開采沉陷計算機仿真探究

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本文作者：計宏、余學義 單位：西安科技大學

蒲白礦務局馬村礦南盤采區(qū)引起的開采沉陷損害影響范圍較大，西固鎮(zhèn)的多數(shù)建筑物都受到不同程度的損害。開采區(qū)煤系地層屬于石炭系山西組和太原群，包含5個煤層，5#煤層為該區(qū)主采煤層，基巖主要包括粗砂巖、細砂巖、砂頁巖互層、頁巖和泥質(zhì)砂巖。西固鎮(zhèn)約900戶、4000人和12個村落。全鎮(zhèn)的地面建筑物多為舊窯洞、瓦房、平房及少量樓房。受到開采破壞的地面建筑物約有350間平房、300間樓房及部分磚拱窯洞[2]。

按照變條帶協(xié)調(diào)開采的原則，結(jié)合開采區(qū)域的煤層賦存條件、礦區(qū)地表建筑物的分布情況及煤柱的采留寬理論計算分析，擬定2種開采方案：方案Ⅰ傾斜變條帶協(xié)調(diào)開采；方案Ⅱ走向變條帶協(xié)調(diào)開采。開采參數(shù)如下：方案Ⅰ留寬a=25m，采寬b=18～32m，依次按2m的步距逐漸遞增；方案Ⅱ留煤柱寬度b=25m，采寬b=25m[2]。通過YHL-12預計軟件系統(tǒng)和YHL-12數(shù)值模擬計算分析，確定安全、合理、經(jīng)濟的開采方案。

地表移動變形預計數(shù)學模型。設計模擬計算模型時，為了提高預計計算準確度，常使用多塊段劃分計算，可以保證滿足開采方法、形狀和時間變化的要求，同時可以減小開采厚度、高度、深度及開采時間和順序因素所造成的影響。

YLH-12預計評價系統(tǒng)介紹。目前，國內(nèi)外對礦區(qū)開采引起的地表沉陷、破壞預計理論和方法做了大量的研究,取得了豐碩的成果。開采沉陷涉及開采方法、覆巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)、巖性和破壞機理、礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及受保護建筑設施的結(jié)構(gòu)等多重因素,是一個十分復雜的影響系統(tǒng)。YLH-12預計評價系統(tǒng)正是集地表位移變形預計、開采方法優(yōu)選、建筑物與地表破壞程度圖形分區(qū)分類評價及參數(shù)優(yōu)化選擇為一體的綜合評價系統(tǒng)。

影響函數(shù)仿真模擬計算。西固村鎮(zhèn)開采區(qū)域，濕陷性黃土覆蓋層厚度大，厚度大約在80m以上，屬于特厚黃土覆蓋層下厚煤層開采類型。煤層埋藏約為230m，地質(zhì)構(gòu)造較為復雜，開采條件變化較大，開采時間先后不同且開采形狀不規(guī)則。為了提高預計計算的準確度，減小開采厚度、高度、深度及開采時間和順序因素所造成的影響，在計算中采用多塊段劃分計算[5]，采用極坐標閉合回路積分通用模型。根據(jù)礦區(qū)條帶開采的地表觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合同類采礦地質(zhì)條件下條帶開采的觀測數(shù)據(jù)，以及南盤采區(qū)鉆孔柱狀巖性綜合分析，確立了概率積分法預計參數(shù)：水平移動系數(shù)b=0.28～0.32；下沉系數(shù)η=0.89；最大下沉角φ=86°；主要影響角正切值tanβ=2.5，β=68.2°；拐點偏移距d=0.03H[6]。采用預計評價軟件YLH-12，計算出2種方案開采后地表的移動變形值，再經(jīng)過圖像處理軟件制作出移動變形等值線圖。根據(jù)受損地表建筑物涉及范圍內(nèi)的移動變形值及建筑物的受破壞情況綜合分析，確定開采損害對地表建筑物的影響，從而分析和判斷開采方案的可行性，并對開采方案進行優(yōu)化設計，選擇最實用的開采方案。開采影響建筑物的程度與范圍綜合分析表見表1。如圖1、圖2所示，采用變條帶協(xié)調(diào)開采方案，地表下沉盆地呈偏態(tài)分布，位于采區(qū)邊界一側(cè)，下沉盆地拐點位置較正常情況下平緩得多，從而能夠控制和減小建筑物涉及范圍內(nèi)的地表移動變形值，有效地保護了建筑物不受損害。方案Ⅰ中建筑物位置的移動變形更小，較方案Ⅱ更適合西固鎮(zhèn)下煤層開采條件，因此確定開采方案為傾向變條帶開采。這種開采方案中，由東向西逐漸加寬開采條帶，根據(jù)開采地表建筑物受損情況可以及時調(diào)整開采寬度，降低地表建筑物的損害程度，確保了建筑物的安全使用[7]。

FLAC3D數(shù)值模擬。以方案Ⅰ中的參數(shù)進行數(shù)值模擬計算，進一步確定開采方案。模擬煤層的埋深為238.7m，模擬模型全長600m，高270m，寬550m，共劃分147400個單元。數(shù)值模擬9個開采工作面，模擬沿井田邊界至上山方向450m的傾斜變條帶開采。開采結(jié)束后豎向位移的走向剖面圖見圖3，最大主應力的走向剖面圖見圖4。計算結(jié)論表明，采用留煤柱開采法，開采后地表最大豎向位移量小于75mm，地表沉陷引起的水平變形遠遠小于1mm/m，不會引起地表建筑物的變形損害，因此在開采過程中地表基本上保持穩(wěn)定。FLAC3D數(shù)值模擬與YHL-12影響函數(shù)的預計地表移動變形參數(shù)和結(jié)果吻合較好，從而確定開采方案為傾向變條帶開采。

煤層開采引起的地表移動變形是西部礦區(qū)開采的一個特殊問題,采動引起的開采沉陷問題具有一定的特殊性。借助于計算機技術，運用YhL-12預計軟件對蒲白礦務局西固鎮(zhèn)下開采的地表移動變形進行了預計,并與數(shù)值模擬計算結(jié)果進行了對比，分析了條帶開采時地表沉陷的基本規(guī)律及特點，確定了開采方案，對礦區(qū)綠色開采、生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導意義。