不同采礦條件采煤對地表移動變形規(guī)律的影響

古君

（駐馬店市吳桂橋煤礦有限公司，河南駐馬店463000）

不同采礦條件采煤對地表移動變形規(guī)律的影響

古君

（駐馬店市吳桂橋煤礦有限公司，河南駐馬店463000）

水下煤層安全開采對于煤礦來說是至關(guān)重要的，以位于水庫下的某煤田為例，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬分析3m、4.5m、6m三種不同開采厚度和300m、400m、500m三種不同開采深度對地表移動變形規(guī)律的影響，經(jīng)計(jì)算得到地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)，分別將其與不同采厚和采深進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果表明，采厚、采深與地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)均呈現(xiàn)冪數(shù)關(guān)系，隨著采厚和采深增加，地表移動變形規(guī)律分別呈現(xiàn)緩慢增加和減小趨勢。經(jīng)計(jì)算知水庫下煤田可以進(jìn)行正常開采，不會對水庫的安全造成威脅。

FLAC3D；地表下沉系數(shù)；水平移動系數(shù)；采厚；采深

煤炭資源屬于不可再生能源，對于煤炭資源盡量實(shí)現(xiàn)充分開采，特別是對于水下采煤研究是當(dāng)前能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要［1］。為了緩解采掘工作面交替困難的形勢，在保證煤礦安全開采的情況下實(shí)現(xiàn)煤炭的有效開采，不同采礦條件下開采煤層對地表移動變形規(guī)律影響的研究是相當(dāng)有必要的。有相關(guān)文獻(xiàn)［2］研究了不同工作面長度對地表移動變形規(guī)律的影響，但沒有考慮其他采礦條件對地表移動規(guī)律的影響；相關(guān)文獻(xiàn)［3］對水庫下開采煤層進(jìn)行了安全評價(jià)，但沒有對采礦條件對地表移動變形規(guī)律的影響進(jìn)行評價(jià)。鑒于此，以某礦水體下采煤為例，運(yùn)用FLAC3D［4］數(shù)值模擬軟件研究不同煤層開采厚度、開采深度等采礦條件對地表移動變形規(guī)律的影響，為水下采煤提供了技術(shù)理論指導(dǎo)。

1　礦井概況

該礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.6Mt/a，該井田內(nèi)大部分煤層為穩(wěn)定可采煤層，煤厚平均為5.0m，煤層傾角平均為16°，采深約為320m左右，22采區(qū)西側(cè)開采工作面上方為水庫，水庫水深平均深度為3m。

2　煤層開采厚度對地表移動變形規(guī)律的影響

2.1方案的確定及模擬計(jì)算

為了研究不同開采厚度條件下永華能源嵩山礦“三軟”煤層開采條件下地表移動變形規(guī)律，根據(jù)該礦

圖1　不同開采厚度條件下豎直位移云圖Fig.1 Vertical displacement contours under the condition of different mining thickness

山實(shí)際情況，設(shè)計(jì)3種模擬方案，即模擬煤層開采厚度分別為3m、4.5m、6m，對模擬開挖后的煤層進(jìn)行計(jì)算分析，分析在不同煤層開采厚度條件下地表移動變形規(guī)律。設(shè)置走向無限開采，傾向充分采動的地質(zhì)力學(xué)模型。其中傾向工作面長度為500m。邊界煤柱大小均取450m。X方向?yàn)閮A向，Y方向?yàn)樽呦?，Z方向?yàn)殂U垂方向。按照各方案要求進(jìn)行模擬開挖計(jì)算，最終得到模擬計(jì)算開挖后的豎直方向位移云圖，分別如圖1所示。

2.2地表移動變化規(guī)律分析

在三種不同厚度煤層開采厚度模擬計(jì)算過程中，利用FLAC3D中的fish語言，對模型頂部（即地表）的移動變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到模型地表的下沉值和水平移動值，繪制的曲線圖如圖2、圖3所示。

圖2　不同煤層開采厚度下地表下沉曲線Fig.2 Surface subsidence curve under different mining thick

圖3　不同開采厚度下地表水平移動曲線Fig.3 Surface horizontal displacement curve under different mining thick

為了掌握不同煤層開采厚度對地表移動變形的影響，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，選取不同開采方案所引起的地表最大下沉值和最大水平移動值，并計(jì)算得到相應(yīng)的下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)［5-7］，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　不同煤層開采厚度地表移動變形值Tab.1 Different thickness of coal seam mining surface movement and deformation

圖4　采厚和地表下沉系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between mining thick and surface subsidence coefficient

圖5　采厚和水平移動系數(shù)的關(guān)系Fig.5Relationship between thick and surface level coefficient

由圖4、圖5可知采厚與地表下沉系數(shù)和地表移動系數(shù)的關(guān)系式分別為y=0.6355x0.1407和y=0.1906x0.2212，該煤礦的采厚為5m，經(jīng)計(jì)算知地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)分別為0.797和0.272，該值在工程的允許范圍內(nèi)，該礦山在水庫下的煤層可以進(jìn)行整層開采。

