林南仓矿极不充分开采宽度设计与数值模拟研究_李玉明.pdf

林南仓矿极不充分开采宽度设计与数值模拟研究 李玉明, 贾红旭 开滦 集团 有限责任公司 林南仓矿业分公司, 河北 唐山 064100 [摘 要] 针对林南仓矿-650m 水平二采区村庄下条带开采, 采用 FLAC3D数值模拟方法进行 了模拟分析设计, 分析了覆岩移动和破坏过程, 认为在中硬互层型的岩层结构、 极不充分开采条件 下, 在上覆岩层中形成了稳定的拱型平衡结构, 在平衡拱内岩石破坏、 垮落, 在平衡拱外岩层弯曲变 形。 依据数值模拟结果, 设计了林南仓矿极不充分开采方案, 对煤柱稳定性进行了分析, FLAC3D计 算结果表明当煤柱宽度达到 70m 时, 可以将两个极不充分开采工作面隔离成相对独立的开采工作面, 能有效地控制地表的移动和变形。 [关键词] 极不充分开采条件; 开采宽度设计; FLAC3D; 数值模拟; 条带开采 [中图分类号] TD214． 2 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0069-04 Numerical Simulation and Mining Width Design of Extremely Inadequate Mining of Linnancang Coal Mine LI Yu-ming1, JIA Hong-xu1 1． Linnancang Mining Corporation, Kailuan Group Co． , Ltd． , Tangshan 063018, China Abstract Strip mining was applied in the second mining area that under village at -650m level of Linnancang coal mine, numerical simulation analysis and design were done by numerical simulation RFPA, overburden movement and broken process were ana- lyzed, stable arch balance structure ed in overburden under medium harden interlayer rock structure and extremely inadequate mining condition, rock broken appeared in balance arch, rock bend deation appeared out of balance arch． Mining of ex- tremely inadequate mining of Linnancang coal mine was put forward on the basis of numerical simulation, coal pillar stability was ana- lyzed, the results of FLAC3Dsimulation showed that two extremely inadequate mining working faces would be isolated to a relative inde- pendence working face, when coal pillar width was 70m, then surface movement and deation could be controlled effectively． Key words extremely inadequate mining; mining width design; FLAC3D; numerical simulation; strip mining [收稿日期] 2015-08-19[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 019 [基金项目] 国家自然科学基金资助项目 51404272 [作者简介] 李玉明 1965-, 男, 河北玉田人, 工程硕士, 高级工程师, 矿长, 主要从事煤矿管理及开采沉陷的工作。 [引用格式] 李玉明, 贾红旭 ． 林南仓矿极不充分开采宽度设计与数值模拟研究 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 2 69-72, 117． 林南仓矿-650 水平二采区密集建筑群下深部 压煤开采包括 11, 12 两个可采煤层, 第四系松散 层厚度达 210m, 上覆岩层岩性较软, 开采深度大, 涉及地面焦庄子、 东六村和五村 3 个村庄, 其开采 条件复杂[1-2]。 林南仓矿近年来的开采深度亦越来越深, 随着 采深的增大, 小工作面开采由不充分逐渐进入极不 充分阶段。 极不充分开采能够减缓或者减轻对地表 的影响, 为 “三下” 开采提供了一个新的开采思 路[3-4]。 为研究开采宽度影响岩层移动和变形规 律, 为准确确定极不充分开采宽度提供依据, 采用 数值模拟方法是一个有效的途径[5-8]。 本文采用东 北大学唐春安教授等开发的岩石破坏过程分析软件 FLAC3D对极不充分开采岩层的移动和破坏过程进 行数值模拟计算。 在数值模拟的基础上, 对覆岩结 构破坏的过程进行了分析, 最后依据数值模拟覆岩 破坏的结论, 设计了林南仓矿东六村、 五村和焦庄 子村下压煤开采的采留宽。 该方法为矿区极不充分 开采宽度设计提供了新的方法和依据。 1 覆岩破坏的数值模拟分析 1． 1 上覆岩层移动和破坏过程分析 模型选择不同的开采宽度对上覆岩层的移动破 坏过程进行模拟。 各岩层的物理力学参数如表 1 所 列, 第四系松散层以均布载荷的形式作用在岩层之 上。 模型单元划分尺寸为水平方向 5m, 垂直方向 5m, 采用长壁开采, 工作面开切眼位置距模型边 界 200m, 模拟开采步距 20m, 分 4 步开采, 逐渐 扩大开采的宽度。 过程分析如下 1 随开采宽度的增大, 上覆岩层悬露, 在 上覆岩层载荷作用下, 开始弯曲变形, 当开采宽度 96 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 2 Series No． 129 April 2016 ChaoXing 表 1 数值模拟岩层的力学参数 序 号 岩性 弹性模 量/ MPa 抗压强 度/ MPa 自重/ 10 -5 Nmm -3 厚度 / m 1下二叠统唐家庄组粉砂岩4000202． 530 2下二叠统唐家庄组中砂岩6000552． 540 3下二叠统唐家庄组粉砂岩5000342． 525 4下二叠统唐家庄组泥岩3500202． 540 5下二叠统唐家庄组粉砂岩4000252． 525 6下二叠统大苗庄组中砂岩5000402． 525 7下二叠统大苗庄组粗砂岩8000602． 520 8下二叠统大苗庄组泥岩3500252． 515 9下二叠统大苗庄组粉砂岩3500302． 530 10下二叠统大苗庄组细砂岩4000402． 520 11下二叠统大苗庄组泥岩2500202． 525 12下二叠统大苗庄组粉砂岩5000302． 525 13下二叠统大苗庄组细砂岩4000252． 530 14煤 12200051． 55 15上石炭统赵各庄组粉砂岩100001002． 515 达到 40m 时, 上覆岩层破坏, 垮落。 2 随着开采宽度进一步扩大, 当开采宽度 达到 60m 时, 在采空区中央上覆岩层破坏的高度 增加到 35m, 上覆岩层的垮落形态为拱型。 3 当开采宽度达到 80m 时, 上覆岩层破坏 的高度进一步增加, 达到 45m, 上覆岩层在更高的 高度形成新的拱形平衡。 在平衡拱内垮落岩石呈松 散状态。 4 当开采宽度扩大到 100m 时, 上覆岩层破 坏的高度和范围进一步扩大, 拱的高度进一步增 加。 通过以上模拟计算, 对于中硬互层型的岩层结 构, 在极不充分开采条件下, 上覆岩层的垮落形态 近似椭圆拱型, 即在上覆岩层中形成了稳定的拱型 平衡结构。 在平衡拱内岩石破坏、 垮落, 在平衡拱 外岩层弯曲变形, 上覆岩层破坏和垮落的高度随开 采宽度的增大而增大。 1． 2 煤柱的隔离作用 采用 FLAC3D连续介质有限差分程序对岩层内 部的应力分布状态进行数值分析计算。 