房式開(kāi)采煤柱回收時(shí)地表移動(dòng)模擬研究

江東海

（山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

房式開(kāi)采煤柱回收時(shí)地表移動(dòng)模擬研究

江東海

（山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)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(kāi)采所遺留的煤柱，條件比較復(fù)雜。運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D模擬分析了在回收煤柱時(shí)所引起的地表移動(dòng)過(guò)程，通過(guò)提取和分析數(shù)據(jù)，得出最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)中心上方的地表處，最大下沉量為120mm，煤柱全部回收時(shí)所引起的地表移動(dòng)范圍為736m×610m，因此，在修建地面構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)盡量避免在此地表移動(dòng)范圍之內(nèi)。

房式開(kāi)采；煤柱回收；殘煤復(fù)采；數(shù)值模擬；地表移動(dòng)；地面構(gòu)筑物

1 引言

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度、深度的不斷增加，我國(guó)的礦井可采儲(chǔ)量日益減少，很多礦井面臨關(guān)閉或是進(jìn)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(guó)際上一些產(chǎn)煤國(guó)家的回收率在60%以上相比，資源浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重［2］。為延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，充分利用資源，很多煤礦對(duì)殘留的煤炭資源進(jìn)行回收工作（簡(jiǎn)稱“殘煤復(fù)采”）。

山西梅園許村煤礦是一兼并重組整合礦井，其2號(hào)煤層除井田中北部采用長(zhǎng)壁式采煤方法回收率較高外，井田其它區(qū)域?yàn)樵娌⒅亟M煤礦的回采區(qū)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(qū)域內(nèi)煤炭資源回采率較低，從前期鉆探資料分析，區(qū)域內(nèi)煤炭回收率僅達(dá)20%～30%，因此要對(duì)其進(jìn)行回收，運(yùn)用有限元差分軟件FLAC3D對(duì)房式開(kāi)采煤柱回收時(shí)地表的移動(dòng)進(jìn)行模擬研究，為煤炭回收時(shí)地面構(gòu)筑物的修建以及保護(hù)提供一些參考［3］。

2 地質(zhì)采礦條件簡(jiǎn)介

以許村煤業(yè)即將布置的復(fù)采工作面為原型，根據(jù)工作面附近的鉆孔資料及實(shí)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(zhì)泥巖、泥巖為45.39m，細(xì)砂巖、粉砂巖為41.76m，中砂巖、泥巖為30.53m。所要復(fù)采的2號(hào)煤層，平均煤層厚度約為1.2m，傾角為2°～9°，屬于近水平開(kāi)采煤層，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖與中細(xì)粒砂巖混層，底板為炭質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)布局較簡(jiǎn)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(duì)殘煤復(fù)采工作面不會(huì)構(gòu)成太大的影響。

3 工作面概況

該工作面走向長(zhǎng)度約為300m，傾斜長(zhǎng)度約為126m，區(qū)域內(nèi)地面標(biāo)高在798～819m之間，工作面標(biāo)高在653～665m之間。回采工作面布置巷道穿過(guò)原小煤窯煤層舊采遺留區(qū)域，舊采區(qū)域較多采用刷擴(kuò)巷道兩幫等落后采礦方式。根據(jù)物探揭露巷道調(diào)查的情況，殘煤復(fù)采區(qū)域內(nèi)有小煤窯所使用舊巷以及所遺留煤柱?，F(xiàn)回采工作面內(nèi)采取老式房式開(kāi)采已開(kāi)采9個(gè)煤房，每個(gè)煤房寬6m，剩余8個(gè)煤柱需要回收，煤柱尺寸為9m×9m。推進(jìn)速度平均為3m/天，采用傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。

