房式開采煤柱回收時地表移動模擬研究

江東海

（山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590）

房式開采煤柱回收時地表移動模擬研究

江東海

（山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590）

許村煤礦即將布置的工作面是為回收舊房式開采所遺留的煤柱，條件比較復雜。運用有限差分軟件FLAC3D模擬分析了在回收煤柱時所引起的地表移動過程，通過提取和分析數據，得出最大下沉點位于采空區中心上方的地表處，最大下沉量為120mm，煤柱全部回收時所引起的地表移動范圍為736m×610m，因此，在修建地面構筑物時，應盡量避免在此地表移動范圍之內。

房式開采；煤柱回收；殘煤復采；數值模擬；地表移動；地面構筑物

1 引言

近年來，隨著煤礦開采強度、深度的不斷增加，我國的礦井可采儲量日益減少，很多礦井面臨關閉或是進入衰老期［1］。然而很多煤礦以前采取舊式的房式采煤法，資源的回收率僅為10%～30%左右，與國際上一些產煤國家的回收率在60%以上相比，資源浪費相當嚴重［2］。為延長礦井的服務年限，充分利用資源，很多煤礦對殘留的煤炭資源進行回收工作（簡稱“殘煤復采”）。

山西梅園許村煤礦是一兼并重組整合礦井，其2號煤層除井田中北部采用長壁式采煤方法回收率較高外，井田其它區域為原兼并重組煤礦的回采區域，由于采用舊式房柱式回采或者一些主客觀因素的原因，區域內煤炭資源回采率較低，從前期鉆探資料分析，區域內煤炭回收率僅達20%～30%，因此要對其進行回收，運用有限元差分軟件FLAC3D對房式開采煤柱回收時地表的移動進行模擬研究，為煤炭回收時地面構筑物的修建以及保護提供一些參考［3］。

2 地質采礦條件簡介

以許村煤業即將布置的復采工作面為原型，根據工作面附近的鉆孔資料及實際勘察可知，該工作面覆巖厚度為158.68m，從上至下依次為：砂、卵礫石層約為5m，亞砂土、粘土層約為36m，砂質泥巖、泥巖為45.39m，細砂巖、粉砂巖為41.76m，中砂巖、泥巖為30.53m。所要復采的2號煤層，平均煤層厚度約為1.2m，傾角為2°～9°，屬于近水平開采煤層，煤層頂板為砂質泥巖與中細粒砂巖混層，底板為炭質泥巖，煤層結構布局較簡單，含0～1層矸石，雖然偶爾存在斷層，但是斷層落差都比較小，對殘煤復采工作面不會構成太大的影響。

3 工作面概況

該工作面走向長度約為300m，傾斜長度約為126m，區域內地面標高在798～819m之間，工作面標高在653～665m之間。回采工作面布置巷道穿過原小煤窯煤層舊采遺留區域，舊采區域較多采用刷擴巷道兩幫等落后采礦方式。根據物探揭露巷道調查的情況，殘煤復采區域內有小煤窯所使用舊巷以及所遺留煤柱。現回采工作面內采取老式房式開采已開采9個煤房，每個煤房寬6m，剩余8個煤柱需要回收，煤柱尺寸為9m×9m。推進速度平均為3m/天，采用傾斜長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。

4 數值模擬計算

有限元差分軟件FLAC3D可以模擬材料的屈服，塑性流動，軟化直至大變形等問題，尤其在材料的彈塑性分析，大變形分析以及模擬施工過程等領域有獨到的優點［4］，尤其是達到屈服極限時的塑性流變特性，廣泛應用于邊坡穩定性評價、支護設計及評價、地下洞室、施工設計（開挖、充填等）、河谷演化進程再現、拱壩穩定分析、隧道工程、礦山工程等多個領域［5］。

該模擬以即將布置的回采工作面為原型，建立數值計算的模型，設煤層的走向為X方向，煤層傾向為Y方向，煤層埋深為Z方向。計算模型尺寸為492m×390m×163.2m，一共建立了90900個單元體和99313個節點，模型取煤巖層一共10層，其中煤層上覆巖層有8層。煤層厚度為1.2m，煤層屬近水平煤層，為方便進行模擬，煤層傾角取為0°，FLAC3D生成的模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D生成的計算模型

模型確定后，先進行房式開采，經過2762步計算后，模型達到平衡狀態。模型的走向開采長度為300m，傾向開采長度為126m，在計算過程中以回采1個煤柱為1個開采循環，回收工作面內的所有煤柱需要進行20個循環。數值模擬所需要的力學參數如表1所示。

