亭南煤礦村莊下寬條帶開采地表移動規(guī)律研究

余學(xué)義，劉傳杰

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

隨著我國煤炭開采信息化、綠色化進程的不斷加快，煤炭資源的儲量日益減少，三下壓煤成為限制我國煤礦可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1]。亭南煤礦4#煤層資源儲量為19543×104t，其中地表村鎮(zhèn)、公路、水庫等建筑設(shè)施壓覆煤炭約3916×104t，約占總儲量的20%，嚴(yán)重影響礦井正常的生產(chǎn)接續(xù)。因此，三下壓煤安全高效開采成為亭南礦區(qū)亟待解決的首要問題。此外，控制覆巖移動及地表沉陷是該礦面臨的另一關(guān)鍵問題，目前應(yīng)用于減損開采的方法主要有局部開采、充填開采、覆巖離層注漿、協(xié)調(diào)開采等[2]。條帶開采法屬于局部開采，此法可有效控制覆巖及地表移動變形、保護地表建(構(gòu))筑物，不僅有利于煤礦安全生產(chǎn)、提高煤炭采出率，還降低了生產(chǎn)成本、擴大了礦井經(jīng)濟效益，并為最大限度地減小開采損害提供技術(shù)保障[3]。近年來，高效減沉的寬條帶開采法正在被廣泛應(yīng)用到三下壓煤開采中來[4]。在寬條帶開采中開采參數(shù)設(shè)計是否合理成為寬條帶開采成功與否的一個重要指標(biāo)[5]。因此研究亭南煤礦寬條帶開采對地表建筑物的影響，對亭南煤礦后續(xù)工作面的開采具有重要意義。

1 地質(zhì)采礦條件

彬長礦區(qū)亭南煤礦地處隴東黃土高原東南部，屬于陜北黃土高原南部梁溝壑區(qū)的一部分，地表溝壑縱橫、梁塬破碎，地形起伏大，東西向溝谷發(fā)育，切割較深，形成溝谷梁峁相隔的地貌，觀測區(qū)塬面高程最大為+1190m，最小為+850m。塬面為村莊建筑物分布區(qū)與農(nóng)作物耕種區(qū)，溝坡部分呈陡峭崖壁或梯田形態(tài)，坡角一般在35～70，多由灌木植被覆蓋，地表條件復(fù)雜。侏羅紀(jì)延安組所含的4#煤層為該區(qū)主采煤層，煤層平均埋深在550m左右，平均傾角為5，平均厚度為9.10m，屬較穩(wěn)定厚煤層。覆巖中普遍賦存約200m厚的洛河組砂巖關(guān)鍵層，同時地表覆蓋有厚黃土層，地質(zhì)采礦條件特殊。

2 地表移動觀測

2.1 地表觀測站的布置

為了確保觀測線能夠有效監(jiān)測整個開采影響區(qū)域沉陷半盆地的地表移動變形情況，并得出該開采條件下地表巖移的相關(guān)參數(shù)，對該區(qū)域布設(shè)了多條觀測線，并進行長期大量的觀測。其中A線為布置在101工作面上方的傾斜觀測線(A1—A23)，用于觀測101工作面采后地表實時動態(tài)移動變形情況；M線(M1—M14)為布設(shè)在109與111工作面間的走向觀測線，用以觀測采后塬區(qū)及村莊地表的移動變形情況；Z線為位于101、109和111三個工作面之上的走向觀測線(Z0—Z14)，用來觀測不同采動程度對地表整體移動變形影響情況，詳情如圖1所示。

