近距离薄煤层条带开采引起地表变形模拟分析

近距离薄煤层条带开采引起地表变形模拟分析
王传团1，2，潘志存2，张学豪2
（1．中国矿业大学资源学院，江苏徐州221008；2．济宁市金桥煤矿，山东济宁272200）
摘要近距离薄煤层条带开采是“三下”开采中控制覆岩移动变形和地表沉陷的有效方法之一，提高煤炭资源回收率，同时减少煤矿开采对矿区环境、地表破坏的影响，具有重要的理论意义和应用价值。

本文采用数值模拟方法研究了近距离薄煤层条带开采引起的地表变形特征，结果表明：当采出率为50%时条带方案选取采40m留40m时最为合适。

关键词近距薄煤层条带煤柱数值模拟地表变形
中图分类号TD325+．2文献标识码A
Simulation Analysis of Surface Deformation by Strip Mining in the Short－Distance Thin Coal Seam
Wang Chuan－tuan1，2，Pan Zhi－cun2，Zhang Xue－hao2
（1．School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology，221008；2．JinQiao Mine，JiNing，272200）Abstract The strip mining in short－distance thin coal seam is one of the effective methods controlling displacement deformation of overlying strata and surface subsidence in coal mining under buildings and railroads and water bodies．The method has a great theoretical significance and application value by increasing recovery rate of coal resources and cutting down the effect of coal mining on environment and surface of mining area．The numerical simulation method is adopted to study the surface deformation characteristics by the strip replacement mining in short－distance thin coal seam．Such conclusions are drawn as follows：the strip project of forty meters mining with forty meters reserving is quite suitably selected while half of mining rate．
Key words short－distance thin coal seam strip coal pillar numerical simulation surface deformation
中国2010年煤炭规划产量为25亿t，2020年为28亿t，煤炭将长期是中国的主要能源［1］。

据不完全统计“三下”压煤量达140亿t，仅全国建筑物下压煤量就达87．6亿t，占“三下”压煤总量的63．5%［2］。

鉴于条带开采在解放“三下”压煤中的重要作用，国内外学者对条带开采技术进行了大量的研究。

如条带开采地表移动机理和规律［3，4］、条带开采地表移动和变形预计方法和预计参数［5，6］、条带煤柱稳定性［7，8］、条带开采优化设计［9］等。

条带开采由于能有效地控制地表沉陷，保护地面建（构）筑物和生态环境，一般不增加或较少增加吨煤生产成本，而且有利于安全生产，生产管理也不复杂。

因此，深入研究作为“三下”采煤重要技术措施的条带开采无疑对解放“三下”压煤具有重要意义。

为此本文拟采用FLAC3D软件对近距离薄煤层村下条带开采方式所引起的地表变形情况进行研究分析。

1数值模拟
1．1计算模型的确立
根据某煤矿所处区域的实际地质条件，建立倾斜方向长度为600m（X方向），走向方向长度为700m（Y 方向）及垂直方向长度为374m（Z方向）的三维计算模型，即三维计算模型大小为600ˑ700ˑ374m，模型共有258600个单元，273128个节点。

为了提高计算精
*收稿日期：2011－09－22
作者简介：王传团（1970－），男，1994年毕业于中国矿业大学采矿工程系。

现任济宁市金桥煤矿总工程师，现攻读中国矿业大学资源学院矿业工程硕士，曾在国内知名刊物发表论文数篇。

曾获得省部级科技成果一、二、三等奖多项。

度，工作面周围网格进行加密处理，其他部分网格成发散状，如图1所示。

模型的两侧面（水平方向）采用水平位移约束，模型底面采用垂直方向及水平方向位移约束，模型上部边界为地表，因此采用自由面。

图1计算区域内模型网格划分
1．2岩体力学参数的选取
本计算选取莫尔—库仑模型进行计算分析。

依据现场地质调查和相关试验研究所提供的岩石力学试验结果，在考虑岩石尺度效应的基础上，最终确定模拟计算所需的岩体力学参数。

1．3分析方案
为了正确模拟分析近距薄煤层条件下不同煤柱尺寸时地表变形情况，为在建筑物下进行多工作面联合条带开采提供理论基础及必要的科学依据，特制定如下两类计算方案，其中第一类主要分析同一采出率不同煤柱留设尺寸，以采出率为50%为基准，煤柱留设尺寸分别为30m、40m及50m共3个计算方案；第二类主要分析同一采出尺寸不同煤柱留设宽度，以采出宽度为40m为基准，留设煤柱尺寸分别为10m及40m共
2个方案。

2结果分析
由于岩层与地表移动的过程十分复杂，它与许多地质采矿因素存在关联，其间存在着复杂的非线性关系，其影响因素也很复杂，这些因素有些是确定的、定量的，有些则是随机的、定性的、模糊的，难以用数学或力学的方法进行全面而准确地描述。

为此本项目特分析在不同煤柱留设尺寸的条件下，随着工作面的向前推进，地表的变形情况分析结果分别为：沿工作面走向方向，煤柱尺寸分别为30m、40m及50m时，地面在工作面开采完毕后所对应的水平变形及垂向位移分别如图2 3所示；沿工作面倾向方向，煤柱尺寸分别为30m、40m及50m时，地面在工作面开采完毕后所对应的水平变形及垂向位移分别如图4 5所示。