数值模拟假定开采两个工作面, 两个工作面走 向开采长度 800m, 倾斜开采宽度 60m。 假定两个 工作面间分别留设 20m, 50m, 70m 间隔煤柱, 分 析 3 种不同情况下, 上覆岩层应力分布状态。 图 1、 图 2 和图 3 分别给出了间隔煤柱为 20m, 50m 和 70m 时, 上覆岩层垂直应力的分布。 当两个工作面之间留设 20m 的间隔煤柱时, 上覆岩层垂直应力分布如图 1 所示。 与单采一个工 作面相比在每个采空区上方垂直应力未能形成拱形 平衡, 在距开采煤层水平一定高度上, 两个工作面 图 1 间隔煤柱 20m 时上覆岩层的应力分布 图 2 间隔煤柱 50m 时上覆岩层垂直应力分布 图 3 间隔煤柱 70m 时上覆岩层垂直应力分布 所形成的减压区迅速联成一个整体, 并且这一减压 区一直发育到地表。 由于在采空区上方不能形成应 力平衡拱, 有效地阻止上覆岩层的移动和变形。 如果将工作面之间的煤柱尺寸扩大到 50m, 在 煤柱上方将形成很高的垂直应力集中区 图 2, 煤柱上方的集中应力等值线类似于椭圆形, 这对煤 柱的稳定是极其不利的。 在煤柱上方高应力集中区 的两侧分别是两个采空垂直应力的减压区, 在一定 的高度上, 两个采空区的减压区联成一个整体, 与 煤柱为 20m 时相比, 两个工作面间隔煤柱为 50m, 采空区上方减压区并未发育到地表, 采空区上方减 压区的高度得到控制, 在减压区上方岩层内部的垂 直应力逐步接近原岩应力状态。 由采空区上方减压 区发育的形态和发育的高度可以说明此时地表的移 动和变形将小于间隔煤柱为 20m 时地表的移动和 变形, 间隔煤柱对地表的移动和变形规律产生了一 定的影响。 如果将两个工作面间的间隔扩大到 70m, 上覆 岩层内部的垂直应力分布见图 3。 从图中可以看 出, 在煤柱上方所形成的集中应力为马鞍形。 通过计算机数值模拟计算, 当煤柱宽度达到 70m 时, 可以将两个极不充分开采工作面隔离成相 对独立的开采工作面, 将有效地控制地表的移动和 变形。 07 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 2 极不充分开采采出宽度的确定方法 由计算机数值模拟可以看出, 随着开采尺寸的 增大, 直接顶首先弯曲变形并逐渐达到并超过自身 的极限强度, 该岩层首先断裂并冒落, 并在上覆岩 层中形成平衡拱。 随着工作面的进一步推进, 平衡 拱不断遭到破坏, 上覆岩层冒落的高度不断增加, 并在更高的高度形成新的平衡拱。 平衡拱外岩层随 拱内岩层的冒落而弯曲下沉, 并逐渐发展到地表, 在地表形成下沉盆地。 对于中硬互层型结构的岩层, 在采空区周围平 衡拱内的岩石冒落, 岩体破坏严重; 在平衡拱外, 上覆岩层逐渐由断裂破坏而转变成弯曲变形, 由于 各层之间岩性相差不大, 岩性较软, 各岩层基本上 是同步协调变形, 上方的岩层是随下方岩层的下沉 而下沉, 因此在各层之间很难形成离层裂缝。 在采 出空间逐层向上传播过程中, 影响范围也逐渐扩 大, 采出空间向横向逐渐展布, 结果在地表形成的 下沉盆地范围要比采空区范围大。 中硬互层型结构极不充分开采的开采宽度可以 用公式 1 [9] 计算 L q 1 - k H tanβ 1 式中, L 为开采宽度; H 为开采深度; q 为地表的 下沉率; k 为岩石的碎胀系数; tanβ 为主要影响角 正切。 此时, 由于开采空间只有 50 传播到地表, k 值可取 0． 5。 3 东六村、 五村和焦庄子村下压煤开采设计 3． 1 煤层工作面开采宽度的确定 利用极不充分开采进行建筑物下压煤开采, 工 作面的开采宽度是影响地表移动和变形的主要因 素, 因此, 工作面的开采宽度应满足地表移动和变 形的要求, 最大开采宽度不应使地表的移动和变形 所造成的地面建筑物损害超过规程规定的Ⅰ级采动 损害。 由公式 1 可确定中硬岩层的极不充分开采 的开采宽度 由林南仓矿实测资料, 主要影响角正 切 tanβ1． 9, 平均开采深度 H580m, k0． 5。 根 据地面建筑物抗变形的能力和开采厚度, 取两种允 许地表下沉率进行分析。 方案一 允许地表下沉率 q0． 