表1 巖石力學參數

本次模擬的主要目的是獲得地表移動位移的大小以及范圍［6］，因此在采空區中心的走向主斷面對應的地表布置28個測點，在傾向主斷面對應的地表布置24個測點，監測在模擬回采過程中地表移動的位移量，主斷面監測點的布置如圖2所示。

圖2 主斷面監測點布置

5 模擬數據分析

將走向主斷面以及傾向主斷面在回采第5次，第10次，第15次，第20次時監測的地表下沉量提取出來，分別繪制成圖3和圖4。

圖3 走向主斷面上地表下沉曲線圖

圖4 傾向主斷面上地表下沉曲線圖

由圖3和圖4可知，隨著回采次數的增多，地表下沉量逐漸增大，最大下沉量的位置隨著回采向前移動，地表下沉的范圍也逐漸增大。工作面全部回采完后，最大下沉量的位置位于采空區中心上方的地表處，大小為120mm。

地表下沉具有超前性。在回采煤柱時，工作面前方所對應的地表已經開始下沉變形，下沉范圍波及到下一個煤柱，一般超前工作面15～20m。

地表移動和變形都為零的邊界取為地表下沉的邊界，考慮到誤差，一般取下沉為10mm的點為邊界點［7］。將FLAC3D的模擬數據導入到Tecplot10軟件，得出地表下沉量的等值線圖，如圖5。

圖5 地表下沉量的等值線圖

結合圖5和建立的數值計算模型，經過計算得出，地表的沉陷范圍為736m×610m，在此沉陷范圍內，應盡量避免修建地面筑物。

6 結論

（1）用有限差分軟件FLAC3D來模擬房式開采煤柱回收過程中地表的移動過程是可行的，并能得出與實際相符的結論。

（2）房式開采煤柱回收時，工作面上方地表的傾向主斷面和走向主斷面上觀測線的監測點下沉量是逐漸增加的，不存在階梯狀下沉。

（3）在回收煤柱過程中，采空區中心上方的地表下沉位移量最大，從下沉中心到下沉邊緣下沉量逐漸減小，下沉曲線以下沉中心對稱。當煤柱全部回收之后，采空區中心上方的地表就是發生最大下沉值之處。

（4）通過數值模擬結合計算模型，能準確得出地表的移動范圍，為地表構筑物的修建以及保護提供參考。

［1］江東海， 張冬. 房式開采煤柱回收時工作面圍巖應力分布模擬［J］.煤礦安全， 2014， 45（2）：172-174.

［2］張小強. 厚煤層殘采后資源再回收的試驗與研究［D］. 太原：太原理工大學， 2011：1-3.

［3］江東海， 弓培林， 杜志鐸. 過空巷群殘煤復采液壓支架額定工作阻力確定［J］. 煤礦機械， 2015， 36（2）：210-212.

［4］孫邦賓， 關云飛， 唐彤芝， 等. 基坑開挖與土釘墻施工過程的數值模擬［J］. 南昌工程學院學報， 2007（6）：12-14.

［5］荊永濱， 王李管， 賈明濤， 等. 基于TetGen的復雜FLAC3D模型可視化建模方法［J］. 巖土力學， 2010（8）：2655-2660.

［6］劉玉成. 煤層開采地表移動過程的FLAC3D模擬研究［J］. 煤炭科學技術， 2012， 40（5）：93-95.

［7］何國清， 楊倫， 凌賡娣， 等. 礦山開采沉陷學［M］. 徐州：中國礦業大學出版社， 1991：79-80.

The Simulation Study of Earth's Surface Movement during the Process of Pillar Extraction in Chamber Mining

JIANG Dong-hai
（School of Mining and Safety Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China）

One of the Xucun mine's working face which is about to set is to recycle coal pillars that is left over in the old chamber mining.The condition is very complicated. This article analyzes the process of surface movement during the process of pillar extraction in chamber mining by the finite difference software. By extracting and analyzing the data， it is concluded that the largest subsidence point is located in the center of the earth's surface above thegoaf，and the largest subsidence is 120mm. When all of coal pillars are recycled，the range of earth's surface movement is 736m×610m. Therefore， building the abovegroundstructures should avoid as far as possible in the range of surface movement.

chamber mining；pillar extraction；residual coal repeated mining；numerical simulation；earth's surface movement；ground construction

TD323

A

1009-3842（2016）05-0035-03

2016-04-26

江東海（1987-），男，山東諸城人，在讀博士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制的研究。E-mail：489478723@qq.com