圖1 工作面布置及地表觀測線布置圖

2.2 地表移動規(guī)律分析

2.2.1 地表下沉分析

通過分析地表移動觀測數(shù)據(jù)可知，在101和103工作面間歇條采條件下，由于覆巖關(guān)鍵層中洛河組砂巖對地表移動變形的發(fā)展起著決定作用，地表的最大下沉量僅為100mm左右，地表下沉曲線基本呈巖梁撓度形態(tài)，為極不充分采動狀態(tài)，但采動影響范圍已經(jīng)接近充分開采條件下的影響范圍，說明極不充分開采時，開采面積的減小并不能有效限制地表沉陷盆地的范圍，而地表下沉盆地的水平移動范圍較下沉范圍大，其原因主要是由于在覆巖關(guān)鍵層的控制下堅硬厚巖層的撓曲變形使得地表水平移動范圍較下沉范圍大。在113和111工作面開采過后，地表最大下沉值達156 mm，屬非充分采動。當(dāng)109工作面回采過后，條帶開采已達到充分采動條件，煤柱在開采過程中發(fā)生了較大的塑性變形，在上覆厚黃土層的重力作用下洛河組砂巖發(fā)生了整體協(xié)調(diào)下沉，加之厚黃土層的采動特征不同于基巖關(guān)鍵層，具有松散介質(zhì)的流變性，使得地表下沉量明顯增加。此時109工作面地表移動尚處于活躍期，地表沉陷還將持續(xù)。地表下沉曲線如圖2所示。

圖2 Z觀測線下沉曲線圖

由Z7點的動態(tài)下沉曲線(圖3)可知，在101和103工作面開采后，Z7點的下沉值約為90mm；又經(jīng)受113和111工作面開采影響，該點下沉值達到182mm；當(dāng)109工作面回采過后，地表下沉大幅增加，達到302mm，說明大采深寬條帶開采符合充分和非充分采動地表移動規(guī)律，但地表移動變形量并非簡單的疊加，而與條帶開采范圍有密切關(guān)系。

圖3 Z7觀測點下沉曲線圖

2.2.2 水平移動與水平變形特征分析

由M觀測線數(shù)據(jù)可知：101—109工作面開采過程中地表水平移動由開采邊界向采空區(qū)中央先增大后減小，隨采動程度不斷擴大，水平移動值逐漸增大，分布在-56～75mm之內(nèi)，如圖4所示。由開采引起的水平變形基本在-1.2～1.5mm/m范圍之內(nèi)，其中位于邊界點和下沉拐點之間為拉伸變形，位于兩拐點之間為壓縮變形，如圖5所示。整體分析寬條帶開采對地表移動變形影響不大，該區(qū)域地表移動變形均在地表建筑物設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級變形保護范圍以內(nèi)[6]，村莊房屋建筑安全。

圖4 M觀測線水平移動分布圖

圖5 M觀測線水平變形分布圖

2.3 地表巖移參數(shù)分析

通過以上實測分析，結(jié)合工作面實際開采情況及經(jīng)驗公式可得巖層移動預(yù)計參數(shù)為：一盤區(qū)101、109—113工作面采動地表下沉系數(shù)為0.08；水平移動系數(shù)為0.13；主要影響角正切值為2.0，主要影響半徑為275m左右；根據(jù)拐點的下沉值約為最大下沉值的一半的特性，利用N、M觀測線下沉曲線圖確定拐點，得到拐點偏距為0.06H[7]。結(jié)合以往開采實踐證實在大采深條件下極不充分采動與充分采動條件下的影響范圍相近[8]。

3 條帶工作面開采參數(shù)理論分析

亭南煤礦一盤區(qū)的開采深度在450～550m，101、109—113條帶工作面開采寬度在90～120m。當(dāng)采寬與采深之比小于1/3時，屬于極不充分采動[9，10]。在該條件下分析條帶開采參數(shù)的合理性對該礦區(qū)后續(xù)工作面開采有一定的參考價值。

3.1 開采寬度分析

在條帶長壁開采工作面推進方向一般可達到充分采動甚至超充分采動，但沿工作面開采寬度方向為極不充分采動[11]。故沿開采寬度方向按照體積不變原理，將開采下沉作為二維平面問題處理，即傾斜主斷面下沉盆地的面積應(yīng)與開采面積相等，結(jié)合極不充分開采地表的最大下沉值計算公式Wmax=qm推理得出極不充分開采采出寬度計算公式[12]：

