趙 柯

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 介休 032000)

0 引言

我國(guó)現(xiàn)階段煤炭資源的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)由東部不斷向西北移動(dòng)，陜北淺埋煤層的開(kāi)發(fā)日益擴(kuò)大，導(dǎo)致了開(kāi)發(fā)區(qū)域的地表沉陷、山體滑坡以及地表水土流失的環(huán)境破壞日益加劇，使得當(dāng)?shù)卦敬嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境更加嚴(yán)峻。陜北煤層主要的賦存情況為埋藏淺、薄基巖、厚松散層[1]，為了保證地表建筑(構(gòu))物以及水資源不受影響，該地質(zhì)結(jié)構(gòu)想要提高采出率，地表沉陷現(xiàn)象必然加劇，因此研究采出率對(duì)地表沉陷的影響是很有必要的。

針對(duì)煤炭開(kāi)采而引起的地表沉陷問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者們做了大量的研究。例如，孫健等[2]依據(jù)巖層控制理論，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)隔水層及上方黏性土層穩(wěn)定性力學(xué)判據(jù)，分析條帶充填覆巖隔水層穩(wěn)定性影響因素。崔希民等[3]討論了開(kāi)采沉陷的主要影響因素、預(yù)計(jì)參數(shù)的確定和預(yù)計(jì)誤差，強(qiáng)調(diào)了預(yù)計(jì)誤差和擬合誤差的區(qū)別。從現(xiàn)有預(yù)計(jì)方法存在的不足中提出了開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)存在的問(wèn)題和今后的研究方向。董羽等[4]通過(guò)理論計(jì)算充填體荷載及強(qiáng)度，分析充填體的穩(wěn)定性；根據(jù)條帶開(kāi)采后巖層移動(dòng)情況確定預(yù)計(jì)參數(shù)，采用概率積分法計(jì)算充填回采后地表移動(dòng)與變形。白二虎等[5]采用理論分析與相似模擬相結(jié)合的研究方法，以具體的煤礦為工程背景給出了條帶開(kāi)采的采留寬、沿空留巷的巷旁充填寬度和充填率的確定原則，分析了巷旁充填體提升條帶煤柱穩(wěn)定性的作用原理及置換煤柱開(kāi)采的覆巖穩(wěn)定性。賀強(qiáng)等[6]基于淺埋煤層開(kāi)采下的地表沉陷控制理論及控制方法，提出不同開(kāi)采方法相結(jié)合的開(kāi)采模式。以關(guān)鍵層理論為依據(jù)，試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，并結(jié)合數(shù)值模擬分析，研究了不同采-留-充相結(jié)合的開(kāi)采方法對(duì)該礦區(qū)地表沉陷的控制作用。黃慶享等[7]根據(jù)特殊保水開(kāi)采區(qū)典型條件，提出了條帶充填隔水巖組彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型，給出了充填條帶壓縮量和隔水巖組的撓度計(jì)算公式，確定了下行裂隙的位置和發(fā)育深度，提出了合理的充填間隔寬度和充填條帶寬度計(jì)算方法。于洋等[8]研究了煤柱在地下水、風(fēng)化作用等多種因素的作用下會(huì)發(fā)生剝離和尺寸縮減，使煤柱發(fā)生漸進(jìn)性失穩(wěn)破壞的影響因素，討論了采出率、地表沉陷控制和安全系數(shù)的協(xié)同關(guān)系。數(shù)值模擬計(jì)算是采礦工程研究的有效手段，通過(guò)數(shù)值模擬可以清楚地來(lái)研究煤炭開(kāi)采而引起的地表沉陷問(wèn)題[9-10]。劉洋等[11]使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，并且通過(guò)分析和計(jì)算得出了應(yīng)力集中區(qū)域，從而判定了沖擊危險(xiǎn)性。楊永杰等[12]研究了含水率對(duì)條帶煤柱蠕變特性的影響，得出含水率對(duì)煤樣蠕變特性具有明顯的影響，含水率越大，煤樣的蠕變變形量越大，其蠕變門檻值、蠕變強(qiáng)度及蠕變系數(shù)越低。采用改進(jìn)的Burgers模型能夠較好地描述煤的蠕變力學(xué)特性并且以蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同含水率條帶煤柱的蠕變特性及穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析。張藝凡等[13]采用數(shù)值模擬方法，模擬了不同坡度下的地表移動(dòng)變形，總結(jié)巖體在不同坡度下的移動(dòng)變形特征。

為了使煤炭開(kāi)采能在一個(gè)安全、高效、合理的過(guò)程中進(jìn)行，研究煤礦采出率是非常必要的[14]。以榆林某礦為工程背景，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬不同采出率下的地表沉陷情況，并且在模型地表布置測(cè)點(diǎn)，通過(guò)收集地表位移數(shù)據(jù)，得到地表下沉、地表水平和曲率曲線圖，進(jìn)而對(duì)地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析和研究。

1 采出率及采、留寬的選取

1.1 工程概況

以榆林市榆陽(yáng)區(qū)某煤礦為工程背景。該礦開(kāi)采方式為條帶開(kāi)采，礦井主采3號(hào)煤層，302盤區(qū)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，在工作面范圍內(nèi)，巖層與煤層為近水平，平均厚度5.34 m。巖性以中細(xì)粒砂巖為主，粗砂巖次之。巖石較為堅(jiān)硬，強(qiáng)度較大。煤層埋藏較淺，基巖比較薄、松散層厚度較大。