从图2 5中可以看出，无论工作面开采方式采用采30m留30m、采40m留40m还是采50m留50m，工作面开采完毕后，所引起地表水平变形、水平移动及下沉都呈现出一定的规律；从工作面倾斜方向及走向方向的不同方案所引起的地表变形的结果对比可以看出，采40m留40m方案最优。

图5同一采留比条件下地面沿倾向下沉曲线
图6 7描述了沿工作面走向方向，采出宽度为40m，煤柱尺寸分别为10m及40m时，地面在工作面开采完毕后所对应的水平变形及垂向位移分布情况；图8 9描述了沿工作面倾斜方向，采出宽度为40m，煤柱尺寸分别为10m及40m时，地面在工作面开采完毕后所对应的水平变形及垂向位移分布情况。

由图6 9可以看出：从工作面倾斜方向及走向方向的不同方案所引起的地表变形的结果对比可以看出，地表最大下沉值随着采留比的增加而增加；当采留比为4时，所得的地表最大下沉值为80．3mm，采留比为1时，所得的地表最大下沉值为36．3mm。

同时地表最大水平变形值也随着采留比的增加而增加。

因此单纯从提高煤炭资源回收率的角度考虑，采留比越小越好；但如果要考虑地面建筑物的安全，（下转第76页）
M H 2=ʃ71
L 槡
2槡=ʃ711=ʃ0．071m 2．1．6
井下水准测量引起K 点在高程方向上的误
差依据《煤矿测量规程》规定：井下水准测量每公里
测量中误差为：
M H 1=ʃ50/槡
2=ʃ35mm 井下水准路线长4900m ，则一次高程测量引起的高程误差为：
M H 3=ʃ35槡
L =ʃ0．077m 2．1．7贯通点在竖直方向上的总误差
M HK =ʃ
M 2H 1下+M 2H 2下+M 2H 3下槡
）=ʃ0．126m （8）贯通相遇点在高程方向上的预计误差
取二倍中误差作为贯通预计误差：M H 预=2M Hk =ʃ0．126ˑ2=ʃ0．252m
2．2
具体测量工作及资料分析（1）2009年12月14日，－740m 通过线至前七二段轨道下山第一次测量。

测量导线20站，导线全长1449．098m 。

（2）2010年1月25日，－740m 通过线至前七二段轨道下山进行了第二次测量。

检36—检35起始，测量导线24站，导线全长1860．077m 。

（3）2010年02月27日，前七集中运输巷至前七二段轨道下山进行了复测。

27－28起始，此次测量把边附到前七二段轨道下山A －24。

测量导线共17站，导线全长669．584m 。

两遍相对精度为：0．047/1860=1/39574。

高程允许差：+0．126m ，方位允许差为：△a =ʃ14ᵡn 1+n 槡2=ʃ105ᵡ。

如表1。

表1－740m 通过线至前七二段轨道下山测量精度分析
项目最后一个点24号点坐标A －24X （m ）Y （m ）Z （m ）方位a
一遍4004465．97220571604．059－954．868344ʎ47'45ᵡ二遍4004465．94920571604．018－954．870344ʎ46'05ᵡ差值
－0．023
－0．041
+0．002
－100ᵡ
以上数据平均值作为最终成果资料
（4）2010年3月31日，－1100m 管子井至
－1100m 东大巷测量。

此次测量起始边使用－1100m 管子井11－13。

该点在－1100m 水平明风工程中由检35－检36测至11－13，已经实测3遍，且检查角没有超限，中间这部分点无须再重测，可以当起始边直接使
用。

测量导线8站，
导线全长1045．647m 。

根据以上资料的精度分析，精度都在允许的范围内。

选择一二遍的资料平均后作为起始数据向后计算。

2．3
贯通测量中提高精度的方法
工程测量中使用的所有仪器均经过西安国家测绘一队鉴定所鉴定合格，在使用过程中，对仪器经常进行日常检查；实测过程中，严格按《煤矿测量规程》要求测量。

（1）井下测量由于巷道风速影响，对中的精度也不一样。

为了减少对中误差，井下测量时全部测量点选用底板点。

只在相对稳定的巷道内设立顶板点，以便多次测量时与原数据进行比对。

（上接第74页）则要针对不同地质进行采留比优化计
算，以确定最合适的采留比。

图9不同采留比条件下地面沿倾向下沉曲线
3结语
地下煤层采出后，采空区顶板岩层在自重及其上
覆岩层作用下，
向下弯曲、移动，当其内部拉应力超过岩石的强度极限时，直接顶板便断裂、破碎而冒落。

其上部的老顶岩层以梁弯曲的形式沿层面的法线方向移动、弯曲、进而产生断裂。

地表最大下沉值及最大水平变形值都随着采留比的增加而增加，同时在同一采留比，即采出率为50%时，采40m 留40m 方案所得到的地表变形值均小于其他方案，在此计算地质下近距离
薄煤层村下条带开采方案选取采40m 留40m 时最为合适。

参考文献：
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［2］Guo Wenbin ，Deng Gezhong ，Zhou Youfeng．条带开采的非线性理论研究及应用［M ］．China ，Xuzhou ：中国矿业大学出版社，2005，31 33
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．岩石力学与工程学报，
1990，9（2）：147 153［4］胡炳南，袁亮．条带开采沉陷主控因素分析及设计对策［J ］．煤矿开采，
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