3　煤層埋深對地表移動變形規(guī)律的影響

3.1模型的建立

為了研究不同開采深度條件下該礦“三軟”煤層開采條件下地表移動規(guī)律，設(shè)計(jì)了3種模擬方案，各方案采深取值為300m、400m、500m。數(shù)值模型采用平面應(yīng)變模型，設(shè)置走向無限開采，傾向充分采動的地質(zhì)力學(xué)模型。其中傾向工作面長度為500m，邊界煤柱大小均取450m。

3.2模擬計(jì)算結(jié)果分析

分別對3種建立好的方案模型進(jìn)行賦值計(jì)算，對開挖后的豎直方向位移云圖不再敘述，對相對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析。提取不同開采深度（采深H分別為300m、400m、500m）下開挖工作面后引起地表變形的數(shù)據(jù)，提取后繪成地表下沉和水平移動曲線，如圖6、圖7所示。

圖6　不同采深條件下地表下沉曲線Fig.6 The surface subsidence curve under different mining depth

圖7　不同采深條件下地表下沉曲線Fig.7 The surface subsidence curve under different mining depth

圖8　采深與地表下沉系數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between mining depth and

圖9　采深與水平移動系數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between mining depth and surface subsidence coefficientground surface level coefficient

根據(jù)上述3種數(shù)值模擬方案的地表下沉曲線和水平移動曲線，得到3種不同采深條件下，地表的最大下沉值和最大水平移動值，進(jìn)而計(jì)算得到地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)。根據(jù)以上不同采深條件下地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)，擬合得到采深與地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)的關(guān)系，見圖8和圖9。

由圖8和圖9可知采深與地表下沉系數(shù)和地表移動系數(shù)的關(guān)系式分別為y=2.5712x-0.1943和y=1.4889x-0.2812，該煤礦的采厚為320m，經(jīng)計(jì)算知地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)分別為0.838和0.294，該值在工程的允許范圍內(nèi)，該礦山在水庫下的煤層可以進(jìn)行正常開采，不會威脅水庫的安全。

4　結(jié)論

第一，煤層開采厚度與地表下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，可知煤層開采厚度對地表移動變形規(guī)律影響很大，但隨著開采厚度的增加，其變化趨勢呈現(xiàn)緩慢增加。合理煤層開采厚度對地表構(gòu)筑物起到安全保護(hù)作用。

第二，隨著采深增加，地表下沉和水平移動的影響范圍有所增加，地表最大下沉值和最大水平移動值反而減小。采深與地表下沉系數(shù)和地表水平移動系數(shù)的關(guān)系成反冪函數(shù)關(guān)系，隨著采深增加，地表移動變化規(guī)律呈現(xiàn)減小趨勢。

第三，根據(jù)該礦山的實(shí)際情況，結(jié)合擬合函數(shù)，知該水庫下能正常進(jìn)行整層開采。但對于地下開采的很多不確定因素，需要在煤田開采的過程中對水位實(shí)施24h監(jiān)測，從而間接保證水庫及井下安全開采。

［1］李宏杰，楊鵬旭，文學(xué)寬，等.漳河水庫下煤炭資源開采可行性研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，（06）：16-20.

［2］夏艷華.大采高長工作面地表移動變形規(guī)律研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（11）：35-37.

［3］許國勝，許勝軍，李德海，等.趙城水庫下煤炭開采安全性研究［J］.煤礦安全，2013，44（4）：43-45.

［4］彭文斌．FLAC3D實(shí)用教程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［5］劉德峰，王銳濤，耿亞東，等.基于Hoek－Brown準(zhǔn)則的數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)的研究［J］.金屬礦山，2013，（10）：43-46.

［6］何榮，郭增長，李春意.大采深極不充分開采地表移動和變形規(guī)律實(shí)測研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27（1）：50-53.

［7］王帥，吳盾，劉桂建.淮南丁集礦地表移動和變形規(guī)律分析［J］.中國煤炭地質(zhì)，2013，25（02）：48-51.

Mining Coal in the different Mining Conditions influence the Law of Surface Movement Deformation

GUJun
(Zhumadian WuguiqiaoCoal Limited,Zhumadian 463000,China)

It is crucial tomine underwater seamfor coal mine,taking reservoir in a coalfield as an example,usingFLAC3D numerical simulation software,simulating and analysing three different mining thickness such as 3 m,4.5 m,6 m and three different mining depth such as 300 m,400 m and 500 m to influence surface movement deformation law,the effect of the coefficient of surface subsidence and horizontal movement coefficient is calculated,with different thickness and fitting method for data mining depth,the results show that the mining thick,mining depth and coefficient of surface subsidence and horizontal movement coefficients appear exponential relationship,with mining thick and mining depth increasing,the surface movement deformation law showed a trend of slow increase and decrease respect respectively.By calculating,coalfield under reservoir can be mined normally,which will not threaten the safety ofthe reservoir.

FLAC3D;Surface subsidence coefficient;Horizontal displacement coefficient;Miningthick;Miningdepth

P642.2

A

1674-8646（2015）09-0037-03

2015-05-30

古君（1984-），男，河南駐馬店人，學(xué)士，助理工程師，從事土木工程礦建研究。