密集建筑物下大采深条带开采研究

余学义，毛旭魏，鲁 楠，郭 强

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 710054)

据不完全统计，我国“三下”压煤量达14Gt，其中建筑物下压煤量达8.76Gt，占整个压煤量的66%[1]。随着煤炭工业的不断发展，浅部易采煤炭资源逐渐减少，开采建筑物下压煤已成为必然的趋势[2-3]。有的地区村庄下压煤量大、房屋密集、人口数量多且因为环境、经济等因素对村庄搬迁不易实施，在保证地表建筑物不被破坏的前提下使资源最大化的利用，合理运用条带开采能较好地控制地表沉陷，保护地表建(构)筑物[4-5]。条带开采是“绿色环保开采技术”体系中重要组成部分之一[6]。

本文以高家堡新建煤矿为背景，对朱家沟村庄下开采方案进行系统研究。如图1所示，首先基于概率密度函数法给出采宽和留宽的范围，应用FLAC3D建立深部宽条带开采数值模型，模拟开采覆岩与地表移动变形规律，并对地表沉陷进行预计，最终给出大采深密集建筑物下安全开采的方案[7-8]。

图1 研究分析方法

1 采矿地质条件

高家堡煤矿一盘区位于彬长矿区西北部，处于侏罗纪黄隆煤田深部，东西长约4.0km，南北宽约3.0km，面积约12km2。该区内唯一赋存可采煤层为4号煤层，属结构简单煤层，煤层上限标高为+162m，下限标高为+75m，赋存深度在800～1000m之间，平均厚度为6m，平均倾角为6.5°，属较稳定的近水平厚煤层，总储量为46.68Mt。地层钻孔柱状图如图2所示，煤层直接顶为中粒砂岩和泥岩，属不稳定顶板；基本顶为中粒砂岩，较稳定；直接底为泥岩，属不稳定底板；基本底为细粒砂岩，属较稳定底板。地表为黄土塬川地貌、沟谷纵横，全区被第四系黄土覆盖，植被条件一般，北部边缘为泾河河谷。

如图3所示，朱家沟村庄位于一盘区的南翼靠

图2 地层主要岩性柱状

近盘区的边界黄土塬区，其中一部分位于边界外，地形由南向北呈阶梯形台地，村庄位于梁峁平坦塬区。地表标高在1200m左右，地表具有黄土覆盖层100～255m。经过详细地面村庄调查，建筑物基本情况如表1所示，村庄房屋总量庞大，全部为村民自行建造，房屋结构分布不均，类型以砖瓦、砖木及土木结构为主，无圈梁、未预留变形缝等抗变形结构，遇下雨、地震等影响，地基容易产生不均匀下沉。

图3 村庄建筑物边界及压煤边界

编号房屋结构数量/间保护级别1砖木结构414Ⅲ2砖混结构1285Ⅲ3土木结构242Ⅲ4砖瓦结构118Ⅲ5简构109Ⅲ6仓库15Ⅲ7居住窑洞14Ⅲ8废弃窑洞53Ⅲ合计2250Ⅲ

根据《“三下”开采规范》规定[9]，综合街道供水、供电等公共设施，确定朱家沟村庄主要建筑物保护级别为Ⅲ级保护对象，村庄维护带取10m，村庄建筑物边界及压煤边界如图3所示。村庄下压覆4号煤层沿走向约1200m，沿倾斜方向宽度约800m，压覆开采煤层面积约为1709803m2。据初步估计，村庄下压覆煤炭可采资源(除去压覆其他盘区煤炭资源、断层煤柱和大巷煤柱)约50.023Mt。

因此，针对朱家沟村庄下压煤开采进行合理优化，在有效提高煤炭资源采出率的同时，还可以减小地表沉陷对村庄及人民生活造成损害以及产生的相应赔偿费用。

2 条带开采方案理论分析

2.1 概率密度函数法确定开采参数

大采深条件下采用条带开采时，若条带开采宽度小于1/3开采深度，属于极不充分采动类型。通过对大量的生产实践实测资料分析研究，可知极不充分采动类型中地表的移动和变形很小，在多个极不充分开采面之间留设合理宽度的煤柱，可将多个采空区分隔成独立采空区，在地表形成统一的下沉盆地。与单采一个工作面相比，地表下沉增加量很小，作用于采空区中心的地表水平压缩变形将得到缓解，故可直接用于建筑物下压煤开采[10]。

