某村庄建筑物下条带开采设计及数值模拟分析

郝传波，赵荣欣

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150027；2.黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

某村庄建筑物下条带开采设计及数值模拟分析

郝传波1，赵荣欣2

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150027；2.黑龙江科技大学 矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027)

为安全开采某村庄建筑物下煤炭资源，根据该矿山地质条件和建筑物下煤炭开采要求，依据压力拱理论和三向应力法煤柱设计理论进行计算，得到28号煤层条带开采宽度和保留煤柱宽度，理论计算采出率46.2%，煤柱的安全系数1.89，可以承受上覆岩层施加的载荷，达到设计要求标准。根据理论计算结果和地质参数建立数值模型。模拟结果表明：地表下沉相对均匀，形成一个采空区中部凹陷的盆地，地面最大斜变形i=0.017mm/m，曲率K=-0.15×10-7/m，地表变形控制在Ⅰ级范围内，建筑物轻微损坏。通过模拟验证了该条带开采方案可以有效控制地表沉降和变形，降低开采对建筑损坏。

条带开采；数值模拟；地表移动变形

煤炭是我国经济发展主要消耗能源和重要的工业原料之一，是不可再生资源。随着经济发展，煤炭资源开采剧增，由此引发的地质灾害和环境问题日益突出。矿山开采直接引起不同程度的地表变形和沉降，是人为引起的地质灾害问题之一。地表变形沉降对建筑物和环境危害极大，同时存在安全隐患。其危害和隐患主要表现在：在沉降区域内建(构)筑物损毁破坏；堤坝、桥梁、道路、管线等受到破坏；大面积的耕地、土壤质量下降和水土流失。目前国内为保护矿区内建(构)筑物、水体和铁路，三下压煤开采普遍选择条带开采。

现某矿开采建筑物下的煤炭资源，在保护地表建筑物不受损坏，同时不引起地表大的波浪下沉的前提下，需要合理设计开采工作面长度和煤柱尺寸。当煤柱尺寸太小，其自身稳定性差，没有足够的承载力支撑上覆岩层载荷，存在安全隐患，不利于安全生产；煤柱尺寸太大，不利于资源回收，造成资源损失。同时工作面长度选择不合理会造成地表大的波浪下沉、不均匀变形等问题，达不到保护建筑物的目的。

因此，需要对条带开采工作面长度和煤柱尺寸进行研究，制定科学合理的开采方案，保证煤柱稳定、工作面开采的安全、充分开采煤炭资源，减少不必要的资源浪费。对条带开采设计方案的研究方法主要有：经验研究法[1-2]、理论计算分析法[3-4]、模拟研究方法[5-7]。

1 研究区域概况

鸡西某矿矿区范围内主要可采煤层28，30，36，37号。本次研究对象仅为28号煤层，该区域无较大断层构造，28号煤层在矿区内稳定发育，煤层倾角5～15°，平均倾角8°，煤层平均厚度3.6m，埋深439～616m。顶底板岩石主要为砂岩、泥岩等。该矿区东侧地表建有大量需要保护且结构复杂的建筑物，建筑物下压煤宽度约600m。其中压煤区域地面建筑物多为砖混结构和砖木结构的房屋，少量的木结构和土筑平房。为控制开采建筑物下压煤对地面建筑物的破坏，使建筑物仍能保持正常使用，根据该矿区的地质条件，设计保护煤柱宽度与开采方案。

2 条带开采方案设计

2.1 开采宽度b的确定

根据大量国内外开采实践总结，为保证矿山开采地表不出现大波浪变形下沉，而形成单一的平缓的下沉盆地或形成容许等级范围内的波浪下沉，采宽一般在煤层埋深的1/4～1/10 范围内选择[8]。该煤矿煤层埋深439～616m，煤层埋深变化较大。为了安全起见，可用H上/4(H上地表至矿井回风巷的埋深)作为确定开采宽度的依据。H上为439m，经计算可得开采宽度b最大为109.75m。

