林南仓矿条带开采参数优化及稳定性规律研究

于　洋，浑宝炬，王哲豪

（河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009）

林南仓矿条带开采参数优化及稳定性规律研究

于洋*，浑宝炬，王哲豪

（河北联合大学矿业工程学院，河北唐山063009）

在林南仓矿某采区原有的条带开采方案的基础上，通过理论分析，对该采区条带开采方案进行参数设计，并预计其地表移动变形的最大值；应用FLAC3D有限差分数值模拟法分别对各方案进行模拟计算，得出地表移动和变形各参数的最大值，分析条带开采中不同采留宽度对地表移动和变形的影响，研究条带开采的地表移动变形规律；同时收集该采区地表观测站的现场观测数据，对预计的地表移动及变形值进行验证，得出林南仓矿该采区条带开采的地表移动变形规律及适用于该采区的更优的条带开采方案。

条带开采；地表变形；数值模拟；方案优化

研究条带开采的地表变形规律，进行条带开采设计参数的优化，目的就是最大化的提高煤炭资源的采出率，并确保地表建（构）筑物的安全使用，减少采动损害造成的赔偿或搬迁费用，同时保护矿山生态环境［1］。条带开采最根本的问题是煤柱采宽和留宽的设计，它直接决定着煤炭资源的采出率以及条带开采结束后地表移动和变形的大小，是条带开采成败的关键性因素。研究条带开采对地表移动和变形规律，优化条带开采的设计参数，即是在林南仓矿特定的地质条件下，研究条带开采的主控因素煤柱采留宽对地表变形规律的影响，以便更好地利用条带开采技术解放“三下”压煤量，提高煤炭资源回收率，预防和减轻对地表造成的损害［2］。

1　工程背景

林南仓矿东二采区主采煤层有煤11、煤12，煤12平均厚度4.8m，煤11平均厚度4.0m，2个煤层间距27m。煤层赋存深度500～650m，地层走向NW50°～NE50°，倾向SW-SE，地层倾角5°～35°，平均18°［3］。

该区域地表主要压煤建筑物有五村、东六村和焦庄子和煤站。在煤层进行开采时，需对五村和东六村的地面建筑进行保护。同时为了开采建筑物压煤，林南仓矿东二采区采用条带采煤法，先采12煤，然后再开采11煤。条采参数如下：保留条带宽度70m，开采条带宽度50m。到目前为止，林南仓东二采区12层煤第1、2区段已开采完成，为了提高第3区段的回采率，针对实际开采情况，对第3区段的开采参数进行优化设计，提出适宜的宽条带开采方案。

2　林南仓矿条带开采参数优化设计

为了研究其条带开采的地表移动变形规律，指导条带开采参数设计，同时提高林南仓矿条带开采的煤炭产出量，在原开采方案（b=70，a=80）的基础上，结合2采区第三区段实地开采条件，围绕煤柱强度稳定性采用强度理论对条带开采方案进行参数设计优化，提出3种宽条带开采方案，理论分析对设计的条带开采的方案分别进行地表移动变形的预计，确定更合理的开采方案，得出条带开采不同采留宽对地表移动变形的影响［4］。

条带采煤法的基本要求是条带煤柱采出后，地表不出现波浪形的下沉而出现单一平缓的下沉盆地，根据国内外条采的经验，采出煤柱的宽度小于1/4～1/9倍的采深即可满足要求。b≤H/9=39～88m（H为采深，取煤层最浅处埋深500m），参照已采用的条带开采方案，取采宽分别为b=70m和b=80m。林南仓矿条带开采，采用垮落法管理顶板且顶板垮落后能够充填满采空区，考虑到避免对地表建（构）筑物产生较大变形，取安全系数为2.0。然后对不同的采宽b进行计算，当柱核区宽度B取2h时，采深H取600m，煤层厚度h取3m时，a≥24m。

根据以上要求，在原方案（方案一）的基础上，考虑到生产中的误差及确保煤柱存在核心，能够保证建（构）筑物长久安全的使用，本着宽条带开采的原则，且能够分析不同的采留宽对地表变形产生的影响，保留宽度a=80m和a=90m，则3种方案分别为b=70，a= 80；b=70，a=90；b=80，a=80。根据公式可以计算出以下3种方案的采出率，分别为47%、44%和50%。以上各方案都满足条带开采的设计要求。

针对林南仓矿某采区的地质采矿条件，对该区条带开采的各个方案对地表造成的破坏进行预计，运用概率积分法计算其最大下沉和变形值。通过理论计算其最大下沉值、水瓶移动值、倾斜变形值、水平变形值和曲率［5］。见表1。

表1　三种方案地表移动和变形各参数的最大值

针对林南仓矿某采区的条带开采的地表变形预计的数值计算分析研究，可以看出：（1）应当选择合理的采出率，条带开采随采出率的增大，地表移动和变形的各参数的最大值都变大。（2）条带开采在同样留宽的条件下，随着开采宽度增加，地表移动和变形的最大值增大，在相同采宽条件下，留设煤柱的宽度越小，地表移动和变形的最大值越大。

3　林南仓矿条带开采地表变形规律研究

在林南仓矿某采区特定的地质条件下，分析条带开采的不同采留宽对地表移动变形的影响，研究条带开采的地表移动变形规律［4］。林南仓矿采区采用走向大条带开采，原技术为采70m，留80m，同煤层工作面跳面开采。为优化条带开采的设计参数，提出方案二和方案三。方案二：采70m，留90m；方案三：采80m，留80m。该采区采用条带法采煤，布置四4个回采工作面，根据建立的模型，数值模拟的方法首先根据表土层、煤和岩石的物理力学参数及模型边界条件计算初始应力场。东二采区煤层赋存深度500～650m，地层走向NW50°～NE50°，倾向SW-SE，地层倾角5°～35°，平均18°。根据林南仓矿东二采区开采地质情况，建立模型［3］。

