劉寶敏，彭小亞

(河南平煤神馬梁北二井煤業(yè)有限公司，河南 禹州 461670)

目前，我國(guó)生產(chǎn)礦井“三下”壓煤總量約為140億t，可供10個(gè)年產(chǎn)10.0 Mt/a的礦井生產(chǎn)140年，其中建筑物下壓煤約90億t，占64%，村莊壓煤占建筑物下壓煤量的60%左右[1-3]。由于部分礦井建筑物下壓煤占其可采儲(chǔ)量的50%～95%，造成礦井采掘接替緊張，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)，解放“三下”壓煤刻不容緩[4-7]。

某礦區(qū)南翼走向長(zhǎng)約1 200 m，傾斜長(zhǎng)約860 m，受地面村莊保護(hù)煤柱的影響，開(kāi)采15號(hào)煤層時(shí)不能簡(jiǎn)單布置傳統(tǒng)的綜放長(zhǎng)壁工作面，而應(yīng)該根據(jù)村莊保護(hù)煤柱特點(diǎn)，結(jié)合建筑下采煤新技術(shù)，將三礦傳統(tǒng)開(kāi)采技術(shù)與“三下”特殊開(kāi)采技術(shù)相糅合，找出一套技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的建筑物下采煤方案，在能夠有效控制地表移動(dòng)變形，減小地表沉陷的基礎(chǔ)上，保證地面村莊建筑物處于Ⅰ級(jí)損壞以內(nèi)，確保地面建筑物的安全使用，在此基礎(chǔ)上，最大限度的提高煤炭資源采出率，實(shí)現(xiàn)不遷村安全采煤，這將具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，延續(xù)了礦井的可持續(xù)發(fā)展。

當(dāng)前，針對(duì)建筑物下開(kāi)采，國(guó)內(nèi)外采用較多的井下開(kāi)采技術(shù)措施有：條帶開(kāi)采、房柱式開(kāi)采、采空區(qū)充填(膏體充填、似膏體充填、高水充填、水砂充填)、采空區(qū)部分充填、離層注漿充填減沉、冒落區(qū)注漿充填減沉、矸石置換充填、協(xié)調(diào)開(kāi)采等。我國(guó)建下普遍采用的是條帶開(kāi)采，其減沉效果明顯，缺點(diǎn)是回采率低、資源損失嚴(yán)重。

根據(jù)某礦區(qū)三礦擴(kuò)四區(qū)南翼建筑物下煤層賦存特點(diǎn)，找出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的開(kāi)采方案，不僅解決了三礦建筑物下壓煤?jiǎn)栴}，同時(shí)為陽(yáng)泉礦區(qū)類(lèi)似條件的建筑物下安全開(kāi)采提供借鑒。

1 試驗(yàn)工程概況

礦區(qū)南翼地面建筑物有沙灣村和官溝村兩個(gè)村莊，與之相鄰的是官溝煤礦的工業(yè)廣場(chǎng)。但是不屬于擴(kuò)四區(qū)的范圍，因此在開(kāi)采設(shè)計(jì)中，僅考慮這2個(gè)村莊對(duì)應(yīng)壓煤范圍的合理開(kāi)采設(shè)計(jì)方案。其中，在官溝村內(nèi)，有旅游景區(qū)銀圓山莊，興建于1700年，被譽(yù)為山西的小布達(dá)拉宮，并與2005年對(duì)外開(kāi)放。

根據(jù)已知的巖層移動(dòng)角度，針對(duì)15號(hào)煤層，計(jì)算得出現(xiàn)有建筑物壓煤范圍，如圖1所示。由于15號(hào)煤層平均厚度6～7 m，在不考慮地表建筑物搬遷的前提下，要想采出此建筑物下煤炭資源，必須采用特殊的開(kāi)采方法。

圖1 15號(hào)煤層建筑物保護(hù)煤柱范圍Fig.1 Scope of building protection coal pillar in No.15 coal seam