根据压力拱理论，若使用条带开采控制矿山地表沉陷，则两开采条带煤柱之间的开采宽度b[9]应满足式(1)：

b≤0.75LPA

(1)

内宽LPA=3×(H上/20+6.1)

(2)

式中，H上为开采深度，439m；LPA为压力拱的内宽，m。

经计算可得开采宽度b为63.11m。为控制地表沉降，根据该矿的地质条件、采矿方法综合分析，最终将开采宽度设置为60m。

2.2 煤柱留设宽a的确定

在一定开采宽度前提下，保留煤柱宽度无限制地增大，也会使地表呈波浪下沉。因此条带开采时，煤柱尺寸取值根据 A.H.Wilson三向应力法煤柱设计理论，保留煤柱宽度一般应满足下列关系[10]：

a>2Y+S= 0.01MH下+S

(3)

式中，Y为煤柱屈服宽度，m；S为煤柱核区宽度，m；M为煤层厚度，m；H下为覆岩最大厚度，m。

把S=8.4m，M=3.6m，H下=616m带入公式得到保留煤柱a宽度应大于30.58m。

为使条带煤柱有足够的强度支撑上覆岩层，还须满足式(4)宽高比。

a/M≥5

(4)

通过对煤层宽高比验算，得到a/M=8.49，宽高比大于5，煤柱有足够的强度支撑上覆岩层。为使煤柱更加稳定，同时减小地表变形，保护地表建筑物在煤炭开采以后不维修或小修，煤柱宽度a取70m。

2.3 煤柱稳定性验算

(1)煤柱实际承受的载荷值

F1=γ[H下a+b/2(2H下-b/0.6)]

(5)

式中，γ为容重，t/m3。

(2)煤柱能够承受的载荷值

F2=4γH下(a-4.92MH下×10-3)

(6)

煤柱的安全系数k=F2/F1=1.89，k>1.5，满足安全开采要求。所以，条带开采设计开采宽60m、留煤柱宽70m 满足建筑物下安全开采要求。采出率P=b/(a+b)=46.2%。

3 数值模拟与分析

3.1 CDEM模拟的基本原理

CDEM是基于连续介质力学离散元方法(Continuum-based Discrete Element Method)的英文缩写，主要用于模拟地质体的渐进破坏过程。该方法是将有限元及离散元耦合，在块体内部进行有限元计算，在块体边界进行离散元计算，通过边界处法向弹簧及切向弹簧的断裂，实现块体的破裂滑移。由于结构面是确定的，通过CDEM的界面模型，完全可以模拟条带开采过程岩层和地表的变形沉降过程，并最终得到条带开采地表变形曲线[11-13]。

3.2 模型建立

以该煤矿地质勘探数据和实验室物理力学实验所得数据为基础(表1模型主要岩性及参数)，使用ANSYS建立模型划分网格。最终确定模型的尺寸为：长1400m、高702m；煤岩层共7层，倾角8°；模拟的条带开采工作面采宽为60m、留宽70m。在CDEM模型计算中，煤、岩体的本构模型均采用摩尔—库伦准则。

边界施加位移约束：

(1)对模型位移边界条件的设定包括施加位移约束，固定模型两侧边界节点的x方向移动，即仅存在竖直方向的移动。

(2)对模型底面施加位移约束，即固定底面x，y方向上移动。

表1 模型主要地层及岩性参数

(3)模型顶面设置为自由边界，不施加任何约束，图1为CDEM计算模型网格划分，图中Group1-Group11为煤层，Group12-Group17分别为表土层、砂质泥岩层、泥岩层、中砂岩层、粉砂岩层、粉砂岩层。

图1 CDEM计算模型网格划分

3.3 模拟结果分析

自重应力计算稳定，可得图2(a)y方向的节点位移云图、图2(b)y方向节点应力云图。根据开采采宽60m、煤柱留宽70m的方案进行开采，全部开采完成后，可得图3(a)y方向节点位移云图、图3(b)y方向节点应力云图。

