近水平煤层条带开采沉陷实测纠偏软件及应用

赖文奇,许家林,谢建林

(中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008)

近水平煤层条带开采沉陷实测纠偏软件及应用

赖文奇,许家林,谢建林

(中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008)

根据研究证明的近水平煤层条带开采沉陷实测纠偏方法,编制了条带开采沉陷实测纠偏软件。该软件界面友好、操作简便,能利用现场条带开采地表沉陷的实测数据准确有效地为煤矿生产实践提供用于判别开采损害程度的预计指标值。基于临涣煤矿 10号煤层四采区已采 2条带工作面的实测沉陷数据,应用该软件对村庄建筑物下工作面的采后地表沉陷进行了研究分析,其结果为该矿安全合理地回采村庄建筑物下的煤炭资源提供有力的参考依据。

条带开采;沉陷预计;实测纠偏;近水平煤层

据不完全统计,我国生产矿井 “三下”压煤量达 13.79Gt,其中建筑物下压煤 8.76Gt,占“三下”压煤总量的 63.5%,居 “三下”压煤之首[1]。条带开采是解决困扰我国煤矿企业的建筑物下压煤问题的一种常用开采方法,其沉陷预计结果是决定条带开采尺寸设计的重要参考依据。

目前普遍采用的预计方法是通过建立全采与条带开采地表移动预计参数关系的经验公式,修正预计参数,采用预计长壁开采地表沉陷的概率积分法进行预计[2-5]。

由于目前条带开采预计手段的局限性,对具体的地质采矿条件往往出现预计结果与采后实测数据相差甚远的情况[6]。为确保地面建筑物安全以及条带工作面生产作业的合理接替,依据经研究证明的条带开采沉陷实测纠偏方法,编制了条带开采沉陷实测纠偏软件,利用该软件所得预计结果指导煤矿条带开采生产实践。

1 实测纠偏方法的概念

条带开采时由于单元开采面积小,每个单元采空区上方顶板冒落、断裂发育都很不充分,裂缝带上方某个相对厚而坚硬的岩层处于悬空稳定状态,其自身及其上方直到地表的岩土层的重量将向四周以及条带煤柱上转移,由下伏与其保持接触的岩体和边界煤岩体来承担。这就改变了下伏岩体的受力状态,侧向应力解除和垂直应力增加使得这些岩体产生压缩变形。这种压缩变形导致覆岩沉降,并且由于累积效应使得覆岩沉降量由下往上逐渐增加,至地表时为最大。

根据条带开采覆岩移动变形机制,按照定采留比的方式依次采出条带工作面,覆岩载荷必然按照特定规律依次重新分布,也必然导致条带开采的地表沉陷结果依照覆岩载荷分布情况相应地发生规律性的变化。

以下沉曲线为例,如图 1所示,采用定采留比条采方式的情况下,如果条带采区内仅开采工作面b,其采后引起的地表下沉曲线ωb必然近似等同于首采工作面 a采后引起的地表下沉曲线ωa;如果条带采区内仅依次开采工作面 b和 c,其采后引起的地表累积下沉曲线ωbc必然近似等同于工作面 a和 b采后引起的地表累积下沉曲线ωab。因此,下沉曲线ωb和ωbc分别可由ωa和ωab各自平移相同的距离 Lep获得,Lep为单一工作面采宽与留宽之和。将ωab和ωbc上的数值进行叠加再减去中间重复出现一次的ωb可以得到曲线ω′abc。通过大量的数值模拟实验结果对比之后发现,工作面 a,b,c依次采后,覆岩载荷重新分布,发展至地表形成的下沉曲线ωabc存在如下关系：

图1 预计第 3个工作面采后的下沉曲线

图2 预计 4个工作面采后的下沉曲线

图2 中工作面 d采后的地表累积下沉曲线ωabcd可由ωab,ωbc和ωcd上的数值进行叠加再减去中间重复出现 1次的ωb和ωc,下沉曲线ωc和ωcd分别可由ωa和ωab各自平移相同的距离 2Lep获得,即：

