梁宝寺矿区条带开采地表变形的数值模拟.pdf

- 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 梁宝寺矿区条带开采地表变形的数值模拟 张书建1，马洪江2* 作者简介作者简介张书建（1986-），男，主要研究方向为煤矿井下人员定位. E-mail hailiankong （1. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008； 2. 山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 烟台 261438） 摘要考虑到生产能力的续接，梁宝寺煤矿需立即开采 3400 采区。但 3400 采区建筑物下压 煤情况严重， 村庄搬迁面临财力与搬迁新址征地困难的双重阻力， 拟采用条带开采方法开采 建筑物下压煤。 根据 3100， 3200 采区的采煤实践， 建议 3400 采区采用采宽 100m， 留宽 120m 的开采方案。用 FLAC 2D 软件对 3400 采区条带开采的地表移动和变形进行模拟。通过对开 采 5 个条带的方案进行数值模拟，并与概率积分法的计算结果进行比较，可知采用的开采 方案能够有效的控制地表变形，满足工程要求；FLAC 2D 的模拟结果是可靠的。 关键词条带开采；FLAC 2D；数值模拟；建筑物下采煤 中图分类号TD325 Numerical simulation of ground surface deation due to strip mining of Liangbaosi mine Zhang Shujian1, Ma Hongjiang2 1. School of Environment Science and Spatial Inatics, JiangSu XuZhou 221008; 2. XinCheng Gold Mine, ShanDong Gold Group CO. LTD., ShanDong YanTai 261438 Abstract Considering the development of the production capacity, the 3400 mining area of Liangbaosi Coal Mining must be exploited. However, there are many buildings above 3400 mining area. Moving out the villages needs too much money and where moving to is difficult to decide. As a result we plan to use strip mining to excavate the coal under buildings. According to the coal mining practice of 3100 and 3200 mining area, 3400 mining area is suggested to set the mining width 100m and retaining width 120m. We will use the FLAC 2D software to imitate the earth surface movement and distortion of the 3400 mining area when we using trip mining to excavate coal. Through numerical simulation of the 5 strip mining program as well as compared with the result of probability integral , we can come to the conclusion that the scheme we adopted can effectively control the surface deation; The imitated result of FLAC 2D is credible. Keywordsstrip mining;FLAC 2D;numerical simulation;mining under buildings 0 引言引言 梁宝寺能源有限公司核定生产能力为 240 万 t/a。按照矿井的初步设计，矿井先期开采 3100 和 3200 采区，后续开采 3300 和 3400 采区。由于 3100、3200 采区村庄压煤严重，梁 宝寺能源公司自 2005 年投产以来，3100、3200 采区一直采用条带垮落法开采。据 3400 采 区地质报告，采区范围内保有资源储量 2401 万 t，可采储量 1599 万 t，在总资源储量中，村 庄及村庄保护煤柱压煤量为 2185 万 t，占 91％。由于在实施 3100、3200 采区开采影响范围 内的 11 个村庄搬迁过程中遇到了很大的阻力，其搬迁进度得不到保证，至今尚未解决新村 址的征地任务。根据目前的搬迁工作进度估计，2009 年上半年很难完成 3100、3200 采区村 庄的搬迁工作， 但 3400 采区 2009 年上半年必须有采煤工作面的接续才能保证矿井的生产能 力。3400 采区影响范围内地面有黄河李等共 11 个村庄和梁宝寺造纸厂等 5 个企事业单位， 主要分布在含煤区。