巖溶煤礦部分開采合理采高的研究*

陽志成，朱川曲

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201)

巖溶煤礦部分開采合理采高的研究*

陽志成，朱川曲

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201)

為了探究巖溶煤礦部分開采方法的合理采高，防止巖溶塌陷，以豐城礦務(wù)局某煤礦的地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬出了不同采高時上覆溶洞周圍塑性區(qū)的發(fā)育情況，確定了礦井的最合理采高以及巖溶塌陷易發(fā)性的評價指標(biāo)。研究結(jié)果表明，地下開采會使巖溶地層和表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成拉伸破壞區(qū)，對于淺埋溶洞，其周圍拉伸破壞區(qū)易發(fā)展至表層破壞區(qū)而導(dǎo)致巖溶塌陷。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，充分開采后上覆溶洞周圍塑性區(qū)演化至非常接近貫通但又不貫通至表層塑性區(qū)時的采高為1.4 m，因此，該礦最合理采高為1.4 m。通過對數(shù)值模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算分析及地表移動的計算分析可知，地表水平拉伸變形量大于1.89 mm/m時，地表可能發(fā)生巖溶塌陷。研究結(jié)論可為該巖溶煤礦安全、經(jīng)濟、綠色開采及相關(guān)研究提供依據(jù)。

煤礦；合理采高；水平拉伸量；FLAC3D；巖溶塌陷

0 引 言

我國的巖溶面積大約有346萬km2，占全國總面積的近1/3，是世界上巖溶最發(fā)育的國家之一[1]。巖溶地區(qū)進行煤炭開采易造成巖溶塌陷，據(jù)研究，巖溶塌陷主要包括[2￣6]：重力塌陷、潛蝕塌陷、真空吸蝕塌陷、沖爆塌陷、振動塌陷、荷載塌陷、溶蝕塌陷、滲壓致塌陷等。長期以來，在研究采煤誘發(fā)巖溶地表塌陷機理時，人們普遍認為，在巖溶地層受到采動影響時，產(chǎn)生的裂隙與導(dǎo)水裂隙帶聯(lián)通，是采煤引起煤礦巖溶塌陷的重要原因，但湯伏全、胡炳南[7￣8]等在相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，一些巖溶煤礦垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶最大的高度相對于上覆巖層的厚度來講是很小的，采空區(qū)不可能直接溝通至含水地層引起地表塌陷，而采動垂直離層和水平拉伸裂縫可能是巖溶塌陷的基礎(chǔ)原因；王明立[9]在研究中發(fā)現(xiàn)地表拉伸變形量的數(shù)值達到1.8 mm/m時可能發(fā)生巖溶塌陷。采用部分開采、留煤柱開采、條帶開采及充填開采等開采方法都能有效減少和控制這兩種巖溶塌陷，基于部分開采相對其他幾種采煤方法具有經(jīng)濟性和簡單有效性等優(yōu)點，研究部分開采合理的采高，對巖溶煤礦的安全開采、防止巖溶塌陷及水資源保護有著重要意義。

1 數(shù)值模擬

1.1 礦井概況

該礦位于江西省境內(nèi)，年生產(chǎn)能力約55萬t，地面平均標(biāo)高為+27 m。平均煤層厚度為2.5 m。平均開采深度520 m。某工作面開采后，地表發(fā)生巖溶塌陷，塌陷坑的直徑達20 m，塌陷深度達5.0 m。根據(jù)地質(zhì)報告，發(fā)生塌陷處的采區(qū)地層從上往下依次為松散層、長興巖層、粒砂巖層、細砂巖層、粉砂巖層、泥巖層、煤層及細砂巖層，共8層。表層松散層厚20 m，長興巖層厚140 m，該巖層中巖溶分布較廣，溶洞數(shù)目眾多、大小不一且深淺不同，造成該處塌陷的溶洞為此巖層中的一個淺埋溶洞。長興巖層有4組巖層共計厚度為450 m，前3層自上而下分別是粒砂巖、細砂巖、粉砂巖，而煤層處于長興巖層下的第四層巖石中，厚度為2.5 m，巖土力學(xué)參數(shù)值見表1。