12, 代入到上 式可得极不充分开采的开采宽度 L73m。 方案二 允许地表的下沉率 q0． 20, 代入到 上式可得极不充分开采的开采宽度 L122m。 根据以上确定的极不充分开采的开采宽度, 结 合实际采宽条件设计如下两种方案 方案一 采 60m 留 70m 方案, 共布置 3 个开 采工作面, 留设 2 个隔离煤柱。 方案二 采 100m 留 120m 方案, 共布置 2 个 工作面, 留设 1 个隔离煤柱。 图 4 为各开采方案示 意图。 图 4 12 煤层开采方案 比较方案一和方案二可知, 方案二工作面的开 采宽度由 60m 提高到 100m, 工作面的开采宽度加 大, 并少布置一个工作面, 少掘进巷道 1600m, 从 开采角度来说方案二优于方案一。 但是, 由于方案 二工作面开采宽度加大, 采动程度增加, 地表移动 和变形也随之增加, 特别是林南仓矿松散层厚度达 150m, 属于厚松散层下压煤开采, 根据实测资料, 厚松散层下开采, 地表的移动和变形较大, 同时在 地表往往伴随非连续变形。 3． 2 保留煤柱的宽度和稳定性 3． 2． 1 煤柱强度与安全系数 根据 A． H． Wilson 1972 假设, 煤柱 有核 区或无核区 煤柱承载能力的计算公式如下 3． 2． 1． 1 有核区宽煤柱 a0． 00984MH 1 方煤柱 Lc 4γHa2- 9． 84aMH 10 -3 48． 44M2H2 10 -6 式中, Lc为煤柱承载能力, kg; γ 为覆岩平均容 重, MN/ m3; H 为覆岩厚度, m; a 为煤柱宽度, m; M 为煤柱高度, m。 2 长方煤柱 Lc 4γH[aL - 4． 92a LMH 10 -3 48． 44M2H2 10 -6 ] 式中, L 为煤柱长度, m。 17 李玉明等 林南仓矿极不充分开采宽度设计与数值模拟研究2016 年第 2 期 ChaoXing 3 长煤柱 Lc 4γHLa - 4． 92MH 10 -3 3． 2． 1． 2 无核区窄煤柱 a0． 00984MH 1 方煤柱 Lc 135γa3/ M 2 长方煤柱 Lc 406γa2L - a L /2 a/3 / M 3 长煤柱 Lc 203γLa2/ M Wilson 还指出 在一般采深时, 煤柱宽度可取 采深的 12, 或取采深的 10 外加 9． 1 13． 7m, 即 a0． 12H 或 a0． 1H 9． 1 13． 7 m 3． 2． 2 煤柱所承受的载荷 A． H． Wilson 1970 导出的煤柱载荷计算方 法见图 5, 公式如下 1 煤柱两侧采空区宽度 b 大于 0． 6H 时 P γHb 0． 3HL′ 式中, L′为煤柱长度加两端巷道宽度, m; P 为煤 柱荷载, MN; 其他符号意义同前。 2 煤柱两侧采空区宽度小于 0． 6H 时 P γ[Ha b1 4 2H - b1 0． 6 b2 4 2H - b2 0． 6]L′ 若煤柱两侧采出宽度相同即 b1 b 2b, 则简 化为 P γ[Ha b 2 2H - b 0． 6]L′ 图 5 Wilson 煤柱载荷计算方法 3． 2． 3 煤柱安全系数 煤柱安全系数可以按下式计算 f Lc/ S 取最大开采深度 H 640m 计算, 每个煤柱的 宽度均大于 0． 00984MH, 因此, 各煤柱均为有核 区煤柱, 计算结果见表 2。 设计极不充分开采工作 面的开采的宽度小于 0． 6H, 煤柱所承受的载荷见 表 2。 根据国内外经验, 按照 A． H． Wilson 计算公式 表 2 12 煤层开采煤柱强度与安全系数 煤柱 编号 煤柱宽 度/ m 宽厚比 平均深 度/ m 承载能 力/ MPa 承受载 荷/ MPa 安全 系数 Ⅰ7017． 55603． 31． 71． 9 Ⅱ7017． 56003． 51． 81． 9 计算煤柱强度, 煤柱的安全系数在 1． 6 以上时, 煤 柱是安全稳定的, 不会发生溃屈。 由表 2 可以看 出, 本次设计煤柱的安全系数为 1． 9, 因此, 煤柱 是安全的, 不会破坏。 3． 