條帶采寬對地表移動變形影響數值模擬研究*

劉 明

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

目前，條帶開采的地表移動變形預計大多采用與全采條件下相同的預計方法即概率積分法進行預計，預計時僅需調整全采預計參數為條采預計參數即可[1]。如何確定條帶開采預計參數，研究人員根據實測資料總結出兩套經驗公式[2]，但由于不同礦區地質采礦條件不同，有時預計結果與實測結果相差較大，預計精度較低。因此，如何確定條帶采留寬度與條帶預計參數仍是需要深入研究的課題。本文結合某礦實際地質采礦條件，采用UDEC離散元數值模擬軟件，對相同留寬、不同采寬的條帶開采地表移動變形規律進行探討，為該礦區條帶開采設計提供技術支撐。

1 地質采礦條件

本文以某礦村莊壓煤區為例，進行條帶開采模擬研究。該礦壓煤村莊現有居民225戶，人口約900人，占地0.21 km2。村莊建筑主要為民房，建筑結構主要為磚混、磚木和磚拱窯洞等三類。根據礦區開采經驗，村莊民房建筑物在不出現明顯裂縫的情況下，可承受的地表變形為水平變形ε≤1.0 mm/m、傾斜i≤1.5 mm/m、曲率K≤0.1×10-3/m。壓煤區主采煤層為5煤層，位于太原組地層下部，煤層厚度3.35～5.09 m，一般3.8 m左右。5煤層埋藏標高為245～280 m，埋深405～455 m，平均埋深430 m，第四系厚84～102 m，平均厚96 m，基巖平均厚329 m，煤層傾角平緩，一般2°～7°。該區整體形態為一向北傾斜的單斜構造，地層呈緩波狀起伏，幅度較小，中部略有凹陷，構造相對簡單。

2 模型建立

2.1 數值模擬程序UDEC簡介

UDEC(Universal Distinct Element Code)是處理不連續介質的二維離散元程序，用于模擬非連續介質承受靜載或動載作用下的響應。非連續介質是通過離散的塊體集合體加以表示的。不連續面處理為塊體間的邊界，允許塊體沿不連續面發生較大位移和轉動[3]。塊體可以是剛體或變形體。變形塊體被劃分成有限個單元網格，且每一單元根據給定的“應力—應變”準則，表現為線性或非線性。不連續面發生法向和切向的相對運動也由線性或非線性“力—位移”的關系控制。UDEC提供了適合巖土的7種材料本構模型和5種節理本構模型，能夠較好地適應不同巖性和不同開挖狀態條件下的巖層運動的需要，可較準確地分析條帶開采后覆巖的移動和地表的沉陷[4]。

2.2 數值模型的建立

研究區域煤層傾角較小，數值模型按水平煤層考慮，模型的走向長度1 500 m，垂直高度483 .8 m，如圖1所示，工作面開采深度為430 m，煤厚3.8 m。計算模型中兩邊各留設500 m的邊界煤柱，以消除模型尺寸大小對地表變形的影響。模型的邊界條件采用位移固定邊界，其中，兩側邊界為單向約束，底部為雙向約束，如圖2所示。

圖1 UDEC數值模型圖

圖2 數值模型邊界條件

根據煤巖體的力學特性，煤巖體本構關系采用“莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)”準則，節理采用“節理面接觸-庫侖滑移”準則，根據覆巖條件，煤巖體物理力學參數如表1所示。

表1 煤巖層塊體力學參數表

2.3 模擬方案設計

條帶開采的目的是控制地表移動與變形在建筑物允許變形以內，其關鍵是條帶采留寬度的確定。采寬過大則地表移動變形較大甚至出現波浪形下沉，達不到保護地表建筑的目的；留寬過窄，不能確保留設煤柱的長期穩定[5-8]，且煤炭損失率大。

根據A.H.威爾遜理論和壓力拱理論等研究成果[9-11]，通過計算，條帶煤柱留設寬度應為42.5～55.25 m，結合礦區條帶開采經驗，確定條帶煤柱留寬為50 m。為了分析相同留寬(50 m)條件下，不同采寬的地表移動變形規律，本次模擬設計5個開采方案，如表2所示。

表2 條帶開采模擬方案表

3 模擬結果分析

各方案條帶開采后地表移動變形如圖3所示，由圖可知，地表的最大下沉、最大傾斜、最大水平移動及最大水平變形值均隨著采寬的增大而增大，各方案地表最大變形值如表3所示。由地表變形可知，方案1和方案2的地表移動變形較小，地表建筑將受到《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[12]規定的Ⅰ級的一半損壞；方案3、方案4和方案5的地表最大傾斜和最大水平變形均大于該區地表建筑物的允許變形值，地面房屋將出現較明顯裂縫，達到Ⅰ級損壞。因此，通過分析可知，方案2即采寬45 m為最佳方案。

圖3 各方案地表移動變形曲線圖

表3 各方案地表移動變形最大值表

對各地表變形最大值和條帶采寬進行了擬合分析，得到各地表變形最大值同條帶采寬的關系和公式如圖4所示，可知條帶采寬在40～60 m變化時：

(1)地表最大下沉值和最大傾斜值隨條帶采寬成非線性關系，曲線下凹，即隨著采寬的增大，其增幅逐漸增大；

(2)地表水平移動值與采寬近似呈線性變化；

(3)地表最大水平變形與條帶采寬亦呈非線性關系，曲線上凹，即隨著采寬的增大，其增速逐漸變小。

圖4 地表移動變形最大值與條帶采寬的關系

4 結 論

本文分析了某礦壓煤區地質采礦條件和地面民房建筑的抗變形能力，根據條帶開采相關理論，確定條帶煤柱留寬為50 m。通過UDEC數值模擬對多個方案進行了比較、分析，確定壓煤區條帶煤柱留寬50 m的條件下，條帶采寬45 m為該地質采礦條件下的最優方案。還通過模擬分析得出了地表移動變形與條帶采寬之間的規律，并擬合分析出了在研究區域地質條件下，條帶采寬在40～60 m之間變化時地表移動變形與采寬的關系式，為類似條件下的礦區條帶開采設計、條帶開采巖移預計參數的選取等提供借鑒。