极不充分开采地表下沉计算坐标系如图4所示[11]。

图4 极不充分开采地表下沉计算坐标系

则地表的最大下沉值为：

Wmax=q极不充分·M

(1)

式中，Wmax为极不充分开采地表最大下沉值，m；q极不充分为极不充分开采地表下沉率；M为煤层开采厚度，m。

在方案设计确定采宽尺寸时考虑允许的地表下沉率与覆岩的物理力学性质，根据体积不变原理，可得：

(2)

(3)

式中，L为条带开采的宽度，m；r为主要影响半径，m；tanβ为主要影响角正切；H为上覆岩层厚度，m。

在覆岩中上部存在坚硬岩层条件下，会出现较大的离层空间，考虑岩土层的碎胀性与离层空间[12-13]，式(3)可以修正为：

(4)

式中，k为岩土层的碎胀系数，一般取0.5。

多条带开采时采用定采留比，如果煤柱宽度与开采宽度之和为0.7r时，一个条带开采后的最大压缩变形与另外两个条带产生的最大拉伸变形叠加，使得地表变形变小[14]。根据概率密度函数法可计算出在开采单一条带工作面时，压缩变形最大为：

(5)

距开采边界0.7r处，地表拉伸变形最大为：

(6)

多条带开采后的地表最大变形叠加后的值为公式(5)与公式(6)相加可得：

(7)

式中，ε为叠加后水平变形，mm/m。

对于多条带开采叠加原理预计地表变形，由(7)式计算后地表变形值趋近于零，使得地表下沉盆地均匀平缓，所以采、留宽之和最优值为0.7r，最大不超过0.94r[14-15]，即：

(8)

式中，a为煤柱宽度，m。

在确定保留煤柱的宽度时，保留煤柱应大于0.12H。威尔逊三向应力法表明：屈服区宽度X0与开采厚度M和开采深度H有关，其表达式：

(9)

式中，B为核区宽度，m。

根据彬长矿区大量开采实践证实在大采深条件下，极不充分采动与充分采动条件下的影响范围相近，同时考虑到地表砖木、砖土瓦结构房屋抗变形能力较差，确定主要影响角正切值tanβ=2.0。

根据《“三下”开采规范》规定及前期地面入户调查[9]，砖混、砖瓦木结构房屋，在地表变形达到Ⅰ级损害时就会受到损坏，而土木结构房屋抗变形能力更差，考虑煤层埋深为1000m，确定地表水平变形极限值按1.5mm/m计算；地表倾斜变形极限值按2.0mm/m计算；曲率影响非常小，不考虑曲率影响；允许地表下沉率为0.12。将以上参数代入公式(4)和公式(9)可算出：条带工作面开采宽度在120～130m之间；煤柱宽度在120～150m之间可保证地表不会出现波浪下沉。结合可开采区域宽度提出开采方案如表2所示。

表2 各个开采方案及煤柱安全系数

2.2 煤柱稳定性分析

工作面开采前，煤层上的应力为原岩应力，分布基本上是均匀的；工作面开采后，煤层的原始应力遭到破坏，使得煤柱上方应力重新分布，由均匀分布变为非均匀分布，并集中作用在煤柱上，所以煤柱的强度在安全开采中起着重要的作用。国内外有关煤柱强度计算理论可以分为：有效区域理论(Rowland，1969)、(Richards，1978)；压力拱理论(Woodruff，1966)；威尔逊理论(A.H.Wilson，1972)；核区强度不等理论(Grobbelaar，1970)、(Mezel，1972)；大板裂隙理论(白矛，1982)；极限平衡理论(K.A.阿尔拉麦夫)。

威尔逊理论建立在煤柱的三向应力特性基础上进行煤柱强度计算，以煤柱本身的极限强度作为煤柱屈服区与核区界面处的极限应力具有客观性，故条带开采方案选择根据威尔逊理论对采宽、留宽及煤柱稳定性进行进一步分析筛选。一般情况，稳定的煤柱有核区(弹性区)和屈服区(塑性区)，威尔逊理论推导满足应力微分平衡方程为基础，具有理论严密性，在计算时，核区与屈服区计算方法也不同[16-17]。