3 方案实施与实测分析 林南仓煤矿自 2003 年 10 月至 2004 年 5 月对 2222 工作面回采, 回采走向长 570m, 倾斜 60m; 2224 是 2004 年 4 月开采至 2004 年 12 月结束, 回 采走向长为 620m, 倾斜 60m。 回采方法采用走向 长壁后退式, 一次采全厚综合机械化轻型放顶煤, 采高 2． 2m, 放煤 3． 1m; 顶板管理为全部跨落法。 林南仓矿针对东二小采区地表地形设置地表观测 线。 位置在 2222 工作面中心以东 120m, 方位 N174, 倾斜方向总长 1120m, 共计 54 个测点。 自 2003 年 9 月 23 日起观测地表移动。 观测方法采用 四等水准施测。 2222 回采结束后, 地表最大下沉 量为 309mm; 2224 工作面单面回采结束后, 地表 最大下沉为 695mm。 见图 6。 图 6 2222, 2224 开采后实测地表下沉曲线 由 2222 和 2224 工作面地表移动观测可知, 地 表下沉率为 0． 13, 下沉系数 0． 15。 与邻近全采区 域地表下沉相比, 地表下沉量较小, 下沉系数小, 说明所设计条带开采方案达到了控制地表下沉的效 果。 实测数据表明采用数值模拟方法进行林南仓矿 极不充分开采设计时是可行有效的。 研究成果为林 南仓矿建下开采设计提供了新的方法和途径。 4 结 论 结合 FLAC3D数值模拟软件, 对林南仓矿极不 下转 117 页 27 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 表 6 数据精度对比m 点号XYZ CP1-r10． 00210． 05320． 0023 CP2-r20． 03350． 02210． 0007 CP3-r30． 0052-0． 00770． 0001 CP4-r40． 00230． 02610． 0021 CP5-r50． 02950． 01350． 0022 CP6-r60． 0305-0． 01430． 0001 CP7-r70． 0210-0． 00390． 0002 中误差0． 02380． 02730． 0016 差值分别为 0． 0238m, 0． 0273m 和 0． 0016m, 拼接 后的成果满足一般工程产品的制作精度要求, 可以 进行正常的工程应用数据采集工作。 3 结 论 以 1″级高精度全站仪所测数据为基准, 基于 重心类方法提取出靶标中心位置信息, 通过设计简 易的检测平台, 对三维激光扫描仪精度进行了检 验, 从而达到了快速检验三维激光扫描仪精度的目 的, 为地面三维激光扫描仪精度的定期检验提供了 一种有效的解决方法。 [参考文献] [1] 刘 春, 张蕴灵, 吴杭彬 ． 地面三维激光扫描仪的检校与精 度评估 [J] ． 工程勘察, 2009, 37 11 56-60, 66． [2] 陈允芳, 叶泽田, 谢彩香, 等 ． IMU/ DGPS 辅助车载 CCD 及 激光扫描仪三维数据采集与建模 [J] ． 测绘科学, 2006, 31 5 91-92, 77． [3] 陈俊杰, 闫伟涛 ． 基于激光点云的平面靶标中心坐标提取方 法研究 [J] ． 工程勘察, 2013, 41 8 53-57． [4] 蔡庆生 ． 地面三维激光扫描仪测距检校与精度评定 [J] ． 测 绘与空间地理信息, 2015, 38 1 217-221． [5] 谢宏全, 高祥伟, 邵 洋 ． 地面三维激光扫描仪测距精度检 校试验研究 [J] ． 测绘通报, 2013 12 25-27． [6] 刘 春, 杨 伟 ． 三维激光扫描仪对构筑物的采集和空间建 模 [J] ． 工程勘察, 2006, 34 4 49-53． [7] 冒爱泉, 朱益虎, 郝思宝, 等 ． 地面三维激光扫描仪精度测 评方法和误差改正模型研究 [J] ． 测绘通报, 2014 2 72-75． [8] 张启福, 孙现申, 王 力 ． 基于简易六段法的 RIEGL VZ-400 激光扫描仪精度测试方法研究 [J] ． 