刘宝敏，彭小亚

(河南平煤神马梁北二井煤业有限公司，河南 禹州 461670)

目前，我国生产矿井“三下”压煤总量约为140亿t，可供10个年产10.0 Mt/a的矿井生产140年，其中建筑物下压煤约90亿t，占64%，村庄压煤占建筑物下压煤量的60%左右[1-3]。由于部分矿井建筑物下压煤占其可采储量的50%～95%，造成矿井采掘接替紧张，严重影响了矿井的正常生产，解放“三下”压煤刻不容缓[4-7]。

某矿区南翼走向长约1 200 m，倾斜长约860 m，受地面村庄保护煤柱的影响，开采15号煤层时不能简单布置传统的综放长壁工作面，而应该根据村庄保护煤柱特点，结合建筑下采煤新技术，将三矿传统开采技术与“三下”特殊开采技术相糅合，找出一套技术可行、经济合理的建筑物下采煤方案，在能够有效控制地表移动变形，减小地表沉陷的基础上，保证地面村庄建筑物处于Ⅰ级损坏以内，确保地面建筑物的安全使用，在此基础上，最大限度的提高煤炭资源采出率，实现不迁村安全采煤，这将具有显著的经济和社会效益，延续了矿井的可持续发展。

当前，针对建筑物下开采，国内外采用较多的井下开采技术措施有：条带开采、房柱式开采、采空区充填(膏体充填、似膏体充填、高水充填、水砂充填)、采空区部分充填、离层注浆充填减沉、冒落区注浆充填减沉、矸石置换充填、协调开采等。我国建下普遍采用的是条带开采，其减沉效果明显，缺点是回采率低、资源损失严重。

根据某矿区三矿扩四区南翼建筑物下煤层赋存特点，找出技术可行、经济合理的开采方案，不仅解决了三矿建筑物下压煤问题，同时为阳泉矿区类似条件的建筑物下安全开采提供借鉴。

1 试验工程概况

矿区南翼地面建筑物有沙湾村和官沟村两个村庄，与之相邻的是官沟煤矿的工业广场。但是不属于扩四区的范围，因此在开采设计中，仅考虑这2个村庄对应压煤范围的合理开采设计方案。其中，在官沟村内，有旅游景区银圆山庄，兴建于1700年，被誉为山西的小布达拉宫，并与2005年对外开放。

根据已知的岩层移动角度，针对15号煤层，计算得出现有建筑物压煤范围，如图1所示。由于15号煤层平均厚度6～7 m，在不考虑地表建筑物搬迁的前提下，要想采出此建筑物下煤炭资源，必须采用特殊的开采方法。

图1 15号煤层建筑物保护煤柱范围Fig.1 Scope of building protection coal pillar in No.15 coal seam

2 建筑物下开采方案的数值模拟研究

采用UDEC3.0数值模拟软件[8-10]，该软件是一种基于非连续体模拟的离散单元二维数值计算程序，主要模拟静载或动载条件下非连续介质(如节理块体)的力学行为特征，非连续介质是通过离散块体的组合来反映的，节理被当作块体间的边界条件来处理，允许块体沿节理面运动及回转。单个块体可以表现为刚体也可以表现为可变形体。UDEC3.0提供了适合岩土的7种材料本构模型和5种节理本构模型，能够较好地适应不同岩性和不同开挖状态条件下的岩层运动的需要，是目前模拟岩层破断后移动过程较为理想的数值模拟软件。UDEC离散单元法数值计算工具主要应用于地下岩体采动过程中岩体节理、断层、沉积面等对岩体逐步破坏的影响评价。UDEC能够分析研究直接和不连续特征相关的潜在的岩体破坏方式及煤层开挖后顶板垮落、离层的过程，可以较准确地分析条带开采后覆岩的移动和地表的沉陷。

2.1 数值模拟方案及建模

2.1.1 建立计算模型

根据三矿扩四区南翼煤层赋存的具体地质情况，在对现场情况进行简化和抽象的基础上，建立二维数值计算模型，如图2所示。模型总长度为1 000 m，高度为435 m，煤层实际倾角平均5°建模时简化为水平煤层，扩四区南翼3煤层厚度取平均为2 m，15煤层平均厚度7.5 m，模型中的岩层厚度、岩性参考采区附近311号钻孔柱状图。计算模型中两边各留设200 m的边界煤柱，以消除模型尺寸大小对地表下沉的影响。模型边界条件采用位移固定边界，其中两侧边界为单向约束，底部边界为双向约束。模型仅受重力作用，采用摩尔—库仑模型。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model