长煤柱极限承载能力：

Fc=40Hγ(a-4.92MH×10-3)

(10)

式中，γ为覆岩平均容重，kN/m3。

煤柱分担荷载计算：

(11)

各个方案根据公式(10)和(11)计算出煤柱安全系数见表2。

条带开采中安全系数临界值一般为1.5。经过对生产实践分析：攀煤集团太平煤矿在90年代用条带方法开采职工宿舍下煤柱，开采结束后的第二年地表建筑物开始破坏，到6年以后整个建筑物报废。主要原因有两点：一是两个近距离煤层开采的扰动；二是煤柱受采空区水的浸蚀、自然氧化，降低了煤柱的支撑能力。陕西澄合矿区过去条带开采村庄下煤柱，几年后几乎所有的房屋都受到了不同程度的损坏。可见对煤柱的安全系数取值偏低，没有保证煤柱的足够稳定性，使煤柱破坏不能起到有效的支撑作用，导致地表剧烈变形。所以，提高现用的煤柱安全系数是必要的，考虑到朱家沟村庄下开采煤层属于大采深厚煤层开采，且地表巨厚松散层加载作用，故取煤柱安全稳定性系数为1.75。不同采、留宽条件下的煤柱稳定性因素应满足：保留煤柱应大于0.12H，煤柱长宽比3，煤柱宽高比5。

在上述所有方案中煤柱长宽比、煤柱宽高比均满足要求。但方案1、方案2、方案6、方案7、方案11中的煤柱安全系数不能满足要求。在有限的开采区域内可以保证房屋安全的前提下，方案3相比其他方案可以多布置一个工作面，所以面积采出率最高，煤炭资源采出效益最好。因此通过初步比选，对方案3、方案8、方案12进行数值模拟比较。

3 条带开采方案数值模拟分析

3.1 模拟参数

利用FLAC3D软件进行模拟，模型计算中针对岩土性质，强度准则采用了摩尔—库伦准则，边界采用位移边界条件。模型坐标系采用直角坐标系，xoy平面取为水平面，z轴为铅直方向，向上为正。以煤层走向为x轴，倾向为y轴，重力方向为z轴。根据地层综合柱状图进行了相应简化，从地表往下各层岩层的物理力学参数见表3。

表3 岩层物理力学参数

3.2 模拟结果分析

方案3，8，12数值模拟出的地表移动变形统计见表4。

表4 采出率不同时数值模拟结果

在采深与采高相同时，地表的主要移动参数与条带的采宽有关：留宽一定时，随着采宽的增大，地表沉降量也随之变大，下沉系数增高；采宽一定时，留宽越大，地表沉降量随之减小，下沉系数降低。方案3所有指标均符合设防标准，方案8和方案12地表倾斜最大值已经接近所设标准。考虑地表湿陷性黄土层产生随机裂缝的可能和资源有效利用率，对地表建筑物产生的威胁性比较大，在有更安全的方案的前提下不建议采用方案8和方案12。

数值模拟方案3的下沉图和塑性区图如图5、图6所示，在模拟中对上覆岩层进行了分层监测，得到方案3不同层位上下沉曲线，如图7所示。

图5 3个工作面模拟回采结束后下沉

图6 3个工作面模拟回采结束后塑性区

图7 方案3不同剖面线上下沉曲线

(1)模拟开采后地表最大下沉约为510mm，塑性区发育高度约为110m，煤柱核区宽度约为76m，核区率满足煤柱稳定性的要求。

(2)上覆岩层由下向上依次冒落，岩层移动范围逐渐扩大，移动值逐渐减小，由于各岩层的特性不同，所以上下位岩层出现非均匀下沉和离层。

(3)开采结束后由于留设煤柱的支撑作用，在一定距离内上覆岩层成波浪形下沉：导水裂缝带中上部即距煤层的距离为80m处覆岩下沉呈现波浪起伏状；弯曲下沉带下部即距煤层150m处，岩层下沉呈现的波浪幅度减弱；当距煤层300m(即约1/3采深处)时，处于洛河组巨厚砂岩位置，波浪起伏消失，下沉形态呈现基本平缓。