式中，q為極不充分開采地表下沉率，取0.15；M為煤層厚度，m；L為條帶開采的寬度，m；r為主要影響半徑，m；k為巖土層碎漲系數(shù)，取0.65；H為煤層埋深，m；tanβ為主要影響角正切，取2.0。

按地表建筑物保護極限變形值2.0mm/m計算，由式(2)計算出：亭南一盤區(qū)101、109—113條帶開采工作面寬度應(yīng)控制在96～112m。

3.2 留設(shè)保護煤柱寬度分析

3.2.1 按采留條帶協(xié)調(diào)作用計算

由概率密度函數(shù)法分析得知，在單一寬條帶工作面開采時，壓縮變形最大為：

開采邊界0.7r時，地表拉伸變形達到最大為：

在多條帶定采留比開采時，如果留設(shè)煤柱寬度a與開采寬度L之和為0.7r，使得每個條帶開采產(chǎn)生的最大壓縮變形與相鄰條帶開采的最大拉伸變形相疊加，此時開采地表的最大下沉值相對較小，當(dāng)煤柱寬度與開采寬度之和小于0.94r時，地表將不會出現(xiàn)顯著的波浪形下沉盆地[13]。為了使極不充分開采地表不出現(xiàn)波浪形下沉盆地并且下沉盆地中央的變形為零或接近于零，開采寬度L與保護煤柱寬度a之和的最優(yōu)值為0.7r，且最大值不應(yīng)該超過0.94r[13]。在開采深度一定的條件下，影響半徑取r=275m計算：按最優(yōu)值條件計算出留設(shè)條帶煤柱寬度a應(yīng)在61.1～70.5m范圍之內(nèi)；按最大值條件計算出保護煤柱寬度a應(yīng)不大于115.1m。

3.2.2 按留設(shè)煤柱的支撐能力與長期穩(wěn)定性計算

保護煤柱必須具有足夠的支撐強度和長期的穩(wěn)定性，條帶保護煤柱大小的普遍的判別條件為寬高比大于5、煤柱彈性核區(qū)寬度大于55%[13]。考慮到深部開采煤柱塑性區(qū)較淺埋條件下大，故一盤區(qū)寬條帶開采的寬高比取7，工作面間保護煤柱寬度應(yīng)大于50m；根據(jù)威爾遜理論條帶保護煤柱的塑性區(qū)寬度與核區(qū)寬度計算公式[14，15]，按工作面采高6m、平均開采深度470m計算，求出留設(shè)保護煤柱的寬度應(yīng)不小于80m。

3.3 綜合分析

通過一盤區(qū)采寬、留寬度設(shè)計參數(shù)結(jié)合工作面地表移動觀測數(shù)據(jù)、地表房屋監(jiān)控調(diào)查分析得知：開采工作面選取的開采參數(shù)是合理的，具體見表1。按極限承載能力與實際載荷值比值公式計算留設(shè)煤柱的安全系數(shù)可知留設(shè)的保護煤柱安全系數(shù)均大于2.0，符合安全系數(shù)大于1.5的判別條件。

表1 一盤區(qū)101—113工作面參數(shù)

4 數(shù)值模擬計算分析

4.1 數(shù)值模擬

以一盤區(qū)特定地質(zhì)采礦條件參數(shù)為基礎(chǔ)建立FLAC3D數(shù)值模型，模擬101、109、111、113四個工作面開采對地表下沉的影響，模型尺寸為：長1300m；寬500m；高580m，共12個層組，采用大應(yīng)變變形和Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進行運算。按原開采方案對工作面回采后地表下沉進行模擬，給出沿N觀測線為剖面線的地表下沉等值線圖，如圖6所示。

圖6 原方案條帶開采下沉圖

由模擬結(jié)果可知工作面回采結(jié)束后地表最大下沉值為536mm；直接頂垮落下沉量為5923mm，以地表下沉10mm為邊界得知開采影響半徑大約為273m，開采下沉系數(shù)為0.09。