由于煤层和岩层的特殊性质，对煤层和岩层采用FLAC3D中的莫尔—库仑准则的关系，对其计算，采用的模拟参数见表2。

表2　煤岩物理力学性质表

通过上述3种模拟方案及模拟过程，分别对3个方案的倾向断面下沉云图和地表沉陷位移图进行模拟。

从走向主断面和地表下沉位移云图可以得出：（1）该采区条带开采地表下沉特征：条带开采地表变形和移动量比全采小，3种方案在煤层上覆岩层首先出现波浪形下沉，波浪的最大影响范围分别约为100m、90m、110m，达到此距离直至地表，为均匀下沉。条带开采各方案设计合理，地表没有出现波浪形下沉，而是形成近似椭圆形的平缓的下沉盆地。（2）地表沉陷模拟结果表明，分布由初期的基本对称发展到后期的不对称，走向上地表下沉盆地中心呈近似对称的近椭圆分布。倾向由于受到煤层倾角、上覆岩层的围岩性质的影响，椭圆形的下沉盆地的中心稍微偏向岩层下山方向。3种方案的地表最大下沉值分别约为316mm、260mm、402mm。综合考虑，应用第三种开采方案（a=80m，b= 80m），既能保护地面建筑物，也能达到最大采出率。

4　现场地表观测及分析

依据东二采区的地形情况，横贯采区沿着煤层倾斜方向建立了66个测站，测站间距为20m，两端测站间距为30m。但L8到L54测站基本上处于同一直线，其水平距离为943m，L8到L54测站横跨东二采区3个回采工作面。对东二采区的观测工作持续了一年多的时间，本观测工作仅仅针对煤12前两个区段的回采而进行，先期每20d观测一次，到生产结束后，采用每个月及至每45d观测一次。

根据理论分析和数值模拟相结合的方法，确定对东二采区采用条带开采方式开采。条带参数如下：开采条带宽度为80m，保留条带宽度为80m。回采工作面沿煤层走向推进，采区中共布置3个条带回采工作面。本观测结果为前2个区段回采结束时的观测值，共观测17次。

图1　各测站地表下沉观测值曲线图

图1为地表移动曲线，综合分析可以看出：（1）东二采区前2个条带工作面的采用开采条带80m宽，保留条带80m宽的开采方案时，不会对地表造成波浪状起伏；（2）地表最大下沉值出现在回采工作面的中央L26号测站，其下沉值是768mm，其地表下沉值较小，对地表建筑影响不大；（3）煤12前2个回采工作面的条带开采造成的地表移动和变形，其最大水平变形值为0.56mm/m，最大倾斜值为1.31mm/m，最大曲率为0.067mm/m2，地表变形值均较小，能够保证对地表建筑物的破坏处于1级以下；（4）通过对比分析，确认现场观测数据和理论分析结果基本一致参数选取基本可靠，可以作为该矿条带开采设计计算的基本参数。

5　结论

通过理论分析和数值模拟计算，得出林南仓矿某采区条带开采的地表移动变形规律及适用于林南仓矿某采区条带开采的更优的方案。其主要结论为：

（1）煤层条带沿走向布置，煤柱采宽为80m，留宽为80m。该方案对地表造成的最大下沉值为402mm，最大倾斜值为1.66mm/m，最大曲率为0.0105/km，最大水平移动为122mm，最大水平变形为0.79mm/m。

（2）条带开采法中煤柱留宽相同，采宽越大，地表沉陷量越大，地表水平移动变形越大；煤柱采宽相同，留宽越小，地表沉陷量越大，地表水平移动变形也越大。

（3）地表变形主要集中在开采工作面上方及开采边界附近区域，移动盆地最外边界至开采边界的距离较远，达到0.5H左右；最大倾斜和最大水平移动变形位于开采边界附近靠近采空区一侧。

（4）在考虑煤柱稳定性的前提下提出各种方案，通过理论分析和数值模拟法对地表移动和变形进行预计，最终确定条带开采的方案，这一方法，可以为矿山条带开采的参数设计提供借鉴。

［1］张元振.策底镇建筑物下安全开采研究［D］.西安科技大学，2013.

［2］郑彬，郭文兵，柴华彬.高压输电线路铁塔下采煤技术的研究［J］.现代矿业，2009（1）：86-89.

［3］董东林，丁立峰，赵春景.林南仓东一采区覆岩变形破坏数值模拟分析［J］.煤炭工程，2012（4）：76-78.

［4］郭增长，王金庄.条带开采地表沉陷预计的概率密度函数法［C］//中国煤炭学会.第六届全国矿山测量学术讨论会论文集.中国煤炭学会，2002：5.

［5］刘俊海，吴波，王莹莹.基于提高回采率前提下条带开采优化研究［J］.煤炭工程，2011（6）：10-11，14.

［6］孟凡刚.东欢坨矿南一采区建筑物压煤条带开采研究［D］.辽宁工程技术大学，2006.

TD823

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1004-5716（2016）04-0115-03

2015-04-01

2015-04-01

于洋（1984-），男（汉族），河北唐山人，高级工程师，现从事矿山经营技术工作。