(4)地表下沉曲线、距煤层800m下沉曲线和距煤层700m下沉曲线3条曲线下沉形态和移动范围基本一致，是因为地表存在200m左右的黄土层，在下位岩层下沉后上位的黄土层随即下沉，但存在碎胀性和压力的不同，才会产生不同的下沉值，但其不同层位产生的下沉形态相似。

4 地表移动变形预计分析

应用普适模型开发研制的地表沉陷预计软件(YLH-12)能够进行动态预计地表沉陷过程，并将计算数据通过图形数据转变为全盆地地表移动变形等值线分析图，分析开采地表沉陷对建筑物产生的影响。

4.1 地表移动静态分析

预计参数是进行地表移动变形预计的关键，彬长矿区亭南煤矿在一盘区开采期间对101，103，109，111，113条带工作面开采进行了地表移动观测，得到了条带开采地表移动参数；在二盘区204，205，206工作面开采期间也进行了地表移动观测，得到了全采条件下的地表移动参数。结合彬长矿区其他矿井地表移动观测成果和高家堡煤矿地质采矿和地形条件，应用类比法确定地表移动变形的概率积分预计参数预计为：

下沉系数：q全=0.38；

水平移动系数：b全=0.30；

主要影响范围角正切：tanβ全=2.0；

拐点偏移距：d=0.05H。

根据分段计算地表移动变形等值线图分析，分段开采后地表下沉等值线图如图8所示。

图8 全盆地地表下沉等值线

4.2 地表移动动态分析

地表移动活跃期的长短主要取决于开采深度、开采高度、覆岩岩性、充分开采程度等因素。如表5所示，彬长矿区充分采动条件下地表活跃期一般在200d左右，非充分采动条件下地表活跃期相对较短。

由于朱家沟村庄下条带开采深度大，开采高度小，在单一工作面开采条件下地表可能不会出现活跃期；在非充分采动条件下地表活跃期应不大于2个月；在多个工作面开采条件下地表沉陷活跃期在34个月范围。按预计地表沉陷最大值513mm，日推进速度6m/d，下沉速度系数1.7计算，最大下沉速度在5mm/d左右，表明地表沉陷活跃期地表下沉缓慢，对地表建筑物起到了很好的保护作用。

表5 彬长矿区地表移动活跃期

采用地表沉陷预计软件(YLH-12)考虑了采深、岩性对下沉影响时间系数，其地表沉陷总时间达5a以上，而一般在开采2a即可完成80%以上的地表下沉量，之后的地表沉陷属于残余沉陷。这种情况表明：一是在大采深条件下地表沉陷时间较长，沉陷速度一般缓慢，对地表建筑物影响很小；二是预计的地表最大下沉值要比地表实际观测小，地表建筑物将更为安全；三是采用这种评价方法也是考虑地层断裂构造、松散层加载及关键层断裂等因素对地表沉陷的影响，同时考虑了地表建筑群密集且抗变型能力较差等因素。

5 结 论

(1)以高家堡煤矿朱家沟村庄下开采为背景，采用理论计算、数值模拟确定采用采120m留130m的开采方案，条带开采回采率达到55.2%，可以保证大采深条件下工作面煤柱安全稳定。

(2)经过数值模拟和概率积分预计，条带工作面开采后，预计地表下沉盆地平缓，不会出现波浪起伏变形情况，沉降预计结果为：地表最大下沉量在600mm以内，最大水平移动在150mm以内，最大水平变形小于1.5mm/m，主倾斜变形小于1.2mm/m，保证条带开采引起的地表建筑物损害在Ⅰ级范围内。

(3)密集村庄下条带开采的系统评价方法是基于地表沉陷的长期性、特殊性、受多因素影响的随机性及建筑物长期安全稳定性要求进行分析，在理论分析的基础上加有工程类比，这种系统分析方法对新建矿井初期开采确定方案具有指导意义。

(4)由煤柱引起的下沉曲线呈波浪状对称，且随距煤层距离增大，波浪幅度逐渐减小，当距煤层的距离为300m时，即约1/3采深处，覆岩下沉波浪状基本消失，呈现平缓下沉，即在彬长矿区条件下开采洛河组砂岩对地表移动起到关键控制作用。