將2011年12月工作面地表最終觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬下沉結(jié)果進行對比，如圖7所示。二者之間存在一定差值，主要原因是此時的下沉值是在109工作面采后測得的，該工作面覆巖移動變形尚未完全穩(wěn)定，地表下沉量會進一步增加，所以實測值一般要比數(shù)值模擬下沉值小。

圖7 實測下沉數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比圖

通過數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)對比分析可知數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)在一定程度上相互驗證，確保了實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的有效性和可靠性，得到在亭南煤礦特定條件下數(shù)值模擬中的巖移數(shù)據(jù)，為亭南煤礦條帶開采參數(shù)選取以及開采可行性尊定基礎(chǔ)。

4.2 不同開采參數(shù)分析

為進一步研究條帶開采不同采留寬對地表移動變形的影響，優(yōu)化條帶開采設(shè)計參數(shù)，在原開采方案一的基礎(chǔ)之上，又提出三種不同開采方案，通過模擬不同開采參數(shù)對地表下沉的影響給出最優(yōu)的開采參數(shù)。方案二、三、四中留設(shè)煤柱分別為70m、70m、80m；75m、75m、85m；90m、90m、100m。各開采方案工作面開采寬度見表2。

表2 四種方案條帶開采參數(shù) m

根據(jù)不同開采參數(shù)對另外三種方案進行地表下沉模擬計算，其結(jié)果如圖8—10所示。將模擬結(jié)果結(jié)合已知的地表巖移參數(shù)應(yīng)用概率積分法對各方案進行地表移動變形預(yù)計[15]，綜合分析各方案開采后地表的移動變形規(guī)律，具體參數(shù)見表3。

由表3知，隨工作面開采寬度的增加，采出率隨之增加，同時地表各移動變形參數(shù)均有所增大；方案二與方案三開采造成的地表移動變形最大值均超出I級變形控制要求；方案一與方案二、方案三相比發(fā)現(xiàn)，工作面開采寬度增加對地表移動變形的影響將增大，且增幅越大對地表損害程度越大；由方案一與方案四對比可知，適當(dāng)?shù)卦龃蟛蓪挘瓤商岣卟沙雎视挚捎行Э刂频乇硪苿幼冃螀?shù)。綜合考慮分析方案一(原方案)更適合亭南煤礦現(xiàn)有條件下開采，能夠有效保護地表村莊及建筑，解決該礦三下壓煤問題。

表3 四種方案地表移動變形參數(shù)對比

圖8 方案二條帶開采下沉圖

圖9 方案三條帶開采下沉圖

圖10 方案四條帶開采下沉圖

5 結(jié) 論

1)通過對亭南煤礦一盤區(qū)地表觀測數(shù)據(jù)分析，結(jié)合理論計算方法，給出寬條帶開采地表移動變形規(guī)律，并得出巖層移動預(yù)計參數(shù)，即地表下沉系數(shù)為0.08、水平移動系數(shù)為0.13、主要影響角正切為2.0，以及拐點偏距為0.06H。

2)基巖在上覆厚黃土層載荷及采動影響的作用下，使得地表移動范圍大于沉陷范圍，但由于受關(guān)鍵層厚硬洛河組砂巖的控制，地表移動下沉盆地協(xié)調(diào)平緩，未出現(xiàn)波浪起伏變形現(xiàn)象，地表建筑損害程度能夠控制在Ⅰ級范圍內(nèi)，可實現(xiàn)安全開采。

3)通過數(shù)值模擬結(jié)合地表移動和變形各參數(shù)的對比論證可得：在彬長礦區(qū)亭南煤礦地質(zhì)采礦條件下，適當(dāng)?shù)脑黾訔l帶寬度進行開采可提高礦井效益、保護地表建筑，同時驗證了原開采方案設(shè)計參數(shù)的選取是合適的。