1.2 采出率及留寬計(jì)算

根據(jù)單向應(yīng)力法計(jì)算條帶煤柱的安全性計(jì)算公式[15]

(1)

式中，γ為上覆巖層的平均容重，g/cm3；a為保留條帶(礦柱)的寬度，m；b為采出條帶寬度，m;Pd為礦柱實(shí)際承擔(dān)的平均載荷，MPa。

礦體的強(qiáng)度Rc按經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定，經(jīng)驗(yàn)公式為

Rc=7.18a0.46M-0.66

(2)

式中，a為保留條帶(礦柱)的寬度，m；M為礦柱的高度，m。

條帶煤柱穩(wěn)定性的安全系數(shù)Sf應(yīng)滿足

(3)

計(jì)算煤柱的核區(qū)率

(4)

式中，rp為煤柱屈服寬度，m；T為煤柱高度，m；d為開(kāi)采擾動(dòng)因子，取1.5～3.0；β為屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)；C為煤層與頂?shù)装褰佑|面的粘聚力，MPa；φ為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角，(°)；σzl為煤柱極限強(qiáng)度，MPa；Px為煤壁的側(cè)向約束力，MPa；a為煤柱寬度，m。

根據(jù)地質(zhì)資料以及經(jīng)驗(yàn)求得參數(shù)，煤柱高度T=5 m；開(kāi)采擾動(dòng)因子d=2.0；屈服區(qū)與核區(qū)界面處的測(cè)壓系數(shù)；β=0.3；煤層與頂?shù)装褰佑|面的粘聚力C=0.8 MPa；煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角φ=15°；煤柱極限強(qiáng)度σzl=8 MPa；煤壁的側(cè)向約束力Px=1 MPa。

(5)

式中，ρ為核區(qū)率。

根據(jù)式(4)(5)可以分別計(jì)算出不同采出率Sf、ρ值及采留寬度，見(jiàn)表1。

表1 不同采出率Sf、ρ值

由表1可以看出不同采出率的安全系數(shù)Sf均大于1，核區(qū)率ρ基本滿足≥65%的要求，并確定采留寬度。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

以3號(hào)煤層為研究對(duì)象，建立FLAC3D模型，模型的尺寸為長(zhǎng)360 m、寬100 m、高205 m；煤巖層位根據(jù)表2的煤巖土層巖性及力學(xué)參數(shù)進(jìn)行布置，模型頂部為自由邊界，模型其余邊界進(jìn)行位移約束。模型初始平衡采用摩爾-庫(kù)侖模型進(jìn)行計(jì)算模型。在模型上邊界從左邊開(kāi)始沿走向主斷面每隔10 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，其開(kāi)挖簡(jiǎn)圖如圖1所示。

表2 煤巖土層巖性及力學(xué)參數(shù)

圖1 不同采出率開(kāi)挖簡(jiǎn)圖

2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)走向主斷面布置觀測(cè)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，見(jiàn)表3。

表3 不同采出率的極值

2.2.1 不同采出率地表移動(dòng)

由圖2～5各曲線圖中可以看出在采出率大于50%之后4個(gè)指標(biāo)的極值明顯增大，造成這個(gè)結(jié)果的原因是由于留設(shè)煤柱尺寸減小，塑性區(qū)增加。

圖2 不同采出率下沉曲線

2.2.2 采出率與地表移動(dòng)變形關(guān)系

通過(guò)分析可以得到不同采出率對(duì)地表的下沉、水平移動(dòng)、曲率、傾斜極值均隨采出率的增加呈非線性不斷增加，通過(guò)不同采出率與地表移動(dòng)變形關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得出采出率與各個(gè)指標(biāo)極值均呈冪函數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)，具體關(guān)系如圖6～9所示。各擬合曲線圖中可以看出采出率隨各個(gè)指標(biāo)參數(shù)數(shù)值的增大而增大，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)。

圖3 不同采出率水平移動(dòng)曲線

圖4 不同采出率地表曲率曲線

圖5 不同采出率地表傾斜曲線

圖6 采出率與下沉(w)關(guān)系

圖7 采出率與水平移動(dòng)(u)關(guān)系

圖8 采出率與曲率(k)關(guān)系

圖9 采出率與傾斜(i)關(guān)系

3 結(jié)論

(1)隨著采出率的增加，對(duì)應(yīng)的地表移動(dòng)變形值也隨之增大，當(dāng)采出率大于50%時(shí)，各地表移動(dòng)變形加劇，原因是留設(shè)煤柱尺寸減小，塑性區(qū)增加。

(2)通過(guò)分析可知采出率對(duì)地表移動(dòng)極值有較大影響，地表的下沉值、水平移動(dòng)、曲率、傾斜極值與采出率呈非線性關(guān)系，并給出相應(yīng)的表達(dá)式。

(3)研究成果表明，該礦的采出率為50%較為合理，能保證該礦井建筑物安全開(kāi)采，研究成果也為該礦區(qū)研究條帶開(kāi)采提供了科學(xué)依據(jù)。