng)礦區(qū)亭南煤礦地處隴東黃土高原東南部，屬于陜北黃土高原南部梁溝壑區(qū)的一部分，地表溝壑縱橫、梁塬破碎，地形起伏大，東西向溝谷發(fā)育，切割較深，形成溝谷梁峁相隔的地貌，觀測(cè)區(qū)塬面高程最大為+1190m，最小為+850m。塬面為村莊建筑物分布區(qū)與農(nóng)作物耕種區(qū)，溝坡部分呈陡峭崖壁或梯田形態(tài)，坡角一般在35～70，多由灌木植被覆蓋，地表?xiàng)l件復(fù)雜。侏羅紀(jì)延安組所含的4#煤層為該區(qū)主采煤層，煤層平均埋深在550m左右，平均傾角為5，平均厚度為9.10m，屬較穩(wěn)定厚煤層。覆巖中普遍賦存約200m厚的洛河組砂巖關(guān)鍵層，同時(shí)地表覆蓋有厚黃土層，地質(zhì)采礦條件特殊。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)

2.1 地表觀測(cè)站的布置

為了確保觀測(cè)線能夠有效監(jiān)測(cè)整個(gè)開(kāi)采影響區(qū)域沉陷半盆地的地表移動(dòng)變形情況，并得出該開(kāi)采條件下地表巖移的相關(guān)參數(shù)，對(duì)該區(qū)域布設(shè)了多條觀測(cè)線，并進(jìn)行長(zhǎng)期大量的觀測(cè)。其中A線為布置在101工作面上方的傾斜觀測(cè)線(A1—A23)，用于觀測(cè)101工作面采后地表實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形情況；M線(M1—M14)為布設(shè)在109與111工作面間的走向觀測(cè)線，用以觀測(cè)采后塬區(qū)及村莊地表的移動(dòng)變形情況；Z線為位于101、109和111三個(gè)工作面之上的走向觀測(cè)線(Z0—Z14)，用來(lái)觀測(cè)不同采動(dòng)程度對(duì)地表整體移動(dòng)變形影響情況，詳情如圖1所示。

圖1 工作面布置及地表觀測(cè)線布置圖

2.2 地表移動(dòng)規(guī)律分析

2.2.1 地表下沉分析

通過(guò)分析地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，在101和103工作面間歇條采條件下，由于覆巖關(guān)鍵層中洛河組砂巖對(duì)地表移動(dòng)變形的發(fā)展起著決定作用，地表的最大下沉量?jī)H為100mm左右，地表下沉曲線基本呈巖梁撓度形態(tài)，為極不充分采動(dòng)狀態(tài)，但采動(dòng)影響范圍已經(jīng)接近充分開(kāi)采條件下的影響范圍，說(shuō)明極不充分開(kāi)采時(shí)，開(kāi)采面積的減小并不能有效限制地表沉陷盆地的范圍，而地表下沉盆地的水平移動(dòng)范圍較下沉范圍大，其原因主要是由于在覆巖關(guān)鍵層的控制下堅(jiān)硬厚巖層的撓曲變形使得地表水平移動(dòng)范圍較下沉范圍大。在113和111工作面開(kāi)采過(guò)后，地表最大下沉值達(dá)156 mm，屬非充分采動(dòng)。當(dāng)109工作面回采過(guò)后，條帶開(kāi)采已達(dá)到充分采動(dòng)條件，煤柱在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生了較大的塑性變形，在上覆厚黃土層的重力作用下洛河組砂巖發(fā)生了整體協(xié)調(diào)下沉，加之厚黃土層的采動(dòng)特征不同于基巖關(guān)鍵層，具有松散介質(zhì)的流變性，使得地表下沉量明顯增加。此時(shí)109工作面地表移動(dòng)尚處于活躍期，地表沉陷還將持續(xù)。地表下沉曲線如圖2所示。

