條帶開采地表運移模擬與實際觀測對比分析

胡文鵬

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500)

0 引言

條帶開采作為采出“三下”壓煤的重要途徑之一，由于其成本低廉，技術(shù)簡單，并能夠有效地控制地表沉陷和移動，保護(hù)地面建筑物，在我國礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用。條帶開采煤柱的穩(wěn)定性及覆巖運動關(guān)系到地表建筑物等的安全，因此確定合理的采留比對于控制地表運移，保障地表設(shè)施、田地、河流、交通具有重要的意義[1-2]。

由于礦山地質(zhì)的復(fù)雜性和巖體的特殊性，條帶開采引起的覆巖及地表移動和破壞機理比較復(fù)雜，上覆巖層的破壞和移動是自下而上逐漸發(fā)展的過程，并且受多方面因素的影響[3]。上覆巖層的破壞過程不但是一個連續(xù)移動變形的過程，更是一個巖體不斷破碎、斷裂發(fā)展的過程。可見，要揭示覆巖運動及地表移動規(guī)律，必須深入研究條帶開采過程中覆巖破壞及移動與地表移動的特征，而數(shù)值模擬方法可快捷方便地對條帶開采的各影響因素對覆巖破壞移動規(guī)律的作用關(guān)系進(jìn)行研究，模擬結(jié)果直觀性強，在礦山開采沉陷工程覆巖破壞及地表移動規(guī)律研究中具有較好的適用性和廣泛性，但在數(shù)值模擬過程往往不能夠完全真實地反映煤層覆巖狀態(tài)，難免出現(xiàn)模擬結(jié)果與實際有誤差，本文圍繞某礦條帶開采條件(煤柱尺寸為80 m，采寬100 m)對地表的影響進(jìn)行模擬與地表測量數(shù)據(jù)對比，為最終確定合理采留比提供參考[4-5]。

1 工程概況

工作面揭露主要煤層為二迭系山西組的3上煤層。根據(jù)工作面順槽實際揭露資料和鉆孔柱狀資料，二迭系山西組的3上煤層為黑色，以鏡煤、亮煤為主，平均煤厚5 m，煤層傾角平均5°，可采系數(shù)95%，條帶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，屬于簡單結(jié)構(gòu)。工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，接近切眼段煤層傾角較大，本工作面與相鄰工作面較近，頂板裂隙比較發(fā)育。

煤層頂?shù)装鍘r性，見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 條帶開采地表運移規(guī)律的數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

為了研究不同采出率對條帶開采覆巖運動及地表移動規(guī)律的影響，為使各個方案的模擬結(jié)果有可比性，在進(jìn)行某個影響因素的分析時，保持其他各影響因素相同。根據(jù)模擬的目的制定如下模擬方案。

設(shè)煤柱的寬度為80 m(礦方實際煤柱寬度)不變，改變采出條帶的寬度，采出條帶的寬度分別為60 m、80 m、100 m、120 m，共建立4個模型，這4個模型的采深均為500 m(煤層實際埋深)，采厚為5 m，煤層按水平煤層計算，每個方案均開采3個條帶，方案編號為：方案一、方案二、方案三和方案四。

各個方案的邊界條件，巖石力學(xué)參數(shù)等其他條件保持相同。

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果分析見表2。

根據(jù)模擬結(jié)果，給出方案一～方案四地表下沉曲線圖及水平移動曲線圖，分別如圖1、圖2所示。

由地表下沉曲線圖1、水平移動值圖2可知，留設(shè)煤柱的寬度為80 m，在采寬分別為60 m和80 m時，采出率比較小，地表下沉曲線比較平緩，隨著采寬的增大，地表下沉曲線變的相對較陡。同樣，在采出率較小時，地表水平移動值較小，隨著采出率的增加，水平移動值明顯增大，并且隨著采出率的增加，地表下沉值及地表水平移動值的增幅更大。

圖2 采出率不同時地表水平移動曲線圖

采區(qū)寬度的不同代表著采動程度的不同，采區(qū)寬度較小時，往往表現(xiàn)為非充分采動，此時地表下沉值未達(dá)到最大值；隨著采區(qū)寬度的增加，采動程度逐漸接近充分采動，有時會達(dá)到超充分采動，這時的地表下沉值達(dá)到最大值，不再隨采區(qū)寬度的增加而增加。

