开采沉陷计算机仿真探究

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本文作者：计宏、余学义 单位：西安科技大学

蒲白矿务局马村矿南盘采区引起的开采沉陷损害影响范围较大，西固镇的多数建筑物都受到不同程度的损害。开采区煤系地层属于石炭系山西组和太原群，包含5个煤层，5#煤层为该区主采煤层，基岩主要包括粗砂岩、细砂岩、砂页岩互层、页岩和泥质砂岩。西固镇约900户、4000人和12个村落。全镇的地面建筑物多为旧窑洞、瓦房、平房及少量楼房。受到开采破坏的地面建筑物约有350间平房、300间楼房及部分砖拱窑洞[2]。

按照变条带协调开采的原则，结合开采区域的煤层赋存条件、矿区地表建筑物的分布情况及煤柱的采留宽理论计算分析，拟定2种开采方案：方案Ⅰ倾斜变条带协调开采；方案Ⅱ走向变条带协调开采。开采参数如下：方案Ⅰ留宽a=25m，采宽b=18～32m，依次按2m的步距逐渐递增；方案Ⅱ留煤柱宽度b=25m，采宽b=25m[2]。通过YHL-12预计软件系统和YHL-12数值模拟计算分析，确定安全、合理、经济的开采方案。

地表移动变形预计数学模型。设计模拟计算模型时，为了提高预计计算准确度，常使用多块段划分计算，可以保证满足开采方法、形状和时间变化的要求，同时可以减小开采厚度、高度、深度及开采时间和顺序因素所造成的影响。

YLH-12预计评价系统介绍。目前，国内外对矿区开采引起的地表沉陷、破坏预计理论和方法做了大量的研究,取得了丰硕的成果。开采沉陷涉及开采方法、覆岩内部结构、岩性和破坏机理、矿区地质构造及受保护建筑设施的结构等多重因素,是一个十分复杂的影响系统。YLH-12预计评价系统正是集地表位移变形预计、开采方法优选、建筑物与地表破坏程度图形分区分类评价及参数优化选择为一体的综合评价系统。

影响函数仿真模拟计算。西固村镇开采区域，湿陷性黄土覆盖层厚度大，厚度大约在80m以上，属于特厚黄土覆盖层下厚煤层开采类型。煤层埋藏约为230m，地质构造较为复杂，开采条件变化较大，开采时间先后不同且开采形状不规则。为了提高预计计算的准确度，减小开采厚度、高度、深度及开采时间和顺序因素所造成的影响，在计算中采用多块段划分计算[5]，采用极坐标闭合回路积分通用模型。根据矿区条带开采的地表观测数据，结合同类采矿地质条件下条带开采的观测数据，以及南盘采区钻孔柱状岩性综合分析，确立了概率积分法预计参数：水平移动系数b=0.28～0.32；下沉系数η=0.89；最大下沉角φ=86°；主要影响角正切值tanβ=2.5，β=68.2°；拐点偏移距d=0.03H[6]。采用预计评价软件YLH-12，计算出2种方案开采后地表的移动变形值，再经过图像处理软件制作出移动变形等值线图。根据受损地表建筑物涉及范围内的移动变形值及建筑物的受破坏情况综合分析，确定开采损害对地表建筑物的影响，从而分析和判断开采方案的可行性，并对开采方案进行优化设计，选择最实用的开采方案。开采影响建筑物的程度与范围综合分析表见表1。如图1、图2所示，采用变条带协调开采方案，地表下沉盆地呈偏态分布，位于采区边界一侧，下沉盆地拐点位置较正常情况下平缓得多，从而能够控制和减小建筑物涉及范围内的地表移动变形值，有效地保护了建筑物不受损害。方案Ⅰ中建筑物位置的移动变形更小，较方案Ⅱ更适合西固镇下煤层开采条件，因此确定开采方案为倾向变条带开采。这种开采方案中，由东向西逐渐加宽开采条带，根据开采地表建筑物受损情况可以及时调整开采宽度，降低地表建筑物的损害程度，确保了建筑物的安全使用[7]。

FLAC3D数值模拟。以方案Ⅰ中的参数进行数值模拟计算，进一步确定开采方案。模拟煤层的埋深为238.7m，模拟模型全长600m，高270m，宽550m，共划分147400个单元。数值模拟9个开采工作面，模拟沿井田边界至上山方向450m的倾斜变条带开采。开采结束后竖向位移的走向剖面图见图3，最大主应力的走向剖面图见图4。计算结论表明，采用留煤柱开采法，开采后地表最大竖向位移量小于75mm，地表沉陷引起的水平变形远远小于1mm/m，不会引起地表建筑物的变形损害，因此在开采过程中地表基本上保持稳定。FLAC3D数值模拟与YHL-12影响函数的预计地表移动变形参数和结果吻合较好，从而确定开采方案为倾向变条带开采。

煤层开采引起的地表移动变形是西部矿区开采的一个特殊问题,采动引起的开采沉陷问题具有一定的特殊性。借助于计算机技术，运用YhL-12预计软件对蒲白矿务局西固镇下开采的地表移动变形进行了预计,并与数值模拟计算结果进行了对比，分析了条带开采时地表沉陷的基本规律及特点，确定了开采方案，对矿区绿色开采、生态环境保护和可持续发展具有重要的指导意义。