ωabcd= ω′abcd=ωab+ ωbc+ ωcd-ωb-ωc(2)

同理,水平移动与地表下沉一样具备等同的平移与叠加性质。

基于以上思路得出近水平煤层条带开采沉陷实测纠偏方法,即基于条带采区内前 2个已采条带工作面各自沉陷稳定后的实测沉陷数据,通过特定的平移叠加方式,可以较为准确地预计后续若干未采条带的累积沉陷值。

文献 [7]中通过数值模拟的手段对该方法所得预计结果与实际模拟结果进行了对比分析,证明该方法具有极高的准确性;对覆岩中垂直应力分布的研究发现,条带工作面开采导致的覆岩载荷重新分布符合条带开采沉陷数据的平移叠加规律,证明该方法具有合理性。利用煤矿条带开采的地表下沉实测数据验证了该方法的可靠性。通过数值模拟的手段分别就采出率、采宽和采深等开采条件,对该方法准确性的影响进行了研究,在采出率分别为38.5%,45.5%和 55.6%,采宽分别为 45m,60m和 75m以及采深分别为 400m和 600m等多种开采方案中,通过该方法所得后续 5个工作面沉陷预计结果与实际模拟结果基本一致,并通过误差分析证明该方法具有较高准确性和较广泛的适用性。

2 软件结构与功能

为了便于该方法在煤矿条带开采生产实践中得到准确、有效地应用,依据实测纠偏原理编制了条带开采沉陷实测纠偏软件 (RMPM1.0),并获得计算机软件著作权证书 (登记号：2008SR34418),软件设计主要流程如图 3所示。

图3 条带开采沉陷实测纠偏软件流程

通常条带开采主断面地表测线受地面建筑物的影响,往往不能完全按照等间距布置,造成在沉陷预计纠偏的过程中实测沉陷数据无法进行相应的平移与叠加。该软件按照实际比例关系对实测曲线进行拟合,从而可以得到主断面测线上任意点的地表下沉或水平移动值,同时自动生成与下沉曲线对应的倾斜、曲率曲线或与水平移动对应的水平变形曲线,软件界面示例如图 4和图 5所示。

图4 下沉曲线界面

图5 倾斜曲线界面

该软件可以根据平移叠加的要求进行手动设置,从而基于导入的实测数据得出下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形的预计曲线,并且能以任意点间距在数据文件中导出相关预测曲线上数据值,软件功能结构图如图 6所示。

根据条带开采沉陷实测纠偏软件 (RMPM1.0)得出的预计结果,可提前判断后续未采条带工作面采宽、留宽和采出率的合理性。对于保守的条带开采设计尺寸,应保证采出率不变的情况下,适当增加采宽,从而提高工作面生产效率并节省巷道掘进工程费用;对于低估影响的条带开采设计尺寸,可适当增加留设煤柱的宽度以使地面保护对象免受破坏,避免不必要的经济损失和人身安全。

3 实测纠偏软件的应用

临涣煤矿 10号煤层四采区地面座落有罗庄和东吴小庙两村的多数破旧民房。根据井下巷道布置情况、采区地质条件、地面建筑物分布情况,结合以往建筑物下采煤的成功经验及矿方提供的建议,通过对比分析,最终采用走向条带开采方案。走向条带开采工作面和地表测线的布置见图 7,工作面采宽均为 50m(包括两巷宽度)留宽均为 55m。根据煤层底板等高线和钻孔资料,10号煤层倾角平均为 18°,平均采深 338m,煤厚度平均 3.52m。

图6 条带开采沉陷实测纠偏软件结构

图7 观测站布设与工作面布置

四采区已采出 1042和 1044工作面,采后地面村庄建筑物未有任何破坏。目前,为尽可能回收村庄下的有限煤炭资源,矿方计划回采 1046工作面位置处的浅部资源。因此,需要对其进行采后地表沉陷的预计,以确保地面建筑物的安全。

