連續采煤機短壁機械化開采條件下地表沉陷分析研究

畢建國

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原030006）

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連續采煤機短壁機械化開采條件下地表沉陷分析研究

畢建國

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原030006）

摘要：基于工作面的工程地質、巖土體的物理力學指標和短壁開采的特點，在工作面回采過程中對地表進行下沉監測，并利用FLAC3D軟件進行相應的數值模擬，將工程實測和數值模擬的結果進行驗證分析，得出連續采煤機短壁機械化開采條件下地表沉陷規律。

關鍵詞：短壁機械化開采；工程實測；數值模擬；地表沉陷

近十幾年來，煤礦開采過程中很多煤礦遺留了大量的邊角煤柱、不規則塊段煤和復雜難采區域煤量以及“三下”壓煤等煤炭資源，滯留的這些資源若不能安全高效的采出，將會造成煤炭資源的嚴重浪費，因此，如何安全高效的采出這些煤炭資源已成為煤炭開采技術研究的重點。連續采煤機短壁機械化開采在開采邊角煤、不規則塊段以及“三下”壓煤資源具有自身的優勢，近幾年來此項開采技術正在不斷得到應用和推廣，但是煤炭資源的回采勢必會造成地表出現不同程度的沉陷，因此，深入研究和分析連續采煤機短壁機械化開采條件下的地表沉陷規律，對保證工作面安全開采和保護地面建（構）筑物具有重要的意義。

1　工程概況

中煤平朔24206邊角煤工作面位于24206綜放工作面停采線與4號煤開拓大巷之間，工作面形狀為一不規則多邊形，工作面長度為467 m，回采面積51 427 m2。24206邊角煤短壁工作面所采煤層為石炭系上統太原組4-2號煤層，煤層產狀平緩。裂隙較發育，煤層平均厚度為4.47 m，傾角1.5°～6.5°，平均2.2°。煤層發育穩定，硬度系數f =2～3。4-2號煤呈黑色，玻璃、瀝青光澤，半光亮型煤，以亮煤為主。4-2號煤層直接頂為4-1號煤與4-2號煤層間的夾矸，巖性為深灰色粉細砂巖，局部灰黑色，成分以石英為主，長石次之，厚度為0.95 m～1.79 m，平均厚度1.29 m；4-1號煤層位于4-2號煤層直接頂上部，煤層厚度0～9.2 m，平均厚度4 m，煤層呈黑色，斷口平整，內生裂隙發育，玻璃、瀝青光澤，以亮煤為主，暗煤次之，暗淡型煤、半亮型煤，煤層上部多為風氧化煤。4-1號煤層直接頂為K3標志層，中粗砂巖灰白色，成分以石英、長石為主，節理發育，局部見少量綠色礦物及白云母，較堅硬。其上為中砂巖、細砂巖、砂質泥巖。老頂為細砂巖，以灰色為主，間夾黃色或褐色，局部夾泥質，斜層理，局部水平層理。4-2號煤底板為深灰色粉砂巖，成分以石英長石為主，平行層理，見有植物根化石，含團塊狀黃鐵礦。巖土體物理力學指標如表1所示。

表1　巖土體物理力學指標

2　工程實測

在短壁回采工作面相對應的地面設立監測監測線和監測點，利用先進的監測儀器對地面下沉量進行實時監測，同時利用FLAC3D軟件進行數值模擬，模擬出所選監測點的沉陷盆地，并得出模擬條件下的最大下沉值，驗證實測結果與模擬數值的對應性。

選取坐標為（80,90,0）監測點為考察點，隨著工作面的不斷回采，對此點的下沉數值進行實時監測，并繪制該監測點的下沉曲線，該監測點的監測曲線見圖1。

圖1　坐標（80，90，0）監測點下沉曲線圖

利用FLAC3D軟件對此監測點的下沉情況進行數值模擬，獲得該監測點的下沉云圖，見圖2。

圖2　坐標（80，90，0）監測點下沉云圖

為了驗證監測數據和數值模擬的吻合性，基于相應的力學模型和計算公式，帶入相應的參數數值計算出的該監測點的最大下沉值為1 770.5 mm，通過下沉曲線可得最大下沉值為1 768 mm，計算結果和監測數值基本吻合。

3　沉陷規律分析

根據24206短壁開采工作面的工程地質條件及相應的參數數值，利用FLAC3D數值模擬軟件進行回采模擬，建立三維地質模型，見圖3。

圖3　三維地質模型

利用所建立的三維地質模型，分別對開采不同支巷的情形進行模擬，分析回采時的水平等值線和下沉等值線。圖4為水平移動數值模擬圖，圖5為下沉數值模擬圖。

圖4　水平移動數值模擬

圖5　下沉數值模擬

通過以上的數值模擬分析可知，在短壁開采條件下的地表沉陷規律和綜采有很大的區別，在短壁開采條件下留設煤柱能夠顯著減緩地表下沉，最大下沉量、最大傾斜、最大曲率、最大水平移動和最大變形都要比綜采條件下要小，而且沉陷邊界不規則；隨著回采工作的不斷推進，最大變形值逐漸增大并在到達臨界開采時趨于穩定，采空區面積不斷增大，沉陷范圍也相應增大，但沉陷數值不會發生變化，沉陷形態經歷了“漏斗型-碗型-盆地型”的變化過程。

4　結論

通過相應的理論計算和工程實測對工作面回采過程中地表監測點的下沉數值進行計算和監測，兩者數值基本吻合。

通過詳細的數值模擬分析可知，短壁開采條件下最大下沉量、最大傾斜、最大曲率、最大水平移動和最大變形都要比綜采條件下要小，且沉陷形態經歷了“漏斗型-碗型-盆地型”的變化過程。

參考文獻：

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（編輯：劉新光）

Analysis on Surface Subsidence of Short-wall Mechanized Mining with Continuous Miner

BI Jianguo
(Taiyuan Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan 030006, China )

Abstract:According to engineering geology of working face, physical mechanic index of rock- soil mass, and features of short- wall mechanized mining, surface subsidence was monitored in the mining process. The results, from engineering detection and numerical simulation with FLAC3Dsoftware, were tested and analyzed to determine the surface subsidence law caused by the short- wall mechanized mining with continuous miners.

Keywords:short- wall mechanized mining; engineering detection; numerical simulation; surface subsidence

作者簡介：畢建國（1985-），男，山東萊蕪人，碩士，工程師，從事連續采煤機短壁機械化開采技術及煤礦綠色開采方面的研究工作。

收稿日期：2015- 10- 14

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.004

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0012- 03

中圖分類號：TD421.6+5；TD325+.4

文獻標識碼：A