連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)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(tuán)太原研究院有限公司，太原030006）

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連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)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(tuán)太原研究院有限公司，太原030006）

摘要：基于工作面的工程地質(zhì)、巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)和短壁開采的特點，在工作面回采過程中對地表進(jìn)行下沉監(jiān)測，并利用FLAC3D軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，將工程實測和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗證分析，得出連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采條件下地表沉陷規(guī)律。

關(guān)鍵詞：短壁機(jī)械化開采；工程實測；數(shù)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(guī)則塊段煤和復(fù)雜難采區(qū)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(yán)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(shù)研究的重點。連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采在開采邊角煤、不規(guī)則塊段以及“三下”壓煤資源具有自身的優(yōu)勢，近幾年來此項開采技術(shù)正在不斷得到應(yīng)用和推廣，但是煤炭資源的回采勢必會造成地表出現(xiàn)不同程度的沉陷，因此，深入研究和分析連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采條件下的地表沉陷規(guī)律，對保證工作面安全開采和保護(hù)地面建（構(gòu)）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(guī)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(tǒng)太原組4-2號煤層，煤層產(chǎn)狀平緩。裂隙較發(fā)育，煤層平均厚度為4.47 m，傾角1.5°～6.5°，平均2.2°。煤層發(fā)育穩(wěn)定，硬度系數(shù)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(xì)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(nèi)生裂隙發(fā)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(fēng)氧化煤。4-1號煤層直接頂為K3標(biāo)志層，中粗砂巖灰白色，成分以石英、長石為主，節(jié)理發(fā)育，局部見少量綠色礦物及白云母，較堅硬。其上為中砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖。老頂為細(xì)砂巖，以灰色為主，間夾黃色或褐色，局部夾泥質(zhì)，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(tuán)塊狀黃鐵礦。巖土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1　巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

2　工程實測

在短壁回采工作面相對應(yīng)的地面設(shè)立監(jiān)測監(jiān)測線和監(jiān)測點，利用先進(jìn)的監(jiān)測儀器對地面下沉量進(jìn)行實時監(jiān)測，同時利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬出所選監(jiān)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(jié)果與模擬數(shù)值的對應(yīng)性。

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

圖1　坐標(biāo)（80，90，0）監(jiān)測點下沉曲線圖

利用FLAC3D軟件對此監(jiān)測點的下沉情況進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得該監(jiān)測點的下沉云圖，見圖2。

圖2　坐標(biāo)（80，90，0）監(jiān)測點下沉云圖

為了驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的吻合性，基于相應(yīng)的力學(xué)模型和計算公式，帶入相應(yīng)的參數(shù)數(shù)值計算出的該監(jiān)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(jié)果和監(jiān)測數(shù)值基本吻合。

3　沉陷規(guī)律分析

根據(jù)24206短壁開采工作面的工程地質(zhì)條件及相應(yīng)的參數(shù)數(shù)值，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行回采模擬，建立三維地質(zhì)模型，見圖3。

圖3　三維地質(zhì)模型

利用所建立的三維地質(zhì)模型，分別對開采不同支巷的情形進(jìn)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(shù)值模擬圖，圖5為下沉數(shù)值模擬圖。

圖4　水平移動數(shù)值模擬

圖5　下沉數(shù)值模擬

通過以上的數(shù)值模擬分析可知，在短壁開采條件下的地表沉陷規(guī)律和綜采有很大的區(qū)別，在短壁開采條件下留設(shè)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(guī)則；隨著回采工作的不斷推進(jìn)，最大變形值逐漸增大并在到達(dá)臨界開采時趨于穩(wěn)定，采空區(qū)面積不斷增大，沉陷范圍也相應(yīng)增大，但沉陷數(shù)值不會發(fā)生變化，沉陷形態(tài)經(jīng)歷了“漏斗型-碗型-盆地型”的變化過程。

4　結(jié)論

通過相應(yīng)的理論計算和工程實測對工作面回采過程中地表監(jiān)測點的下沉數(shù)值進(jìn)行計算和監(jiān)測，兩者數(shù)值基本吻合。

通過詳細(xì)的數(shù)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(tài)經(jīng)歷了“漏斗型-碗型-盆地型”的變化過程。

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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(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開采技術(shù)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(xiàn)標(biāo)識碼：A