计算模型中的岩层的力学参数选取见表1。

表1 数值模拟计算中不同岩层的力学参数Tab.1 Physical parameters of different strata during numerical simulation calculation

2.1.2 数值模拟方案

根据地质钻孔的揭露情况，设计区域煤层厚度为7.5 m，保护煤柱下若采用条带开采，需要保证煤柱的稳定，通过计算可得采全厚7.5 m，采出率为

50%，需要留设的煤柱宽度为215 m，几乎与长壁开采相同，由于设计区域采深300～400m，全厚条带开采必然会造成地面的大幅度破坏，全厚开采是不可行的。因此，考虑仅采顶分层的条带布置方案。在建筑物保护煤柱之外的区域采用全采，工作面长度为180 m，村庄压煤区域采用条带开采方案，采用综放开采。根据实际条件，提出如下几种模拟方案：①采3 m顶分层，全采；②采3 m顶分层，采90 m留90 m煤柱；③采3 m顶分层，采70 m留90 m煤柱。

制药工程专业教学质量国家标准对于实验课程有着明确要求，在化学、药学类、生物类、工程类学科基础课程和专业课程中必须包括一定数量的实验。工程教育专业认证标准及其补充标准中明确指出，实践教学学分(含课程实验折合学分)不少于总学分的25%。

2.2 数值模拟结果分析

利用UDEC数值模拟软件，对不同开采方案的进行模拟计算分析[11-13]。

2.2.1 采3 m顶分层，全部全采

开采3 m顶分层，通过对所建模型地表下3 m处布设的沉陷观测线数据的计算处理，得出各项移动变形指标，如图3所示。

图3 全采地表移动变形曲线Fig.3 Full mining surface movement deformation curve

全采方案地表移动变形值：下沉量为2 381 mm；倾斜为-15.1～17.1 mm/m；曲率为-0.48×10-3～0.24×10-3m-1；水平移动为-550～360 mm；水平变形为-1.51～3.41 mm/m。

由预计结果可见，全采之后，倾斜值已经超过建筑物Ⅲ级破坏，地表破坏严重，对应的地面建筑已经超过Ⅱ级破坏。因此，顶分层全采的方案是不可取的。故考虑采用顶分层条带开采方案。

2.2.2 采3 m顶分层，采90 m留90 m煤柱

采90 m留90 m煤柱方案，采出率达到50%，在条采开采中采出率属于相对较大的数值。采用条带开采之后，覆岩运动的程度与全采相比得到了有效的控制，覆岩受应力扰动高度明显降低。通过对测线上沉陷数据的统计计算，得到了如图4所示的地表移动曲线。

图4 采90 m留90 m煤柱地表移动变形曲线Fig.4 Surface movement and deformation curve of mining 90 m remain 90 m coal pillar

采90 m留90 m煤柱方案地表移动变形值：下沉量为330 mm；倾斜为-2.6～2.8 mm/m；曲率为-0.06×10-3～0.05×10-3m-1；水平移动为-71～68 mm；水平变形为-0.85～1.96 mm/m。

由统计结果可以看出，采用此方案后，地表下沉量明显减小，倾斜和水平变形值均超过了设定的建筑物Ⅰ损坏临界值，最大倾斜为2.8mm/m，最大拉伸水平变形为1.96 mm/m。因此，采用此方案也是不行的。在此基础上，需要进一步减小采出率，以进一步减小地表移动变形的值。

2.2.3 采3 m顶分层，采70 m留90 m煤柱

采用现方案之后，采出4个条带之后，覆岩受到应力扰动高度较采90 m留90 m煤柱方案有明显下降，这样对地表建筑物的影响更小。布设测线所记录的地表移动变形值如图5所示。对于采70 m留90 m煤柱的开采方案，经过模拟后，得出下沉量为206 mm；倾斜-1.47～1.29 mm/m；曲率-0.03×10-3～0.03×10-3m-1；水平移动-46～45 mm；水平变形-0.4～1.0 mm/m。地表各项移动变形值均小于设定的建筑物Ⅰ级损坏临界值。因此采用此方案是可行的。