圖2 Z觀測(cè)線下沉曲線圖

由Z7點(diǎn)的動(dòng)態(tài)下沉曲線(圖3)可知，在101和103工作面開(kāi)采后，Z7點(diǎn)的下沉值約為90mm；又經(jīng)受113和111工作面開(kāi)采影響，該點(diǎn)下沉值達(dá)到182mm；當(dāng)109工作面回采過(guò)后，地表下沉大幅增加，達(dá)到302mm，說(shuō)明大采深寬條帶開(kāi)采符合充分和非充分采動(dòng)地表移動(dòng)規(guī)律，但地表移動(dòng)變形量并非簡(jiǎn)單的疊加，而與條帶開(kāi)采范圍有密切關(guān)系。

圖3 Z7觀測(cè)點(diǎn)下沉曲線圖

2.2.2 水平移動(dòng)與水平變形特征分析

由M觀測(cè)線數(shù)據(jù)可知：101—109工作面開(kāi)采過(guò)程中地表水平移動(dòng)由開(kāi)采邊界向采空區(qū)中央先增大后減小，隨采動(dòng)程度不斷擴(kuò)大，水平移動(dòng)值逐漸增大，分布在-56～75mm之內(nèi)，如圖4所示。由開(kāi)采引起的水平變形基本在-1.2～1.5mm/m范圍之內(nèi)，其中位于邊界點(diǎn)和下沉拐點(diǎn)之間為拉伸變形，位于兩拐點(diǎn)之間為壓縮變形，如圖5所示。整體分析寬條帶開(kāi)采對(duì)地表移動(dòng)變形影響不大，該區(qū)域地表移動(dòng)變形均在地表建筑物設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)變形保護(hù)范圍以內(nèi)[6]，村莊房屋建筑安全。

圖4 M觀測(cè)線水平移動(dòng)分布圖

圖5 M觀測(cè)線水平變形分布圖

2.3 地表巖移參數(shù)分析

通過(guò)以上實(shí)測(cè)分析，結(jié)合工作面實(shí)際開(kāi)采情況及經(jīng)驗(yàn)公式可得巖層移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)為：一盤區(qū)101、109—113工作面采動(dòng)地表下沉系數(shù)為0.08；水平移動(dòng)系數(shù)為0.13；主要影響角正切值為2.0，主要影響半徑為275m左右；根據(jù)拐點(diǎn)的下沉值約為最大下沉值的一半的特性，利用N、M觀測(cè)線下沉曲線圖確定拐點(diǎn)，得到拐點(diǎn)偏距為0.06H[7]。結(jié)合以往開(kāi)采實(shí)踐證實(shí)在大采深條件下極不充分采動(dòng)與充分采動(dòng)條件下的影響范圍相近[8]。

3 條帶工作面開(kāi)采參數(shù)理論分析

亭南煤礦一盤區(qū)的開(kāi)采深度在450～550m，101、109—113條帶工作面開(kāi)采寬度在90～120m。當(dāng)采寬與采深之比小于1/3時(shí)，屬于極不充分采動(dòng)[9，10]。在該條件下分析條帶開(kāi)采參數(shù)的合理性對(duì)該礦區(qū)后續(xù)工作面開(kāi)采有一定的參考價(jià)值。

3.1 開(kāi)采寬度分析

在條帶長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面推進(jìn)方向一般可達(dá)到充分采動(dòng)甚至超充分采動(dòng)，但沿工作面開(kāi)采寬度方向?yàn)闃O不充分采動(dòng)[11]。故沿開(kāi)采寬度方向按照體積不變?cè)?，將開(kāi)采下沉作為二維平面問(wèn)題處理，即傾斜主斷面下沉盆地的面積應(yīng)與開(kāi)采面積相等，結(jié)合極不充分開(kāi)采地表的最大下沉值計(jì)算公式Wmax=qm推理得出極不充分開(kāi)采采出寬度計(jì)算公式[12]：

式中，q為極不充分開(kāi)采地表下沉率，取0.15；M為煤層厚度，m；L為條帶開(kāi)采的寬度，m；r為主要影響半徑，m；k為巖土層碎漲系數(shù)，取0.65；H為煤層埋深，m；tanβ為主要影響角正切，取2.0。

按地表建筑物保護(hù)極限變形值2.0mm/m計(jì)算，由式(2)計(jì)算出：亭南一盤區(qū)101、109—113條帶開(kāi)采工作面寬度應(yīng)控制在96～112m。

