條帶采寬對地表移動變形影響數(shù)值模擬研究*

劉 明

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

目前，條帶開采的地表移動變形預(yù)計大多采用與全采條件下相同的預(yù)計方法即概率積分法進行預(yù)計，預(yù)計時僅需調(diào)整全采預(yù)計參數(shù)為條采預(yù)計參數(shù)即可[1]。如何確定條帶開采預(yù)計參數(shù)，研究人員根據(jù)實測資料總結(jié)出兩套經(jīng)驗公式[2]，但由于不同礦區(qū)地質(zhì)采礦條件不同，有時預(yù)計結(jié)果與實測結(jié)果相差較大，預(yù)計精度較低。因此，如何確定條帶采留寬度與條帶預(yù)計參數(shù)仍是需要深入研究的課題。本文結(jié)合某礦實際地質(zhì)采礦條件，采用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件，對相同留寬、不同采寬的條帶開采地表移動變形規(guī)律進行探討，為該礦區(qū)條帶開采設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)采礦條件

本文以某礦村莊壓煤區(qū)為例，進行條帶開采模擬研究。該礦壓煤村莊現(xiàn)有居民225戶，人口約900人，占地0.21 km2。村莊建筑主要為民房，建筑結(jié)構(gòu)主要為磚混、磚木和磚拱窯洞等三類。根據(jù)礦區(qū)開采經(jīng)驗，村莊民房建筑物在不出現(xiàn)明顯裂縫的情況下，可承受的地表變形為水平變形ε≤1.0 mm/m、傾斜i≤1.5 mm/m、曲率K≤0.1×10-3/m。壓煤區(qū)主采煤層為5煤層，位于太原組地層下部，煤層厚度3.35～5.09 m，一般3.8 m左右。5煤層埋藏標(biāo)高為245～280 m，埋深405～455 m，平均埋深430 m，第四系厚84～102 m，平均厚96 m，基巖平均厚329 m，煤層傾角平緩，一般2°～7°。該區(qū)整體形態(tài)為一向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層呈緩波狀起伏，幅度較小，中部略有凹陷，構(gòu)造相對簡單。

2 模型建立

2.1 數(shù)值模擬程序UDEC簡介

UDEC(Universal Distinct Element Code)是處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，用于模擬非連續(xù)介質(zhì)承受靜載或動載作用下的響應(yīng)。非連續(xù)介質(zhì)是通過離散的塊體集合體加以表示的。不連續(xù)面處理為塊體間的邊界，允許塊體沿不連續(xù)面發(fā)生較大位移和轉(zhuǎn)動[3]。塊體可以是剛體或變形體。變形塊體被劃分成有限個單元網(wǎng)格，且每一單元根據(jù)給定的“應(yīng)力—應(yīng)變”準(zhǔn)則，表現(xiàn)為線性或非線性。不連續(xù)面發(fā)生法向和切向的相對運動也由線性或非線性“力—位移”的關(guān)系控制。UDEC提供了適合巖土的7種材料本構(gòu)模型和5種節(jié)理本構(gòu)模型，能夠較好地適應(yīng)不同巖性和不同開挖狀態(tài)條件下的巖層運動的需要，可較準(zhǔn)確地分析條帶開采后覆巖的移動和地表的沉陷[4]。

2.2 數(shù)值模型的建立

研究區(qū)域煤層傾角較小，數(shù)值模型按水平煤層考慮，模型的走向長度1 500 m，垂直高度483 .8 m，如圖1所示，工作面開采深度為430 m，煤厚3.8 m。計算模型中兩邊各留設(shè)500 m的邊界煤柱，以消除模型尺寸大小對地表變形的影響。模型的邊界條件采用位移固定邊界，其中，兩側(cè)邊界為單向約束，底部為雙向約束，如圖2所示。

圖1 UDEC數(shù)值模型圖

圖2 數(shù)值模型邊界條件

根據(jù)煤巖體的力學(xué)特性，煤巖體本構(gòu)關(guān)系采用“莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)”準(zhǔn)則，節(jié)理采用“節(jié)理面接觸-庫侖滑移”準(zhǔn)則，根據(jù)覆巖條件，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖層塊體力學(xué)參數(shù)表

2.3 模擬方案設(shè)計

條帶開采的目的是控制地表移動與變形在建筑物允許變形以內(nèi)，其關(guān)鍵是條帶采留寬度的確定。采寬過大則地表移動變形較大甚至出現(xiàn)波浪形下沉，達不到保護地表建筑的目的；留寬過窄，不能確保留設(shè)煤柱的長期穩(wěn)定[5-8]，且煤炭損失率大。

根據(jù)A.H.威爾遜理論和壓力拱理論等研究成果[9-11]，通過計算，條帶煤柱留設(shè)寬度應(yīng)為42.5～55.25 m，結(jié)合礦區(qū)條帶開采經(jīng)驗，確定條帶煤柱留寬為50 m。為了分析相同留寬(50 m)條件下，不同采寬的地表移動變形規(guī)律，本次模擬設(shè)計5個開采方案，如表2所示。

表2 條帶開采模擬方案表

3 模擬結(jié)果分析

各方案條帶開采后地表移動變形如圖3所示，由圖可知，地表的最大下沉、最大傾斜、最大水平移動及最大水平變形值均隨著采寬的增大而增大，各方案地表最大變形值如表3所示。由地表變形可知，方案1和方案2的地表移動變形較小，地表建筑將受到《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[12]規(guī)定的Ⅰ級的一半損壞；方案3、方案4和方案5的地表最大傾斜和最大水平變形均大于該區(qū)地表建筑物的允許變形值，地面房屋將出現(xiàn)較明顯裂縫，達到Ⅰ級損壞。因此，通過分析可知，方案2即采寬45 m為最佳方案。

圖3 各方案地表移動變形曲線圖

表3 各方案地表移動變形最大值表

對各地表變形最大值和條帶采寬進行了擬合分析，得到各地表變形最大值同條帶采寬的關(guān)系和公式如圖4所示，可知條帶采寬在40～60 m變化時：

(1)地表最大下沉值和最大傾斜值隨條帶采寬成非線性關(guān)系，曲線下凹，即隨著采寬的增大，其增幅逐漸增大；

(2)地表水平移動值與采寬近似呈線性變化；

(3)地表最大水平變形與條帶采寬亦呈非線性關(guān)系，曲線上凹，即隨著采寬的增大，其增速逐漸變小。

圖4 地表移動變形最大值與條帶采寬的關(guān)系

4 結(jié) 論

本文分析了某礦壓煤區(qū)地質(zhì)采礦條件和地面民房建筑的抗變形能力，根據(jù)條帶開采相關(guān)理論，確定條帶煤柱留寬為50 m。通過UDEC數(shù)值模擬對多個方案進行了比較、分析，確定壓煤區(qū)條帶煤柱留寬50 m的條件下，條帶采寬45 m為該地質(zhì)采礦條件下的最優(yōu)方案。還通過模擬分析得出了地表移動變形與條帶采寬之間的規(guī)律，并擬合分析出了在研究區(qū)域地質(zhì)條件下，條帶采寬在40～60 m之間變化時地表移動變形與采寬的關(guān)系式，為類似條件下的礦區(qū)條帶開采設(shè)計、條帶開采巖移預(yù)計參數(shù)的選取等提供借鑒。