工程勘察, 2011, 39 3 63-66, 81． [9] Yuriy Reshetyuk, Milan Horemuz, Lars E． Sioberg Determination of the optimal diameter for spherical targets used in 3D laser scan- ning, Survey Review, 2005, 38 297 243-253． [10] Balzani, M． , Pellegrinelli, A． , Perfetti, N． and Uccelli, F． , 2001． A terrestrial laser scanner accuracy tests． Proceedings of 18thInternational Symposium CIPA 2001, Potsdam Germany, September 18-21 445-453． [11] Shultz, T． and Ingensand, H． , 2004． Terrestrial Lalser scan- ning-Investigations and Applications for High Precision Scan- ning． Proceedings of FIG Working Week, Athens, Greece, May 22-27． http / / www． fig, net/ pub/ athens/． [12] 官云兰, 詹新武, 程效军, 等 ． 一种稳健的地面激光扫描靶 标球定位方 法 [ J] ． 工 程 勘 察, 2008, 36 10 42 - 45, 49． [13] 梁建军, 范百兴, 邓向瑞, 等 ． 三维激光扫描仪球形靶标测 量方法 与 精 度 评 定 [ J] ．工 程 勘 察, 2011, 39 2 81-84． [14] 王 研, 张晓林, 李晓飞, 等 ． 影像密集匹配技术辅助三维 激光扫描仪对点云的提取 [J] ． 测绘技术装备, 2014, 16 4 81-83． [15] 程效军, 施贵刚, 王 峰, 等 ． 点云配准误差传播规律的研 究 [J] ． 同济大学学报 自然科学版, 2009, 37 12 1668-1672．[责任编辑 施红霞] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 72 页 充分开采条带煤柱的稳定性进行分析, 依据数值试 验结果设计了条带开采的方案, 主要结论如下 1 应用 FLAC3D有限元程序对 12 煤层不同 开采宽度上覆岩层的移动破坏过程进行了数值模拟 计算, 认为采动程度是控制该采区地表移动和变形 的主要因素, 并给出了极不充分开采采出宽度的计 算方法。 2 设计了 12 煤层的条带开采方案, 确定 12 煤采宽 60m, 留宽 70m 的开采方案, 实际应用验 证了方案的可行性。 [参考文献] [1] 刘金辉, 张 峰 ． 林南仓矿业分公司风井工业场地及风机房 损坏原因分析 [J] ． 矿山测量, 2006 2 69-71． [2] 王 猛, 朱炎铭, 袁 伟 ． 林南仓煤矿矿井构造特征 [J] ． 黑龙江科技学院学报, 2006 6 382-386． [3] 张显峰, 静国峰, 刘进文 ． 林南仓矿煤层群上行开采技术实 践 [J] ． 矿山测量, 2011 1 66-68． [4] 丁立峰, 霍志朝, 赵春景 ． 林南仓矿东一采区煤 12 覆岩导水 裂隙带高度确定技术及开采方案 [J] ． 煤炭工程, 2011, 43 8 61-63． [5] 刘建庄, 王作棠, 宫平阳, 等 ． 林南仓矿软岩巷道底鼓综合 治理技术实践 [J] ． 煤炭工程, 2011, 43 9 50-52． [6] 宋恩春 ． 开滦林南仓矿构造发育规律研究 [J] ． 水力采煤与 管道运输, 2010 2 17-2095． [7] 郭乃厚, 刘曙聪 ． 林南仓矿软岩巷道支护 [J] ． 建井技术, 1996 S2 84-85． [8] 曲光春 ． 林南仓矿膨胀性岩石中的巷道施工经验 [J] ． 建井 技术, 1986 3 26-29． [9] 郭增长. 极不充分开采地表移动预计方法及建筑物深部压煤 开采技术的研究 [D]. 北京 中国矿业大学 北京, 2000． [责任编辑 李 青] 711 段龙飞等 三维激光扫描仪测量精度的快速检查方法2016 年第 2 期 ChaoXing