3.2 留設(shè)保護(hù)煤柱寬度分析

3.2.1 按采留條帶協(xié)調(diào)作用計(jì)算

由概率密度函數(shù)法分析得知，在單一寬條帶工作面開(kāi)采時(shí)，壓縮變形最大為：

開(kāi)采邊界0.7r時(shí)，地表拉伸變形達(dá)到最大為：

在多條帶定采留比開(kāi)采時(shí)，如果留設(shè)煤柱寬度a與開(kāi)采寬度L之和為0.7r，使得每個(gè)條帶開(kāi)采產(chǎn)生的最大壓縮變形與相鄰條帶開(kāi)采的最大拉伸變形相疊加，此時(shí)開(kāi)采地表的最大下沉值相對(duì)較小，當(dāng)煤柱寬度與開(kāi)采寬度之和小于0.94r時(shí)，地表將不會(huì)出現(xiàn)顯著的波浪形下沉盆地[13]。為了使極不充分開(kāi)采地表不出現(xiàn)波浪形下沉盆地并且下沉盆地中央的變形為零或接近于零，開(kāi)采寬度L與保護(hù)煤柱寬度a之和的最優(yōu)值為0.7r，且最大值不應(yīng)該超過(guò)0.94r[13]。在開(kāi)采深度一定的條件下，影響半徑取r=275m計(jì)算：按最優(yōu)值條件計(jì)算出留設(shè)條帶煤柱寬度a應(yīng)在61.1～70.5m范圍之內(nèi)；按最大值條件計(jì)算出保護(hù)煤柱寬度a應(yīng)不大于115.1m。

3.2.2 按留設(shè)煤柱的支撐能力與長(zhǎng)期穩(wěn)定性計(jì)算

保護(hù)煤柱必須具有足夠的支撐強(qiáng)度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，條帶保護(hù)煤柱大小的普遍的判別條件為寬高比大于5、煤柱彈性核區(qū)寬度大于55%[13]?？紤]到深部開(kāi)采煤柱塑性區(qū)較淺埋條件下大，故一盤區(qū)寬條帶開(kāi)采的寬高比取7，工作面間保護(hù)煤柱寬度應(yīng)大于50m；根據(jù)威爾遜理論條帶保護(hù)煤柱的塑性區(qū)寬度與核區(qū)寬度計(jì)算公式[14，15]，按工作面采高6m、平均開(kāi)采深度470m計(jì)算，求出留設(shè)保護(hù)煤柱的寬度應(yīng)不小于80m。

3.3 綜合分析

通過(guò)一盤區(qū)采寬、留寬度設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合工作面地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、地表房屋監(jiān)控調(diào)查分析得知：開(kāi)采工作面選取的開(kāi)采參數(shù)是合理的，具體見(jiàn)表1。按極限承載能力與實(shí)際載荷值比值公式計(jì)算留設(shè)煤柱的安全系數(shù)可知留設(shè)的保護(hù)煤柱安全系數(shù)均大于2.0，符合安全系數(shù)大于1.5的判別條件。

表1 一盤區(qū)101—113工作面參數(shù)

4 數(shù)值模擬計(jì)算分析

4.1 數(shù)值模擬

以一盤區(qū)特定地質(zhì)采礦條件參數(shù)為基礎(chǔ)建立FLAC3D數(shù)值模型，模擬101、109、111、113四個(gè)工作面開(kāi)采對(duì)地表下沉的影響，模型尺寸為：長(zhǎng)1300m；寬500m；高580m，共12個(gè)層組，采用大應(yīng)變變形和Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行運(yùn)算。按原開(kāi)采方案對(duì)工作面回采后地表下沉進(jìn)行模擬，給出沿N觀測(cè)線為剖面線的地表下沉等值線圖，如圖6所示。

圖6 原方案條帶開(kāi)采下沉圖

由模擬結(jié)果可知工作面回采結(jié)束后地表最大下沉值為536mm；直接頂垮落下沉量為5923mm，以地表下沉10mm為邊界得知開(kāi)采影響半徑大約為273m，開(kāi)采下沉系數(shù)為0.09。