3 地表變形觀測與對比分析

為了解決數(shù)值模擬所采用地質(zhì)資料的礦井正確的選擇條帶的采留、寬問題以及觀測開采過程中及開采結(jié)束后地表移動變形情況，合理優(yōu)化開采方案，檢驗地表移動數(shù)值模擬值的正確性，根據(jù)該礦的開采實際及要求，在該采區(qū)上方布置地表巖移觀測站，沿條帶采區(qū)正上方沿走向布置一條觀測線，分析總結(jié)該礦開采引起的地表變形規(guī)律，以指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)，依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行了比較細(xì)致的觀測；通過對測區(qū)地表觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)礦井生產(chǎn)設(shè)計，得出煤礦開采引起的地表變形對地表建(構(gòu))筑物的損壞程度等級，以便對井田范圍及周邊的地面設(shè)施進(jìn)行合理保護(hù)或搬遷避讓。

3.1 地表移動觀測站布設(shè)及觀測方法

本次地表移動觀測線設(shè)在條帶開采采區(qū)工作面的近正上方，為走向觀測線，觀測線長度為990 m，全線共布設(shè)34個測點，點間距為30 m，觀測點布置圖如圖3所示。觀測點編號從東自西起連續(xù)編號，此觀測線基本為一條直線，觀測線橫跨3條工作面，根據(jù)已有的資料表明相鄰工作面的開采對該觀測站產(chǎn)生的影響很小，因此觀測站位置較為理想。

圖3 觀測點布置圖

3.2 觀測結(jié)果分析

觀測數(shù)據(jù)：每次觀測結(jié)束后，檢查觀測數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)符合《煤礦測量規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，然后進(jìn)行改正計算和平差計算，使觀測結(jié)果比較準(zhǔn)確。在該采區(qū)，所采用的開采設(shè)計是留設(shè)煤柱80 m，采出條帶寬度為100 m，即模擬中方案三所采用的留寬和采寬，共采出3個條帶，觀測站對各觀測點進(jìn)行了10次觀測。此采區(qū)工作面于2015年12月已經(jīng)回采結(jié)束，到2017年1月18日，地表下沉進(jìn)入穩(wěn)定階段，由此可得到最終的地表移動規(guī)律。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)計算出地表下沉值與水平移動值，其中第10次測量得到的地表下沉值與水平移動值，見表3。

m次觀測時n點的下沉：

Wn=Hn0-Hnm

(1)

式中：Wn—n點的下沉值，mm；Hn0、Hnm—分別為首次和m次觀測時點的高程，mm。

n號點的水平移動：

Un=[(Xnm-Xn1)×cosα+(Ynm-Yn1)×sinα]×1 000

(2)

式中：Un—n號點的水平移動，mm；(Xnm，Ynm)—m次觀測時n點的坐標(biāo)；(Xn1，Yn1)—第一次全面觀測時n點的坐標(biāo)；α—水平移動方向的方位角。

表3 觀測點觀測數(shù)據(jù)

曲線對比：將第10次所測數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL，得到兩者的地表下沉曲線和水平移動曲線，與模擬所得數(shù)據(jù)作對比，如圖4，圖5所示。

圖4 地表下沉曲線

圖5 地表水平移動曲線

3.3 模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)對比

在采寬為100 m，留寬為80 m時，數(shù)值模擬地表最大下沉值為323 mm，最大水平移動值為89 mm，而實際觀測最大下沉值為386 mm，最大水平移動值120 mm，數(shù)值模擬結(jié)果比實際數(shù)據(jù)要小，誤差主要由建模過程中對巖層參數(shù)簡化造成的。數(shù)值模擬在對地質(zhì)條件作了部分簡化，去除了部分較薄的軟弱巖層，使得上覆巖層中的堅硬巖層所占比例增加，有利于控制地表的下沉與移動，形成數(shù)值模擬結(jié)果比實際數(shù)據(jù)要小的這種情況，但差距不大。

條帶開采工作面觀測站走向線下沉水平移動和水平變形曲線的發(fā)育規(guī)律符合開采沉陷的一般規(guī)律。根據(jù)地表移動規(guī)律分析，截止工作面結(jié)束工作面開采未達(dá)到充分采動。

4 結(jié)論

(1)觀測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)相對比，采用FLAC3D預(yù)計地表下沉和水平移動值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相差不大，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)計開采引起的地表下沉與變形，證明數(shù)值模擬是一種可靠的研究手段。

(2)通過對觀測數(shù)據(jù)的分析，得出地表下沉和移動的一般規(guī)律，地表下沉曲線以最大下沉點對稱，地表變形曲線各點的移動指向最大下沉點。