梁宝寺矿区条带开采地表变形的数值模拟

1、梁宝寺矿区条带开采地表变形的数值模拟    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

2、可靠的。关键词：条带开采；FLAC 2D；数值模拟；建筑物下采煤0 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

3、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 开采方案设计梁宝寺公司自2005 年投产以来

4、，3100、3200 采区一直采用条带垮落法开采，采宽80m，留宽110120m，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，造成地面村庄民房级以下破坏。3100、3200 采区采用采宽80100m，留宽110120m 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

5、。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

6、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 b 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b=(0.10.25)H。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689939m，平均采深814m，根据上式计算的采宽b 的合理尺寸为70235m。2.2 留宽 a 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

7、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：a 5ma 0.01mH +8.4,m式中，m采厚，m。同时要考虑合理的采出率 ， 要满足下式要求：b 70%a b = +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、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26.56 10 3 ,3 3.6a mH b b mH= × ? + ?必须保证选取的a 值要有一定的安全系数K，使得K>1.4。根据条带采留尺寸的计算方法，3400 采区采深

8、按689939m 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，a=120m，b=100m，此时，平均D / H = 0.123，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。3 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

9、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。3.2 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，处于级损坏范围；无级损坏区域。4 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

10、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。4.1 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

11、；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。（3）单元划分采用四边形平面单元，单元长10m，高210m，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。4.2 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 FLAC6-9，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 分析将 FLAC 模拟结果与概率积分法所得结果进行对比，即表4。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