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)調開采的原則，結合開采區(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)調開采；方案Ⅱ走向變條帶協(xié)調開采。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、覆巖內部結構、巖性和破壞機理、礦區(qū)地質構造及受保護建筑設施的結構等多重因素,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，地質構造較為復雜，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)，結合同類采礦地質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，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。