2 建筑物下開(kāi)采方案的數(shù)值模擬研究

采用UDEC3.0數(shù)值模擬軟件[8-10]，該軟件是一種基于非連續(xù)體模擬的離散單元二維數(shù)值計(jì)算程序，主要模擬靜載或動(dòng)載條件下非連續(xù)介質(zhì)(如節(jié)理塊體)的力學(xué)行為特征，非連續(xù)介質(zhì)是通過(guò)離散塊體的組合來(lái)反映的，節(jié)理被當(dāng)作塊體間的邊界條件來(lái)處理，允許塊體沿節(jié)理面運(yùn)動(dòng)及回轉(zhuǎn)。單個(gè)塊體可以表現(xiàn)為剛體也可以表現(xiàn)為可變形體。UDEC3.0提供了適合巖土的7種材料本構(gòu)模型和5種節(jié)理本構(gòu)模型，能夠較好地適應(yīng)不同巖性和不同開(kāi)挖狀態(tài)條件下的巖層運(yùn)動(dòng)的需要，是目前模擬巖層破斷后移動(dòng)過(guò)程較為理想的數(shù)值模擬軟件。UDEC離散單元法數(shù)值計(jì)算工具主要應(yīng)用于地下巖體采動(dòng)過(guò)程中巖體節(jié)理、斷層、沉積面等對(duì)巖體逐步破壞的影響評(píng)價(jià)。UDEC能夠分析研究直接和不連續(xù)特征相關(guān)的潛在的巖體破壞方式及煤層開(kāi)挖后頂板垮落、離層的過(guò)程，可以較準(zhǔn)確地分析條帶開(kāi)采后覆巖的移動(dòng)和地表的沉陷。

2.1 數(shù)值模擬方案及建模

2.1.1 建立計(jì)算模型

根據(jù)三礦擴(kuò)四區(qū)南翼煤層賦存的具體地質(zhì)情況，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象的基礎(chǔ)上，建立二維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。模型總長(zhǎng)度為1 000 m，高度為435 m，煤層實(shí)際傾角平均5°建模時(shí)簡(jiǎn)化為水平煤層，擴(kuò)四區(qū)南翼3煤層厚度取平均為2 m，15煤層平均厚度7.5 m，模型中的巖層厚度、巖性參考采區(qū)附近311號(hào)鉆孔柱狀圖。計(jì)算模型中兩邊各留設(shè)200 m的邊界煤柱，以消除模型尺寸大小對(duì)地表下沉的影響。模型邊界條件采用位移固定邊界，其中兩側(cè)邊界為單向約束，底部邊界為雙向約束。模型僅受重力作用，采用摩爾—庫(kù)侖模型。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model

計(jì)算模型中的巖層的力學(xué)參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算中不同巖層的力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical parameters of different strata during numerical simulation calculation

2.1.2 數(shù)值模擬方案

根據(jù)地質(zhì)鉆孔的揭露情況，設(shè)計(jì)區(qū)域煤層厚度為7.5 m，保護(hù)煤柱下若采用條帶開(kāi)采，需要保證煤柱的穩(wěn)定，通過(guò)計(jì)算可得采全厚7.5 m，采出率為

50%，需要留設(shè)的煤柱寬度為215 m，幾乎與長(zhǎng)壁開(kāi)采相同，由于設(shè)計(jì)區(qū)域采深300～400m，全厚條帶開(kāi)采必然會(huì)造成地面的大幅度破壞，全厚開(kāi)采是不可行的。因此，考慮僅采頂分層的條帶布置方案。在建筑物保護(hù)煤柱之外的區(qū)域采用全采，工作面長(zhǎng)度為180 m，村莊壓煤區(qū)域采用條帶開(kāi)采方案，采用綜放開(kāi)采。根據(jù)實(shí)際條件，提出如下幾種模擬方案：①采3 m頂分層，全采；②采3 m頂分層，采90 m留90 m煤柱；③采3 m頂分層，采70 m留90 m煤柱。

制藥工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程有著明確要求，在化學(xué)、藥學(xué)類(lèi)、生物類(lèi)、工程類(lèi)學(xué)科基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)課程中必須包括一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)。工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)及其補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)中明確指出，實(shí)踐教學(xué)學(xué)分(含課程實(shí)驗(yàn)折合學(xué)分)不少于總學(xué)分的25%。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用UDEC數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同開(kāi)采方案的進(jìn)行模擬計(jì)算分析[11-13]。

2.2.1 采3 m頂分層，全部全采

開(kāi)采3 m頂分層，通過(guò)對(duì)所建模型地表下3 m處布設(shè)的沉陷觀測(cè)線數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，得出各項(xiàng)移動(dòng)變形指標(biāo)，如圖3所示。