为保证矿井的正常生产和接续，根据 3400 采区的地质采矿条件，参考 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 3100 和 3200 采区条带开采的岩移观测成果，依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规程的有关规定须对 3400 采区的开采方案进行设计，保证安全开采。 1 开采方案设计开采方案设计 梁宝寺公司自 2005 年投产以来， 3100、 3200 采区一直采用条带垮落法开采， 采宽 80m， 留宽 110～120m，其中 3100 采区已开采完设计的 9 个条带，3200 采区已开采完成 9 个设计 条带中的 7 个。目前，矿井开采对村庄影响程度较轻，矿井生产正常。各工作面条带开采后 实测的地面最大下沉值为 717mm，造成地面村庄民房Ⅱ级以下破坏。3100、3200 采区采用 采宽 80～100m，留宽 110～120m的条带开采方案较好地解决了村庄压煤开采问题。 根据对梁宝寺能源有限公司的压煤条件分析，3400 采区如果采用全部垮落法开采，村 庄民房将处于Ⅲ级及以上损坏状态，开采影响范围将殃及 3400 采区开采影响范围内的 11 个村庄和 5 个企事业单位。根据 3100、3200 采区村庄下采煤的实践经验，考虑到梁宝寺能 源有限公司的生产经营特点及区域地质采矿条件，先期拟选择条带垮落法开采。3400 采区 的平均采深明显大于 3100、 3200 采区， 故采取条带开采方案开采 3400 采区村庄下压煤是可 行的。参考 3100、3200 采区村庄下采煤的实践经验，考虑采深、采厚等因素并顾及未来回 收保留条带煤柱的方便，拟采用留宽 120m，采宽 100m 的大条带法开采。 2 条带开采采留尺寸的计算方法条带开采采留尺寸的计算方法 采用条带垮落法开采并获得预期的效果， 必须遵循两个基本原则。 一是采后条带煤柱应 有足够的强度和稳定性， 以有效地支撑上覆岩层作用在煤柱上的载荷， 以达到减少地表移动 和变形的目的；二是条带煤柱的采出宽度 b，其尺寸应限制在不使地表出现明显的波浪状起 伏，而出现单一平缓的下沉盆地。采用方案的技术关键是合理地确定采宽和留宽尺寸，并在 此前提下尽量提高采出率。 2.1 采宽采宽 b 的确定的确定 根据目前的理论及现场实践[1],[2]，采宽 b 的选择小于采深 H 的 1/3 时，地表不出现波浪 状下沉盆地，一般取 b0.1～0.25H。同时，具体确定采宽留宽尺寸时，有时还要考虑顶板 来压情况。 梁宝寺能源公司 3400 采区设计开采区域采深 689～939m， 平均采深 814m， 根据上式计 算的采宽 b 的合理尺寸为 70～235m。 2.2 留宽留宽 a 的确定的确定 为了保证保留煤柱有长期支撑上覆岩层载荷的强度， 避免因煤柱留设的不够而造成上覆 岩层大面积来压压垮保留煤柱的情况发生，a 的确定要满足 5 a m ≥ 0.018.4,amHm≥ 式中，m－采厚，m。 同时要考虑合理的采出率 ρ ， ρ 要满足下式要求 70 b ab ρ≤ 由于 3400 采区 3（3 上）煤层工作面开采尺寸较大，直接顶为 3.39m的粉砂岩、泥岩、 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 中砂岩顶板，老顶为 13.88m 裂隙发育的中细砂岩，顶板容易垮落充填采空区，可按三向受 力状态计算保留煤柱 a（长煤柱）的宽度，即 2 3 6.5610, 33.6 bb amHm H − − 必须保证选取的 a 值要有一定的安全系数 K，使得 K1.4。 根据条带采留尺寸的计算方法，3400 采区采深按 689～939m 计算，根据地表只出现单 一平缓下沉盆地的要求以及压煤区域等综合因素分析确定，a120m，b100m，此时，平均 /0.123D H ，条带采留宽度及煤柱安全系数计算结果见表 1，由此可见，设计煤柱符合 要求。 表 1 3400 采区条带开采采留宽度及煤柱安全系数 Table 1 Mining width, pillar width and safety factor of pillar in strip mining of 3400 mining area 采区 开采煤层 m/m b/m a/m K ρ/ Hmax/mm 3400 3（3 上） 7.00 100 120 2.0060.455 939 3 概率积分法概率积分法 进行地表移动预计的计算方法很多，按照“三下采煤”规程的规定，采用概率积分 法[3-5]进行预计。 3.1 计算参数的选取计算参数的选取 通过对梁宝寺能源有限公司综合地层条件分析， 根据本矿以往条带开采的实践经验， 参 考周边矿井的经验数据，考虑到 3400 采区村庄压煤区域开采条件的特殊性和煤层变化的特 点，比照 3100、3200 采区村下采煤的实际经验，岩层移动参数的选取留有一定的安全系数， 经综合分析，在采宽 100m，留宽 120m的条件下，确定的岩层移动计算参数如表 2。 表 2 岩移计算参数表 Table 2 Calculate parameters of rock movement 煤层 岩 移 参 数 煤层 采厚/m 倾角/ 采出面积比/ q btgβK S 3（3 上） 7.00 10 45.5 0.140.32 0.3 0 3.2 计算结果分析计算结果分析 通过编程计算，得到 3400 采区最大下沉为 951mm，最大水平移动为 285mm。由计算 图表可以看出，梁宝寺能源公司 3400 采区采用条带垮落法开采后，比照“三下采煤”规 程种房屋损坏等级划分标准，影响范围内 173.93 万 m2的村庄区域最大水平变形值小于 0.8mm/m，处于Ⅰ级损坏范围；20.96 万 m2的村庄区域最大水平变形值大于 0.8mm/m，处于 Ⅱ级损坏范围；无Ⅲ级损坏区域。 