为了确保建筑物下采煤的安全,监测井下条带开采对地面村庄的影响,进行了多次地表沉陷的观测工作,取得了大量的地表移动数据。根据工作面始采与收作时间、工作面推进速度与地表测线的关系和地面测站的观测时间,挑选出已采 2个条带工作面各自开采沉陷稳定之后的观测数据。基于1042工作面和 1044工作面采后实测的下沉曲线,应用“建筑物下条带开采沉陷预计实测纠偏软件”对 1046工作面采后的下沉曲线进行预计。经软件生成的下沉曲线如图 8所示,图例所示为各工作面采后的地面沉陷实测曲线,图中虚线是 1046工作面下沉预计曲线。

图8 1046工作面预计下沉曲线

1046工作面预计最大下沉值为 257.8mm,基于该工作面的下沉预计曲线,软件自动生成对应的倾斜和曲率预计曲线。预计倾斜值在 ±1.56mm/m的范围之内,预计曲率值在 ±0.13mm/m2的范围之内。根据原煤炭工业部制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的砖混结构建筑物损坏等级规定,建筑物损坏程度属于Ⅰ级损坏。1046工作面采后将有可能导致建筑物轻微损坏,需对受损建筑进行简单维修。

4 结论

(1)依据研究证明的条带开采沉陷实测纠偏方法,编制了条带开采沉陷实测纠偏软件。该软件界面友好、操作简便、能利用现场条带开采地表沉陷的实测数据对条带设计阶段的沉陷预计结果进行纠偏。

(2)条带开采沉陷实测纠偏软件能准确有效地为煤矿条带开采实践提供用于判别开采损害程度的预计指标值,并能合理有效地指导条带开采的生产实践。

(3)基于临涣煤矿 10号煤层四采区已采 2条带工作面的实测沉陷数据,利用该软件对村庄建筑物下 1046工作面的采后地表沉陷进行了研究分析。研究结果表明其条带开采方案具有可行性,为该矿安全合理地回采村庄建筑物下的煤炭资源提供有力的参考依据。

[1]吴立新,王金庄,刘延安,等 .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.

[2]吴 侃,葛家新,王铃丁,等 .开采沉陷预计一体化方法[M].徐州：中国矿业大学出版社,1998.

[3]张华兴,赵有星 .条带开采研究现状及发展趋势 [J].煤矿开采,2000(3)：5-7.

[4]郭惟嘉,陈绍杰,李法柱 .厚松散层薄基岩条带法开采采留尺度研究 [J].煤炭学报,2006,31(6)：747-751.

[5]邓喀中,张至冬,张周权.深部开采条件下地表沉陷预测及控制探讨 [J].中国矿业大学学报,2000,29(1)：52-55.

[6]何国清,杨 伦,凌赓娣,等 .矿山开采沉陷学 [M].徐州：中国矿业大学出版社,1994.

[7]赖文奇 .建筑物下条带开采沉陷实测纠偏方法研究 [D].徐州：中国矿业大学,2010.

[责任编辑：邹正立 ]

Error Correction Software of Subsidence Observation in Strip-mining Sub-horizontal Coal-seam and Its Application

LAI Wen-qi,XU Jia-lin,XIE Jian-lin
(Mining Engineering School,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China)

Error correction software of subsidence observation for strip-mining was programmed according to the method of error correction by observation proved by research.This software with friendly interface and easy operation could provide prediction indexes of mining damage degree for mining practice by using observation data of subsidence in strip mining.Based on observed subsidence data from 2ndstrip mining face in 10thcoal-seam of Linhuan Colliery,applying the software,surface subsidence after mining under village buildings was analyzed.Results might provide good reference for rationally mining coal under village buildings.

strip mining;subsidence prediction;error correction by observation;sub-horizontal coal-seam

TD325

A

1006-6225(2011)02-0048-04

2010-12-16

国家自然科学基金资助项目 (50974116);教育部博士点基金资助项目 (20070290513).

赖文奇 (1980-),男,山西襄垣人,博士研究生,主要从事岩层移动与绿色开采方向的研究。