圖3 全采地表移動(dòng)變形曲線Fig.3 Full mining surface movement deformation curve

全采方案地表移動(dòng)變形值：下沉量為2 381 mm；傾斜為-15.1～17.1 mm/m；曲率為-0.48×10-3～0.24×10-3m-1；水平移動(dòng)為-550～360 mm；水平變形為-1.51～3.41 mm/m。

由預(yù)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，全采之后，傾斜值已經(jīng)超過(guò)建筑物Ⅲ級(jí)破壞，地表破壞嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的地面建筑已經(jīng)超過(guò)Ⅱ級(jí)破壞。因此，頂分層全采的方案是不可取的。故考慮采用頂分層條帶開(kāi)采方案。

2.2.2 采3 m頂分層，采90 m留90 m煤柱

采90 m留90 m煤柱方案，采出率達(dá)到50%，在條采開(kāi)采中采出率屬于相對(duì)較大的數(shù)值。采用條帶開(kāi)采之后，覆巖運(yùn)動(dòng)的程度與全采相比得到了有效的控制，覆巖受應(yīng)力擾動(dòng)高度明顯降低。通過(guò)對(duì)測(cè)線上沉陷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到了如圖4所示的地表移動(dòng)曲線。

圖4 采90 m留90 m煤柱地表移動(dòng)變形曲線Fig.4 Surface movement and deformation curve of mining 90 m remain 90 m coal pillar

采90 m留90 m煤柱方案地表移動(dòng)變形值：下沉量為330 mm；傾斜為-2.6～2.8 mm/m；曲率為-0.06×10-3～0.05×10-3m-1；水平移動(dòng)為-71～68 mm；水平變形為-0.85～1.96 mm/m。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，采用此方案后，地表下沉量明顯減小，傾斜和水平變形值均超過(guò)了設(shè)定的建筑物Ⅰ損壞臨界值，最大傾斜為2.8mm/m，最大拉伸水平變形為1.96 mm/m。因此，采用此方案也是不行的。在此基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步減小采出率，以進(jìn)一步減小地表移動(dòng)變形的值。

2.2.3 采3 m頂分層，采70 m留90 m煤柱

采用現(xiàn)方案之后，采出4個(gè)條帶之后，覆巖受到應(yīng)力擾動(dòng)高度較采90 m留90 m煤柱方案有明顯下降，這樣對(duì)地表建筑物的影響更小。布設(shè)測(cè)線所記錄的地表移動(dòng)變形值如圖5所示。對(duì)于采70 m留90 m煤柱的開(kāi)采方案，經(jīng)過(guò)模擬后，得出下沉量為206 mm；傾斜-1.47～1.29 mm/m；曲率-0.03×10-3～0.03×10-3m-1；水平移動(dòng)-46～45 mm；水平變形-0.4～1.0 mm/m。地表各項(xiàng)移動(dòng)變形值均小于設(shè)定的建筑物Ⅰ級(jí)損壞臨界值。因此采用此方案是可行的。

圖5 采70 m留90 m煤柱地表移動(dòng)變形曲線Fig.5 Surface movement and deformation curve of mining 70 m remain 90 m coal pillar

3 15號(hào)煤層建筑物下采煤方案沉陷預(yù)計(jì)

3.1 擴(kuò)四區(qū)南翼建筑物下條帶開(kāi)采方案

在以前的開(kāi)采實(shí)踐中，由于考慮到建筑下采煤的復(fù)雜性，對(duì)保護(hù)煤柱范圍內(nèi)的煤炭資源一般采取丟棄的不采的做法。但隨著煤炭資源的日益緊缺，煤炭對(duì)于生產(chǎn)生活的重要價(jià)值更加明顯。因此，需要在保證地表建筑物的一定的破壞范圍內(nèi)，盡可能多的開(kāi)采煤炭資源量，做到資源的充分利用[8-10]。

在3號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中，所有建筑物保護(hù)煤柱范圍的煤炭資源均沒(méi)有開(kāi)采，也沒(méi)有進(jìn)行后期的回收，浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重。而且由于15號(hào)煤層厚度較大，平均厚6～7 m，如果丟棄，將造成更大的煤炭資源浪費(fèi)。因此，在保證地表建筑物不超過(guò)Ⅰ級(jí)破壞的前提下，制定15號(hào)煤層建筑物保護(hù)煤柱的安全開(kāi)采。根據(jù)條帶開(kāi)采數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)最優(yōu)方案利用概率積分法進(jìn)行預(yù)計(jì)。條帶布置方式如圖6所示。