图2 倾向主断面自重应力平衡计算

图3 倾向主断面开采位移及应力

由图3(a)y方向节点位移云图可知，煤层开采后，采空区的形成对上覆岩层的扰动明显，采空区上方岩层均匀下沉，由下往上下沉量逐渐减小。由图3(b)y方向节点应力云图可知，采空区顶板和底板形成2个半圆形应力平衡拱。从半圆拱的外侧到内侧，应力逐渐增大，竖直方向上的应力达到平衡，有效地控制垂直应力。煤柱所受应力，由煤柱边缘到中间逐渐减小，说明煤柱有足够的强度，可以稳定地支撑顶板，控制上覆岩层的变形。

根据监测点可得图4地表下沉动态监测曲线，煤炭开采过程，地表最大沉降位置随着工作面移动，开采到一定位置时最大沉降位置停留在整个矿区中部，煤矿地表下沉相对均匀，形成一个采空区中部凹陷的盆地。矿区中部最大沉降位移为0.063m，盆地两翼的最小沉降位移是0.047m，两翼坡脚较小，通过计算倾斜变形i=0.017mm/m，曲率K=-0.15×10-7/m。根据砖石结构建筑物的破坏(保护)等级规定[14]，确定建筑物保护允许地表变形值采用下列数值：地表倾斜i≤±3.0mm/m，曲率K≤±0.2×10-3/m时，地表建筑物破坏(保护)等级为Ⅰ级。根据该方案矿区建筑物下采煤的模拟结果，采区范围内建筑物轻微损坏，建筑物简单维修或可以不做处理。综上所述，采用走向条带开采设计采宽60m、留煤柱宽度70m的方案可实现地表均匀下沉，达到保护建筑物安全的目标。

图4 地表下沉动态监测曲线

4 结 论

(1)根据该矿地质和采矿条件，通过理论计算得出采宽60m、留宽70m，采出率可以达到46.2%，地表倾斜变形i=0.017mm/m，曲率K=-0.15×10-7/m，建筑物破坏控制在Ⅰ级范围内，建筑物轻微损坏，建筑物简单维修或可以不做处理。

(2)在理论计算的基础上，运用CDEM模拟计算方案的可行性。结果表明煤柱有足够的强度支撑顶板和上覆岩层，能有效控制地表变现和沉降。

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[责任编辑：王兴库]

Numerical Simulation and Strip Mining Design under Building of One Village

HAO Chuan-bo1,ZHAO Rong-xin2

(1.Heilongjiang University of Science and Technology，Heilongjiang Key Laboratory of Deep Mining Pressure Control and Gas Management，Harbin 150027，China；2.Mine Engineering School，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150027，China)

In order to solve the safety of mining under building of one village，based on mine geological situation and demand of mining under building，theory calculated by according pressure arch theory and three-dimensional stress coal pillar design theory，strip mining width and retain coal pillar width of 28 coal seam，recovery ratio was 46.2%，safety coefficient of coal pillar was 1.89，the loading of overlying strata could be supported，it meet the demand of design.Numerical model was built according theory results and geological parameters，the simulation results showed that surface subsidence was relative uniform，concave basin formed in the middle part of goaf，the maximal incline deformation of surfacei=0.017mm/m，curve ratioK=-0.15×10-7/m，surface deformation was controlled during I level，building damage slight.Surface subsidence and deformation could be controlled by the strip mining scheme according simulation，then the damage mining to building was decreased.

strip mining；numerical simulation；surface movement deformation

2016-10-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.017

国家自然科学基金项目(51374097，51604100，51574115)；中国博士后科学基金第56批面上项目(2014M561384)；黑龙江科技大学硕士研究生创新科研项目(YJSCX2016-114HKD)

郝传波(1962-)，男，黑龙江宁安人，教授，博士，研究方向为矿山应急救援。

郝传波，赵荣欣.某村庄建筑物下条带开采设计及数值模拟分析[J].煤矿开采，2017，22(3)：55-58.

TD823.6

A

1006-6225(2017)03-0055-04