將2011年12月工作面地表最終觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬下沉結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。二者之間存在一定差值，主要原因是此時(shí)的下沉值是在109工作面采后測(cè)得的，該工作面覆巖移動(dòng)變形尚未完全穩(wěn)定，地表下沉量會(huì)進(jìn)一步增加，所以實(shí)測(cè)值一般要比數(shù)值模擬下沉值小。

圖7 實(shí)測(cè)下沉數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比圖

通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在一定程度上相互驗(yàn)證，確保了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的有效性和可靠性，得到在亭南煤礦特定條件下數(shù)值模擬中的巖移數(shù)據(jù)，為亭南煤礦條帶開(kāi)采參數(shù)選取以及開(kāi)采可行性尊定基礎(chǔ)。

4.2 不同開(kāi)采參數(shù)分析

為進(jìn)一步研究條帶開(kāi)采不同采留寬對(duì)地表移動(dòng)變形的影響，優(yōu)化條帶開(kāi)采設(shè)計(jì)參數(shù)，在原開(kāi)采方案一的基礎(chǔ)之上，又提出三種不同開(kāi)采方案，通過(guò)模擬不同開(kāi)采參數(shù)對(duì)地表下沉的影響給出最優(yōu)的開(kāi)采參數(shù)。方案二、三、四中留設(shè)煤柱分別為70m、70m、80m；75m、75m、85m；90m、90m、100m。各開(kāi)采方案工作面開(kāi)采寬度見(jiàn)表2。

表2 四種方案條帶開(kāi)采參數(shù) m

根據(jù)不同開(kāi)采參數(shù)對(duì)另外三種方案進(jìn)行地表下沉模擬計(jì)算，其結(jié)果如圖8—10所示。將模擬結(jié)果結(jié)合已知的地表巖移參數(shù)應(yīng)用概率積分法對(duì)各方案進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)[15]，綜合分析各方案開(kāi)采后地表的移動(dòng)變形規(guī)律，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

由表3知，隨工作面開(kāi)采寬度的增加，采出率隨之增加，同時(shí)地表各移動(dòng)變形參數(shù)均有所增大；方案二與方案三開(kāi)采造成的地表移動(dòng)變形最大值均超出I級(jí)變形控制要求；方案一與方案二、方案三相比發(fā)現(xiàn)，工作面開(kāi)采寬度增加對(duì)地表移動(dòng)變形的影響將增大，且增幅越大對(duì)地表?yè)p害程度越大；由方案一與方案四對(duì)比可知，適當(dāng)?shù)卦龃蟛蓪?，既可提高采出率又可有效控制地表移?dòng)變形參數(shù)。綜合考慮分析方案一(原方案)更適合亭南煤礦現(xiàn)有條件下開(kāi)采，能夠有效保護(hù)地表村莊及建筑，解決該礦三下壓煤?jiǎn)栴}。

表3 四種方案地表移動(dòng)變形參數(shù)對(duì)比

圖8 方案二條帶開(kāi)采下沉圖

圖9 方案三條帶開(kāi)采下沉圖

圖10 方案四條帶開(kāi)采下沉圖

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)亭南煤礦一盤區(qū)地表觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合理論計(jì)算方法，給出寬條帶開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律，并得出巖層移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)，即地表下沉系數(shù)為0.08、水平移動(dòng)系數(shù)為0.13、主要影響角正切為2.0，以及拐點(diǎn)偏距為0.06H。

2)基巖在上覆厚黃土層載荷及采動(dòng)影響的作用下，使得地表移動(dòng)范圍大于沉陷范圍，但由于受關(guān)鍵層厚硬洛河組砂巖的控制，地表移動(dòng)下沉盆地協(xié)調(diào)平緩，未出現(xiàn)波浪起伏變形現(xiàn)象，地表建筑損害程度能夠控制在Ⅰ級(jí)范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采。

3)通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合地表移動(dòng)和變形各參數(shù)的對(duì)比論證可得：在彬長(zhǎng)礦區(qū)亭南煤礦地質(zhì)采礦條件下，適當(dāng)?shù)脑黾訔l帶寬度進(jìn)行開(kāi)采可提高礦井效益、保護(hù)地表建筑，同時(shí)驗(yàn)證了原開(kāi)采方案設(shè)計(jì)參數(shù)的選取是合適的。