圖6 條帶布置方案Fig.6 Strip layout scheme

3.2 條帶開(kāi)采布置及其地表沉陷預(yù)計(jì)

礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是礦山開(kāi)采沉陷學(xué)科的核心內(nèi)容之一，對(duì)開(kāi)采沉陷的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐都有重要的意義。利用預(yù)測(cè)的結(jié)果可以定量地研究受開(kāi)采影響的巖層與地表移動(dòng)在時(shí)間上和空間上的分布規(guī)律。預(yù)測(cè)所得的結(jié)果常被用來(lái)判別建筑物是否受開(kāi)采影響和受開(kāi)采影響的程度，作為受影響建筑物進(jìn)行維修、加固或就地重建或采取地下開(kāi)采措施的依據(jù)；可以根據(jù)預(yù)測(cè)所得的結(jié)果判斷建筑物、鐵路、水體下開(kāi)采的可能性；可以根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果全面掌握礦區(qū)土地的塌陷情況，包括塌陷面積、塌陷深度，以便開(kāi)展礦區(qū)土地復(fù)墾，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境等。過(guò)于保守的(偏大)預(yù)測(cè)結(jié)果將導(dǎo)致花費(fèi)不必要的保護(hù)費(fèi)用，造成浪費(fèi)；過(guò)于低估影響的(偏小)預(yù)測(cè)結(jié)果可能導(dǎo)致保護(hù)措施不足，使保護(hù)對(duì)象受到破壞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，該系統(tǒng)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果是準(zhǔn)確的和可靠的。

采用推薦方案，煤柱下可以布置4個(gè)條帶工作面，采出率為43.7%。根據(jù)模擬及分析結(jié)果，認(rèn)為在此條件下，采70 m留90 m煤柱方案為最優(yōu)方案，條帶設(shè)計(jì)后可以滿足地表建筑物移動(dòng)變形值均小于設(shè)定的建筑物Ⅰ損壞臨界值。

地表移動(dòng)變形值見(jiàn)表2，地表建筑物范圍對(duì)應(yīng)的移動(dòng)變形值見(jiàn)表3。

根據(jù)表2、表3可知，采用此方案后，地表最大下沉量為210mm，傾斜為-1.2～0.8mm/m，水平

表2 地表移動(dòng)變形值Tab.2 Surface movement deformation value

表3 地表建筑物范圍對(duì)應(yīng)的移動(dòng)變形值Tab.3 Movement deformation value corresponding to the range of surface buildings

變形為-0.2～0.3 mm/m。其中，沙灣村地表最大下沉量為190 mm，傾斜為-0.3～0.5 mm/m，水平變形為-0.05～0.30 mm/m；官溝村地表最大下沉量為130 mm，傾斜為-0.5～0.4 mm/m，水平變形為-0.2～0.3 mm/m。地表建筑物的移動(dòng)變形值均小于設(shè)定的建筑物Ⅰ損壞臨界值。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)采區(qū)的地質(zhì)開(kāi)采條件，提出3種開(kāi)采方案，并利用UDEC數(shù)值模擬軟件，對(duì)個(gè)方案的結(jié)果進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明，在僅開(kāi)采3 m頂分層的前提下，全采方案中各項(xiàng)地表移動(dòng)指標(biāo)均超過(guò)建筑物Ⅱ級(jí)破壞等級(jí)，方案不可行；對(duì)采90 m留90 m煤柱、采70 m留90 m煤柱條帶布置方案進(jìn)行模擬計(jì)算，最終選用采70 m留90 m煤柱條帶開(kāi)采方案。

(2)在UDEC數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，利用概率積分法對(duì)采70 m留90 m煤柱條帶開(kāi)采方案進(jìn)行了沉陷預(yù)計(jì)。結(jié)果表明，地表最大下沉量為210 mm，傾斜為-1.2～0.8 mm/m，水平變形為-0.2～0.3 mm/m。其中，沙灣村地表最大下沉量為190 mm，傾斜為-0.3～0.5 mm/m，水平變形為-0.05～0.30 mm/m；官溝村地表最大下沉量為130 mm，傾斜為-0.5～0.4 mm/m，水平變形為-0.2～0.3 mm/m。地表建筑物的移動(dòng)變形值均小于設(shè)定的建筑物Ⅰ損壞臨界值。

(3)采用此條帶布置方案，在煤柱區(qū)域可以布置4個(gè)條帶工作面，采出率為43.7%，可以多采出煤炭資源54.9萬(wàn)t。