房式开采煤柱回收时地表移动模拟研究

江东海

（山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

房式开采煤柱回收时地表移动模拟研究

江东海

（山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

许村煤矿即将布置的工作面是为回收旧房式开采所遗留的煤柱，条件比较复杂。运用有限差分软件FLAC3D模拟分析了在回收煤柱时所引起的地表移动过程，通过提取和分析数据，得出最大下沉点位于采空区中心上方的地表处，最大下沉量为120mm，煤柱全部回收时所引起的地表移动范围为736m×610m，因此，在修建地面构筑物时，应尽量避免在此地表移动范围之内。

房式开采；煤柱回收；残煤复采；数值模拟；地表移动；地面构筑物

1 引言

近年来，随着煤矿开采强度、深度的不断增加，我国的矿井可采储量日益减少，很多矿井面临关闭或是进入衰老期［1］。然而很多煤矿以前采取旧式的房式采煤法，资源的回收率仅为10%～30%左右，与国际上一些产煤国家的回收率在60%以上相比，资源浪费相当严重［2］。为延长矿井的服务年限，充分利用资源，很多煤矿对残留的煤炭资源进行回收工作（简称“残煤复采”）。

山西梅园许村煤矿是一兼并重组整合矿井，其2号煤层除井田中北部采用长壁式采煤方法回收率较高外，井田其它区域为原兼并重组煤矿的回采区域，由于采用旧式房柱式回采或者一些主客观因素的原因，区域内煤炭资源回采率较低，从前期钻探资料分析，区域内煤炭回收率仅达20%～30%，因此要对其进行回收，运用有限元差分软件FLAC3D对房式开采煤柱回收时地表的移动进行模拟研究，为煤炭回收时地面构筑物的修建以及保护提供一些参考［3］。

2 地质采矿条件简介

以许村煤业即将布置的复采工作面为原型，根据工作面附近的钻孔资料及实际勘察可知，该工作面覆岩厚度为158.68m，从上至下依次为：砂、卵砾石层约为5m，亚砂土、粘土层约为36m，砂质泥岩、泥岩为45.39m，细砂岩、粉砂岩为41.76m，中砂岩、泥岩为30.53m。所要复采的2号煤层，平均煤层厚度约为1.2m，倾角为2°～9°，属于近水平开采煤层，煤层顶板为砂质泥岩与中细粒砂岩混层，底板为炭质泥岩，煤层结构布局较简单，含0～1层矸石，虽然偶尔存在断层，但是断层落差都比较小，对残煤复采工作面不会构成太大的影响。

3 工作面概况

该工作面走向长度约为300m，倾斜长度约为126m，区域内地面标高在798～819m之间，工作面标高在653～665m之间。回采工作面布置巷道穿过原小煤窑煤层旧采遗留区域，旧采区域较多采用刷扩巷道两帮等落后采矿方式。根据物探揭露巷道调查的情况，残煤复采区域内有小煤窑所使用旧巷以及所遗留煤柱。现回采工作面内采取老式房式开采已开采9个煤房，每个煤房宽6m，剩余8个煤柱需要回收，煤柱尺寸为9m×9m。推进速度平均为3m/天，采用倾斜长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。

4 数值模拟计算

有限元差分软件FLAC3D可以模拟材料的屈服，塑性流动，软化直至大变形等问题，尤其在材料的弹塑性分析，大变形分析以及模拟施工过程等领域有独到的优点［4］，尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下洞室、施工设计（开挖、充填等）、河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道工程、矿山工程等多个领域［5］。

该模拟以即将布置的回采工作面为原型，建立数值计算的模型，设煤层的走向为X方向，煤层倾向为Y方向，煤层埋深为Z方向。计算模型尺寸为492m×390m×163.2m，一共建立了90900个单元体和99313个节点，模型取煤岩层一共10层，其中煤层上覆岩层有8层。煤层厚度为1.2m，煤层属近水平煤层，为方便进行模拟，煤层倾角取为0°，FLAC3D生成的模型如图1所示。

图1 FLAC3D生成的计算模型

模型确定后，先进行房式开采，经过2762步计算后，模型达到平衡状态。模型的走向开采长度为300m，倾向开采长度为126m，在计算过程中以回采1个煤柱为1个开采循环，回收工作面内的所有煤柱需要进行20个循环。数值模拟所需要的力学参数如表1所示。