4 數(shù)值模擬計(jì)算

有限元差分軟件FLAC3D可以模擬材料的屈服，塑性流動(dòng)，軟化直至大變形等問(wèn)題，尤其在材料的彈塑性分析，大變形分析以及模擬施工過(guò)程等領(lǐng)域有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)［4］，尤其是達(dá)到屈服極限時(shí)的塑性流變特性，廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)、地下洞室、施工設(shè)計(jì)（開(kāi)挖、充填等）、河谷演化進(jìn)程再現(xiàn)、拱壩穩(wěn)定分析、隧道工程、礦山工程等多個(gè)領(lǐng)域［5］。

該模擬以即將布置的回采工作面為原型，建立數(shù)值計(jì)算的模型，設(shè)煤層的走向?yàn)閄方向，煤層傾向?yàn)閅方向，煤層埋深為Z方向。計(jì)算模型尺寸為492m×390m×163.2m，一共建立了90900個(gè)單元體和99313個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(jìn)行模擬，煤層傾角取為0°，F(xiàn)LAC3D生成的模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D生成的計(jì)算模型

模型確定后，先進(jìn)行房式開(kāi)采，經(jīng)過(guò)2762步計(jì)算后，模型達(dá)到平衡狀態(tài)。模型的走向開(kāi)采長(zhǎng)度為300m，傾向開(kāi)采長(zhǎng)度為126m，在計(jì)算過(guò)程中以回采1個(gè)煤柱為1個(gè)開(kāi)采循環(huán)，回收工作面內(nèi)的所有煤柱需要進(jìn)行20個(gè)循環(huán)。數(shù)值模擬所需要的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

本次模擬的主要目的是獲得地表移動(dòng)位移的大小以及范圍［6］，因此在采空區(qū)中心的走向主斷面對(duì)應(yīng)的地表布置28個(gè)測(cè)點(diǎn)，在傾向主斷面對(duì)應(yīng)的地表布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)在模擬回采過(guò)程中地表移動(dòng)的位移量，主斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖2所示。

圖2 主斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

5 模擬數(shù)據(jù)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(shí)監(jiān)測(cè)的地表下沉量提取出來(lái)，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(shù)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(dòng)，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(qū)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(shí)，工作面前方所對(duì)應(yīng)的地表已經(jīng)開(kāi)始下沉變形，下沉范圍波及到下一個(gè)煤柱，一般超前工作面15～20m。

地表移動(dòng)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(diǎn)為邊界點(diǎn)［7］。將FLAC3D的模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)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(jié)合圖5和建立的數(shù)值計(jì)算模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，地表的沉陷范圍為736m×610m，在此沉陷范圍內(nèi)，應(yīng)盡量避免修建地面筑物。

6 結(jié)論

（1）用有限差分軟件FLAC3D來(lái)模擬房式開(kāi)采煤柱回收過(guò)程中地表的移動(dòng)過(guò)程是可行的，并能得出與實(shí)際相符的結(jié)論。

（2）房式開(kāi)采煤柱回收時(shí)，工作面上方地表的傾向主斷面和走向主斷面上觀測(cè)線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉量是逐漸增加的，不存在階梯狀下沉。

（3）在回收煤柱過(guò)程中，采空區(qū)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(duì)稱。當(dāng)煤柱全部回收之后，采空區(qū)中心上方的地表就是發(fā)生最大下沉值之處。

（4）通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合計(jì)算模型，能準(zhǔn)確得出地表的移動(dòng)范圍，為地表構(gòu)筑物的修建以及保護(hù)提供參考。

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

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

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

［4］孫邦賓， 關(guān)云飛， 唐彤芝， 等. 基坑開(kāi)挖與土釘墻施工過(guò)程的數(shù)值模擬［J］. 南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2007（6）：12-14.

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

［6］劉玉成. 煤層開(kāi)采地表移動(dòng)過(guò)程的FLAC3D模擬研究［J］. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2012， 40（5）：93-95.

［7］何國(guó)清， 楊倫， 凌賡娣， 等. 礦山開(kāi)采沉陷學(xué)［M］. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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