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《煤礦開采雜志》2014年第三期

1瞬時(shí)開采巖層及地表移動(dòng)的傳遞速度

煤礦開采是連續(xù)的推進(jìn)過程，覆巖及地表移動(dòng)隨著開采空間和時(shí)間變化。瞬時(shí)開采是假設(shè)在某一時(shí)間，采出特定區(qū)域的全部礦體，即將開采空間看作一常量，地表及覆巖的移動(dòng)變形僅隨采后時(shí)間而變化，不受開采空間的影響。借助數(shù)值計(jì)算軟件可模擬實(shí)際生產(chǎn)中不存在的開采狀況，研究不同開采充分度時(shí)，覆巖及地表移動(dòng)變形與開采破壞傳遞速度的關(guān)系。假設(shè)采動(dòng)破壞的傳遞速度與開采的充分程度(寬深比)有關(guān)，認(rèn)為地下煤層開采引起的移動(dòng)變形傳至地表所需的數(shù)值模擬迭代次數(shù)為傳遞速度。為了驗(yàn)證假設(shè)的正確性，進(jìn)行了不同采深不同充分度條件下模型開采引起地表下沉10mm的模擬迭代次數(shù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過表1分析可知，當(dāng)開采尺寸一定時(shí)，采深對(duì)迭代次數(shù)具有一定的影響，但與開采充分度相比，其影響較小。開采充分度的大小與數(shù)值模擬中計(jì)算步數(shù)成反比，即開采越充分，所需計(jì)算步數(shù)越少。開采充分度在開采沉陷的數(shù)值模擬中，起到了重要的作用。分析上述瞬時(shí)開采數(shù)值模擬結(jié)果，同等程度的地表下沉，開采時(shí)步與開采充分程度有很大關(guān)系。動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型的建立，需要考慮開采時(shí)步與開采充分度及推進(jìn)速度的關(guān)系，從而構(gòu)建時(shí)間與開采尺寸影響的開采時(shí)步綜合計(jì)算公式。

2動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型建立與驗(yàn)證分析

2.1動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型建立

模型建立的思想:基于瞬時(shí)開采巖層及地表移動(dòng)的傳遞速度，以一定尺寸的開采距離為開采元，建立單元開采后數(shù)值模擬迭代次數(shù)與開采充分度、推進(jìn)速度的關(guān)系。在推進(jìn)過程中，開采充分程度起主要作用，因此建立以開采充分度為主，推進(jìn)速度為輔的迭代次數(shù)計(jì)算公式。

2.2模型驗(yàn)證分析

2.2.1數(shù)值模型建立應(yīng)用通用離散元數(shù)值模擬軟件(UDEC)，模型建立尺寸為4200m×750m。表2為模型的物理力學(xué)參數(shù)。地質(zhì)采礦條件:采深700m，松散層厚度400m，基巖厚度300m，采厚3m，煤層傾角0°。

2.2.2模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比分析開采單元距離為20m，工作面推進(jìn)過程中，每個(gè)開采單元的迭代次數(shù)采用公式(1)計(jì)算，工作面停采后，僅時(shí)間因素對(duì)迭代次數(shù)有影響，因此利用公式(2)計(jì)算。圖1為數(shù)值模擬預(yù)計(jì)地表動(dòng)態(tài)下沉曲線，圖2為地表動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)水平移動(dòng)曲線。通過對(duì)比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合。

3推進(jìn)速度及巖性對(duì)模擬結(jié)果的影響

3.1推進(jìn)速度影響分析

3.1.1地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律工作面推進(jìn)過程中，引起上覆巖層的移動(dòng)變形隨時(shí)間變化，推進(jìn)速度的大小，直接影響巖層移動(dòng)傳遞的時(shí)間。按照開采單元尺寸100m計(jì)算，通過分析勻速推進(jìn)2m/d，10m/d地表動(dòng)態(tài)下沉曲線(見圖3(a)和圖3(b))可知，隨著推進(jìn)速度的增大，相同的開采空間，地表移動(dòng)變形呈變小趨勢(shì)，巖層的移動(dòng)時(shí)間較少，地表下沉不充分。開采速度較小時(shí)，巖層移動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，其地表下沉較為充分。工作面的推進(jìn)速度對(duì)地表動(dòng)態(tài)水平移動(dòng)(見圖3(c)和圖3(d))具有與下沉相似的規(guī)律，即水平移動(dòng)量與推進(jìn)速度成反比。

3.1.2巖層動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律低速推進(jìn)時(shí)，整個(gè)開采過程具有充足的時(shí)間圖4(a)和圖4(b)分別為堅(jiān)硬巖性和軟弱巖性地表動(dòng)態(tài)下沉曲線。硬巖條件下，非充分階段下沉較小，充分及超充分階段形成整體幅度下沉，當(dāng)巖性偏軟時(shí)，地表下沉盆地整體較為充分，下沉幅度明顯大于巖性偏硬模型。圖4(c)和圖4(d)分別為堅(jiān)硬巖性和軟弱巖性地表動(dòng)態(tài)水平移動(dòng)曲線，巖性偏硬時(shí)，地表水平移動(dòng)減小，巖性較軟時(shí)，地表水平移動(dòng)增加。

3.1.3巖層動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律軟巖條件下，覆巖豎向移動(dòng)具有與低速推進(jìn)相似的現(xiàn)象，豎向位移傳遞速度快;硬巖條件下，累計(jì)開采空間區(qū)域較大，造成上覆巖層整體移動(dòng)。軟巖條件下，采空區(qū)上方的覆巖垮落較快，應(yīng)力分布集中，而硬巖條件，采空區(qū)易累計(jì)形成較大的區(qū)域，上覆巖層整體性較強(qiáng)，應(yīng)力分布均勻。

4結(jié)論

(1)應(yīng)用數(shù)值模擬軟件UDEC，將開采充分性指標(biāo)和推進(jìn)速度指標(biāo)引入單元開采所需計(jì)算迭代次數(shù)，提出了基于開采充分程度及推進(jìn)速度的動(dòng)態(tài)模擬算法。(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，推進(jìn)速度和巖性對(duì)地表移動(dòng)變形大小及分布形態(tài)均具有顯著響。推進(jìn)速度較小或覆巖巖性較軟時(shí)，地表容易達(dá)到靜態(tài)移動(dòng)變形最大值，反之則不易達(dá)到。(3)數(shù)值計(jì)算分析表明，推進(jìn)速度較快或巖性較硬時(shí)，采空區(qū)上覆巖層塊體跨度較大，應(yīng)力分布均勻，覆巖整體移動(dòng)性較強(qiáng);而當(dāng)推進(jìn)速度較慢或巖性較軟時(shí)，地表下沉整體較為充分，下沉幅度大于巖性偏硬模型。

作者：劉吉波廉旭剛戴華陽楊國(guó)柱劉杰單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院