4 数值模拟数值模拟 针对梁宝寺煤矿开采的具体条件， 采用美国 Itasca Consulting Group Inc 开发的数值模拟 软件 FLAC，根据地层力学参数与井下煤层开挖尺寸，模拟条带开采地表移动规律，预计地 表变形值。 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 4.1 模拟模型模拟模型 （1）物理模型 依据梁宝寺煤矿工程地质岩组柱状图， 模拟开采 5 个条带引起的地表移动。 煤层平均采 深 814m，表土层厚 397.7m，煤厚 7.00m，将模拟的长度和模型高度增加，以便消除边界对 模型的影响程度。 （2）边界条件 模型的左右边界上， x 方向的位移较 y 方向的位移为小， 因此将水平方向的位移置为零， 即给水平方向的约束；下部边界上，x、y 两个方向上的位移都很微小，均可作为零位移边 界；上部边界上，水平和垂直两个方向的位移都比较大，不予约束。即模型两侧表示 x 约束 边界，即只有 y 方向的位移；模型下部边界表示全约束边界，即没有自由度；上边界为自由 边界。边界条件如图 1。 表土层 各岩层 底板 图 1 边界条件 Fig.1 Boundary conditions （3）单元划分 采用四边形平面单元，单元长 10m，高 2～10m，模型共划分成 14220 个四边形平面单 元。 （4）岩石力学参数的选取 岩石是一种脆性材料，当荷载达到屈服强度后将发生破坏、弱化，应属于弹塑性体，在 此选择莫尔库仑准则， 计算中采用的岩石力学参数与工程地质力学模型模拟试验采用的 数据相同。模型中采用的岩层力学参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强 度和密度，详细参数见表 3。 表 3 常用岩土层力学参数表 Table 3 Table of common rock and soil layers’ mechanical parameters 密度 序号 工程地质 类型 kg/m E/MPa μ c/MPa 抗拉强度 /MPa φ/ 1 土层 2200 9.657 0.300 0.12 0.002 21.2 2 泥炭 2388 5533 0.268 1.39 1.152 30.1 3 粉砂岩 2432 1008 0.272 2.68 2.126 32.5 4 细砂岩 2712 11680 0.217 14.04 4.241 35.1 5 粉砂岩 2613 17560 0.250 4.01 2.766 36.1 6 煤层 1403 989 0.240 2.02 0.179 30.2 4.2 条带开采数值模拟条带开采数值模拟 煤炭开采后，覆岩原始应力受到破坏并重新达到平衡。通过 FLAC[6-9]，可以得到开采 五个条带的水平与竖直方向的位移等值线图、水平与垂直方向的应力分布图等。如图 2、图 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 3 所示。 a 垂直位移等值线图 b 水平位移等值线图 图 2 位移等值线图 Fig.2 Table of displacement contours a 垂直应力分布图 b 水平应力分布图 图 3 应力分布图 Fig.3 Table of stress distribution 对网格点进行监测，通过采前采后对比可以得到地表沉降变形曲线、水平变形曲线，如 图 4、图 5 所示。 图 4 地表下沉曲线 图 5 水平位移曲线 Fig.4 Surface subsidence curve Fig.5 Horizontal movement curve 经统计，通过 FLAC 模拟得到的 3400 采区地表最大下沉值为 986mm，最大水平位移为 315mm。 5 分析分析 将 FLAC 模拟结果与概率积分法所得结果进行对比，即表 4。 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 表 4 对比分析表 Table 4 Comparative analysis table 预计方法 最大下沉值/mm最大水平位移/mm 数值模拟法 986 315 概率积分法 951 285 数值模拟的结果不仅与概率积分法所得的结果互为验证， 通过模拟， 可以得到以下结论 （1）数值模拟图可直观地给出开采后覆岩应力场和位移等值线的分布，模拟结果将给 出的条带开采后覆岩移动变形破坏规律可视化。 （2） 就本区工程地质条件而言， 留宽为 120m、 采宽为 100m的条带开采方案是合理的， 在此条件下，使用条带综放开采，可以有效地控制地表沉陷，开采后地表村庄大部分房屋会 产生 I 级损坏以内的损坏，小部分可能达到Ⅱ级损坏。 通过对比分析，两种方法结果数值相差不大，可知模拟预测结果是可靠的，说明利用 FLAC 数值模拟方法预计地表变形是可行的。 [参考文献参考文献] [1] 国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京煤炭工业出版 社,2000 [2] 吴立新，王金庄，刘延安．建（构）筑物下压煤条带开采理论与实践[M]．徐州中国矿业大学出版社， 1994 [3] 何国清等.矿山开采沉陷学[M].徐州中国矿业大学出版社，1991 [4] 吴侃等.开采沉陷预计一体化方法[M].徐州中国矿业大学出版社,19983 [5] 王金庄等.矿山开采沉陷及其损害防治[M].北京煤炭工业出版社,1995 [6] 谢和平,周宏伟,王金安,等. 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