1.2 模型建立

為簡化計算，對分析系統(tǒng)作如下假定：分析中不考慮巖溶堆積物的影響，按空洞進行計算；溶洞為漫長時期形成的，在煤炭開挖前，整個模型處于自然平衡狀態(tài)；開采期間，不考慮溶洞的尺寸等的物理力學(xué)性質(zhì)的變化；模型為連續(xù)和均勻、各向同性的彈塑性體；不考慮水的作用、地震荷載、采動震動等對溶洞穩(wěn)定性的影響。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)取值

劉之葵、劉鐵雄等對巖溶空間形態(tài)的統(tǒng)計表明，在溶洞尺度較大(溶洞洞徑大于15 m)時，一般溶洞空間形態(tài)近似大廳狀，在溶洞洞徑不大時，溶洞斷面一般為圓形或似圓形[10￣11]。因此，將造成上述塌陷的溶洞的形狀設(shè)置成圓形。再根據(jù)最大影響角正切為1.89，設(shè)計模型寬度為1100 m。因此，建立模型長、寬、高分別為1100，1，542.5 m(見圖1)。

1.3 模擬方案

(1) 模擬過程。建立模型，本構(gòu)關(guān)系和材料特性(本次模擬為摩爾-庫侖材料)；用不同采高開挖煤層，得出充分采動后溶洞周圍塑性區(qū)剛好聯(lián)通地表時的采高；提取采高最合理時的監(jiān)測點數(shù)據(jù)，并對模擬數(shù)據(jù)進行分析。

圖1 數(shù)值模擬模型

(2) 采高的確定。模擬以充分采動后溶洞周圍塑性區(qū)演化至非常接近貫又不貫通至表層塑性區(qū)時的采高為最合理的采高。利用二分法來找出合理的采高，即從中點出發(fā)確定含合理采高的上下限，不斷縮小含合理采高的采高范圍直至模擬出最合理采高。

(3) 監(jiān)測點與監(jiān)測內(nèi)容的確定。在模型頂部X軸方向的中間線上，沿X軸方向每隔110 m取一個監(jiān)測點，兩端加中間共計11個監(jiān)測點，監(jiān)測監(jiān)測點X方向上的位移(見圖2)。

圖2 監(jiān)測點布置

1.4 模擬過程及結(jié)果分析

1.4.1 模擬過程

(1) 采高取煤層厚度的一半即1.25 m時，發(fā)現(xiàn)充分采動后塑性區(qū)未演化至表層塑性區(qū)，模擬結(jié)果見圖3。

(2) 采高為1.25 m時充分采動后塑性區(qū)未演化至表層塑性區(qū)，因此采高取1.25 m與2.5 m的中間值即1.875 m，繼續(xù)模擬時發(fā)現(xiàn)未達到充分采動時溶洞周圍塑性區(qū)已演化至表層塑性區(qū)，模擬結(jié)果見圖4。

(3) 采高為1.875 m時溶洞周圍塑性區(qū)已演化至表層塑性區(qū)，因此采高取1.25 m至1.875 m的中間值即1.5625 m，受模擬精度的影響，此時采高取1.55 m，繼續(xù)模擬時發(fā)現(xiàn)未達到采動時塑性區(qū)已演化至表層塑性區(qū)，模擬結(jié)果見圖5。

(4) 采高為1.55 m時溶洞周圍塑性區(qū)已演化至表層塑性區(qū)，因此采高取1.25 m至1.55 m的中間值即1.4 m，繼續(xù)模擬時發(fā)現(xiàn)充分采動后塑性區(qū)演化至非常接近貫通而又未貫通至表層塑性區(qū)，模擬結(jié)果見圖6。