表1 岩石力学参数

本次模拟的主要目的是获得地表移动位移的大小以及范围［6］，因此在采空区中心的走向主断面对应的地表布置28个测点，在倾向主断面对应的地表布置24个测点，监测在模拟回采过程中地表移动的位移量，主断面监测点的布置如图2所示。

图2 主断面监测点布置

5 模拟数据分析

将走向主断面以及倾向主断面在回采第5次，第10次，第15次，第20次时监测的地表下沉量提取出来，分别绘制成图3和图4。

图3 走向主断面上地表下沉曲线图

图4 倾向主断面上地表下沉曲线图

由图3和图4可知，随着回采次数的增多，地表下沉量逐渐增大，最大下沉量的位置随着回采向前移动，地表下沉的范围也逐渐增大。工作面全部回采完后，最大下沉量的位置位于采空区中心上方的地表处，大小为120mm。

地表下沉具有超前性。在回采煤柱时，工作面前方所对应的地表已经开始下沉变形，下沉范围波及到下一个煤柱，一般超前工作面15～20m。

地表移动和变形都为零的边界取为地表下沉的边界，考虑到误差，一般取下沉为10mm的点为边界点［7］。将FLAC3D的模拟数据导入到Tecplot10软件，得出地表下沉量的等值线图，如图5。

图5 地表下沉量的等值线图

结合图5和建立的数值计算模型，经过计算得出，地表的沉陷范围为736m×610m，在此沉陷范围内，应尽量避免修建地面筑物。

6 结论

（1）用有限差分软件FLAC3D来模拟房式开采煤柱回收过程中地表的移动过程是可行的，并能得出与实际相符的结论。

（2）房式开采煤柱回收时，工作面上方地表的倾向主断面和走向主断面上观测线的监测点下沉量是逐渐增加的，不存在阶梯状下沉。

（3）在回收煤柱过程中，采空区中心上方的地表下沉位移量最大，从下沉中心到下沉边缘下沉量逐渐减小，下沉曲线以下沉中心对称。当煤柱全部回收之后，采空区中心上方的地表就是发生最大下沉值之处。

（4）通过数值模拟结合计算模型，能准确得出地表的移动范围，为地表构筑物的修建以及保护提供参考。

［1］江东海， 张冬. 房式开采煤柱回收时工作面围岩应力分布模拟［J］.煤矿安全， 2014， 45（2）：172-174.

［2］张小强. 厚煤层残采后资源再回收的试验与研究［D］. 太原：太原理工大学， 2011：1-3.

［3］江东海， 弓培林， 杜志铎. 过空巷群残煤复采液压支架额定工作阻力确定［J］. 煤矿机械， 2015， 36（2）：210-212.

［4］孙邦宾， 关云飞， 唐彤芝， 等. 基坑开挖与土钉墙施工过程的数值模拟［J］. 南昌工程学院学报， 2007（6）：12-14.

［5］荆永滨， 王李管， 贾明涛， 等. 基于TetGen的复杂FLAC3D模型可视化建模方法［J］. 岩土力学， 2010（8）：2655-2660.

［6］刘玉成. 煤层开采地表移动过程的FLAC3D模拟研究［J］. 煤炭科学技术， 2012， 40（5）：93-95.

［7］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， 1991：79-80.

The Simulation Study of Earth's Surface Movement during the Process of Pillar Extraction in Chamber Mining

JIANG Dong-hai
（School of Mining and Safety Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China）

One of the Xucun mine's working face which is about to set is to recycle coal pillars that is left over in the old chamber mining.The condition is very complicated. This article analyzes the process of surface movement during the process of pillar extraction in chamber mining by the finite difference software. By extracting and analyzing the data， it is concluded that the largest subsidence point is located in the center of the earth's surface above thegoaf，and the largest subsidence is 120mm. When all of coal pillars are recycled，the range of earth's surface movement is 736m×610m. Therefore， building the abovegroundstructures should avoid as far as possible in the range of surface movement.

chamber mining；pillar extraction；residual coal repeated mining；numerical simulation；earth's surface movement；ground construction

TD323

A

1009-3842（2016）05-0035-03

2016-04-26

江东海（1987-），男，山东诸城人，在读博士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制的研究。E-mail：489478723@qq.com