采動影響下條帶開采方案數值模擬分析

2011-10-26 03:27:38文金萍安徽理工大學能源與安全學院232001江西工業工程職業技術學院337055

中國科技信息 2011年8期

文金萍 1. 安徽理工大學能源與安全學院 232001； 2. 江西工業工程職業技術學院 337055

采動影響下條帶開采方案數值模擬分析

文金萍1,21. 安徽理工大學能源與安全學院 232001； 2. 江西工業工程職業技術學院 337055

針對新集一礦150603工作面地質采礦條件，提出了三種條帶開采方案，并利用FLAC5.0數值模擬軟件對這三種開采方案的覆巖下沉量、條帶煤柱彈性區寬度、煤柱應力集中程度進行了數值分析，結果表明：采用方案1，即采寬50m，沿采空區側預留135m的條帶煤柱，地表下沉量較小，地表不出現非均勻波浪形下沉盆地，煤柱中彈性區寬度越大，應力集中程度越小，煤柱越穩定。

條帶開采；覆巖；穩定性；彈性區；數值模擬

1、概況

我國礦區村莊密集，搬遷費用巨大，為解放村莊下壓煤，條帶開采作為一種減少地表沉降的特殊采煤法得到了普遍的應用，自撫順勝利煤礦1967年利用充填條帶法進行市區下采煤以來，已先后在撫順、阜新、蛟河、峰峰、鶴壁、平頂山、徐州等多個礦區進行了條帶開采的試驗與實踐，創造了巨大的社會和經濟效益[1-4]。國投新集能源股份有限公司新集一礦150603工作面開采煤層為6煤，煤層平均厚度為3.4m。開采原則為地面建筑物、構筑物達到“不搬遷、不破壞、不賠償”的“三不”原則，地表水平變形控制在0.5mm/m以內。為了將開采沉陷對建筑物的影響降低到最低程度，本文采用FLAC5.0數值模擬軟件對150603工作面不同條帶開采方案下的地表沉陷、煤柱穩定性作出了預測。

2、試驗工作面開采條件

150603 工作面位于一水平5采區，是5采區6煤層第三個綜采工作面，該工作面東臨150802工作面于2006年12月收作，南臨煤層淺部露頭，西臨南東翼邊界軌道上山，北臨150803、150805、150807、150605、150607、151105、151107采空區。工作面內煤層走向90°～120°，傾向0°～30°，傾角2°～17°，平均5°；煤層厚度0.36～4.37m，平均煤厚3.42m。工作面設計平均走向長約480m，平均傾向長約185m，平均斜面積88608m2；工作面采用走向長壁垮落采煤法，綜合機械化采煤。

3、條帶開采方案設計

確定采寬與留寬(采留比)是條帶開采設計的核心內容，也是決定地表減沉效果、煤層采出率和礦井經濟效益的關鍵[5,6]。在確定條帶尺寸時，應遵循兩條原則：一是開采后條帶煤柱應有足夠的強度和穩定性，以承受覆巖重力從而達到減少地表移動與變形的目的；二是開采后采出條帶寬度應限制在保證地表不出現非均勻波浪形下沉盆地。

結合新集一礦150603工作面地質采礦條件，并根據以上條帶開采理論，最終選取走向條帶開采方案。采留比尺寸見表1，走向條帶開采設計方案1如圖1所示。

表1 走向條帶最小煤柱留寬計算結果

圖1 走向條帶采1留1開采方案

4、模型的建立

采用FLAC5.0數值模擬軟件對150603條采面進行了模擬研究，分析了不同開采方案對建筑物的影響程度和條帶煤柱的穩定性，研究村莊下采煤的可行性。

4.1 數值模型

模型范圍為：420m×180m，橫向上左右100m，2m一格，共100格，中間220m，1m一格，橫向總計320格，縱向上有12層巖層，每層結構面取一格共11格，這樣縱向總計104格。模型總共為320×104=33280個單元格。材料本構模型為摩爾-庫倫模型[7]。

4.2 模擬步驟

依照井下開采順序進行模擬，第一階段對150805工作面進行了開挖，并計算平衡；第二階段對150605工作面進行了開挖，并計算平衡；第三階段根據150603條帶工作面三種開采設計方案分別進行了模擬試驗。

5、條帶開采模擬結果分析

5.1 覆巖下沉量對比研究

根據新集一礦150603工作面走向條帶開采三種設計方案，分別進行數值模擬研究，為了獲得由150603條采回采引起的地表下沉量增量，首先對這三種情況下覆巖下沉量進行提取，然后再減去150605工作面回采后覆巖下沉量，便可得到由150603條采面回采引起的地表下沉量，如圖2所示。方案1（采1留1），覆巖最大下沉值為57.8mm，距左側邊界120m，發生在150603條采面采空區的中部。方案2（采1留2），覆巖最大下沉值為77.6mm，距左側邊界200m，也發生在150603條采面采空區的中部。方案3（采2留2），覆巖最大下沉值為73.1mm，距左側邊界190m，發生在150603條采面左側第一個煤柱上。可以看出，由于條帶開采方案的不同，覆巖下沉量不同，最大下沉量的位置也不盡完全相同。其中方案1覆巖下沉量最小。三種開采方案上覆基巖下沉曲線只出現一個峰值，表明地表不出現非均勻波浪形下沉盆地。

圖2 上覆基巖下沉量對比曲線

5.2 條帶煤柱穩定性研究

5.2.1 條帶煤柱塑性區演化情況

條帶開采通過預留設煤柱支撐頂板，按所處狀態不同，煤柱可分為邊緣的極限平衡區（塑性區）和中心的彈性核兩部分，極限平衡區內由于產生大量次生采動裂隙，一般認為塑性區是不穩定的，容易發生失穩，而煤柱中心彈性區煤體則不同，這部分煤體呈三向受壓狀態，具有穩定的承載能力。所以，為了保障安全，可以認為在留設煤柱中，為支撐頂板所需要的煤柱寬度，應為扣除兩側的塑性區后，所剩下的煤柱中心的彈性區寬度。表2為150603條采面三種開采方案彈性區寬度，150603工作面面寬185m，減去采寬，再減去煤柱兩側的塑性區，便可得到彈性區寬度，方案1彈性區寬度最大，為125m，而方案3采寬最大，煤柱留設小，而且數量多，彈性區寬度最小。

表2 150603工作面三種開采方案彈性區寬度

5.2.2 條帶煤柱支承壓力分布特征

150603 條采面主要通過在150605面一側留設煤柱支撐頂板，煤柱中應力集中程度越高，煤柱越容易失穩，因此對煤柱應力分布進行了研究，圖3是三種開采方案煤柱應力分布圖，其中方案1煤柱寬135m、方案2煤柱寬67.5m、方案3煤柱57.5m，可以看出煤柱越窄，距150605采空區越近，受150605面采動影響越大，應力集中程度越高。