(5) 確定最合理采高在1.4 m至1.55 m之間，取1.45 m時模擬發(fā)現(xiàn)未充分采動時塑性區(qū)演化已貫通至表層塑性區(qū)(見圖7)，因此，確定采高1.4 m為最合理采高。

圖3 采高為1.25 m時的塑性區(qū)演化結(jié)果

圖4 采高為1.875 m時的塑性區(qū)演化結(jié)果

圖5 采高為1.55 m時的塑性區(qū)演化結(jié)果

圖6 采高為1.4 m時的塑性區(qū)演化結(jié)果

圖7 采高為1.45 m時的塑性區(qū)演化結(jié)果

1.4.2 模擬結(jié)果分析

合理采高即采高為1.4 m時，充分采動后監(jiān)測點的水平移動數(shù)據(jù)見表2。

采用圖2所示的坐標(biāo)系，擬合出地表水平位移公式如下：

u(x)=6.394×10-9x3-1.047×10-5x2+0.003824x+0.003876

擬合度0.9853，符合精度要求。再由上式得地表水平變形公式為：

ε(x)=u'(x)=1.9182×10-8x2-2.094×10-5x+0.003824

計算得采高為1.4 m時溶洞處地表水平拉伸量為1.89 mm/m。

模擬結(jié)果表明，地下開采會使巖溶地層和表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，受拉應(yīng)力的作用，溶洞周圍產(chǎn)生了拉伸破壞區(qū)，表層也產(chǎn)生了拉伸破壞區(qū)，二者一旦貫通，可能造成巖溶塌陷。部分開采能有效控制地表水平變形量，當(dāng)采高控制在1.4 m以內(nèi)時，溶洞周圍破壞區(qū)與表層破壞區(qū)不會貫通，采礦相對安全。

表2 采高為1.4 m充分采動后監(jiān)測點的水平位移量

2 地表水平變形預(yù)測

采用概率積分法[13￣14]預(yù)測巖溶塌陷坑位置的水平移動變形，公式如下：

式中，Wcm=mqcosα；r為等價計算工作面的主要影響半徑；m是煤層開采的法向高度1.4m；q為下沉系數(shù)0.6；α為開采煤層的傾角10°；L為等價計算工作面各邊界的直線段；Hd為等價開采影響深度520m；β為主要影響角，其正切取值1.89；η、ζ為積分變量；Ucm= bWcm，b為平移動系數(shù)0.3；θ0為開采影響傳播角85°；ε、i分別為水平變形、傾斜變形。計算出部分開采采高為1.4m時的溶洞處地表水平拉伸變形量為1.06mm/m。

可見，預(yù)測公式計算比數(shù)值模擬計算的水平拉伸變形量要小，如果以數(shù)值模擬的結(jié)果來作參考，則預(yù)測公式中采高為1.4m時溶洞周圍的塑性區(qū)不會演化至表層破壞區(qū)，采高取1.4m也是安全的。由于現(xiàn)場實際的地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用數(shù)值模擬和地表移動變形的預(yù)測理論來計算地表變形情況可能都會有所偏差。因此，綜合二者的結(jié)果，確定該礦該地區(qū)采高為1.4m，水平拉伸變形量大于1.89mm/m時巖溶塌陷發(fā)生的可能性較大。

3 結(jié) 論

(1) 部分開采采煤法能有效控制巖溶煤礦巖溶層和表層的拉伸破壞，設(shè)計合理的采高能防止巖溶塌陷，從而實現(xiàn)安全、綠色開采。實驗礦井合理的采高為1.4m。

(2) 地表拉伸變形量大于1.89mm/m時，溶洞周圍塑性區(qū)演化至表層破壞區(qū)而導(dǎo)致地表塌陷的可能性比較大，為防止采動引起的巖溶塌陷，采取合理的措施是必要的。

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國家自然科學(xué)基金項目(51474104).

2016￣11￣07)

陽志成(1987-)，男，湖南攸縣人，在讀碩士，主要從事保水開采方向的研究，Email：286105181@qq.com。