图5 采70 m留90 m煤柱地表移动变形曲线Fig.5 Surface movement and deformation curve of mining 70 m remain 90 m coal pillar

3 15号煤层建筑物下采煤方案沉陷预计

3.1 扩四区南翼建筑物下条带开采方案

在以前的开采实践中，由于考虑到建筑下采煤的复杂性，对保护煤柱范围内的煤炭资源一般采取丢弃的不采的做法。但随着煤炭资源的日益紧缺，煤炭对于生产生活的重要价值更加明显。因此，需要在保证地表建筑物的一定的破坏范围内，尽可能多的开采煤炭资源量，做到资源的充分利用[8-10]。

在3号煤层开采过程中，所有建筑物保护煤柱范围的煤炭资源均没有开采，也没有进行后期的回收，浪费相当严重。而且由于15号煤层厚度较大，平均厚6～7 m，如果丢弃，将造成更大的煤炭资源浪费。因此，在保证地表建筑物不超过Ⅰ级破坏的前提下，制定15号煤层建筑物保护煤柱的安全开采。根据条带开采数值模拟结果，对最优方案利用概率积分法进行预计。条带布置方式如图6所示。

图6 条带布置方案Fig.6 Strip layout scheme

3.2 条带开采布置及其地表沉陷预计

矿区沉陷预测预报是矿山开采沉陷学科的核心内容之一，对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要的意义。利用预测的结果可以定量地研究受开采影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律。预测所得的结果常被用来判别建筑物是否受开采影响和受开采影响的程度，作为受影响建筑物进行维修、加固或就地重建或采取地下开采措施的依据；可以根据预测所得的结果判断建筑物、铁路、水体下开采的可能性；可以根据预测的结果全面掌握矿区土地的塌陷情况，包括塌陷面积、塌陷深度，以便开展矿区土地复垦，保护矿区生态环境等。过于保守的(偏大)预测结果将导致花费不必要的保护费用，造成浪费；过于低估影响的(偏小)预测结果可能导致保护措施不足，使保护对象受到破坏，造成不必要的经济损失。长期的实践证明，该系统的预测预报结果是准确的和可靠的。

采用推荐方案，煤柱下可以布置4个条带工作面，采出率为43.7%。根据模拟及分析结果，认为在此条件下，采70 m留90 m煤柱方案为最优方案，条带设计后可以满足地表建筑物移动变形值均小于设定的建筑物Ⅰ损坏临界值。

地表移动变形值见表2，地表建筑物范围对应的移动变形值见表3。

根据表2、表3可知，采用此方案后，地表最大下沉量为210mm，倾斜为-1.2～0.8mm/m，水平

表2 地表移动变形值Tab.2 Surface movement deformation value

表3 地表建筑物范围对应的移动变形值Tab.3 Movement deformation value corresponding to the range of surface buildings

变形为-0.2～0.3 mm/m。其中，沙湾村地表最大下沉量为190 mm，倾斜为-0.3～0.5 mm/m，水平变形为-0.05～0.30 mm/m；官沟村地表最大下沉量为130 mm，倾斜为-0.5～0.4 mm/m，水平变形为-0.2～0.3 mm/m。地表建筑物的移动变形值均小于设定的建筑物Ⅰ损坏临界值。

4 结论

(1)根据采区的地质开采条件，提出3种开采方案，并利用UDEC数值模拟软件，对个方案的结果进行模拟研究。结果表明，在仅开采3 m顶分层的前提下，全采方案中各项地表移动指标均超过建筑物Ⅱ级破坏等级，方案不可行；对采90 m留90 m煤柱、采70 m留90 m煤柱条带布置方案进行模拟计算，最终选用采70 m留90 m煤柱条带开采方案。

(2)在UDEC数值模拟的基础上，利用概率积分法对采70 m留90 m煤柱条带开采方案进行了沉陷预计。结果表明，地表最大下沉量为210 mm，倾斜为-1.2～0.8 mm/m，水平变形为-0.2～0.3 mm/m。其中，沙湾村地表最大下沉量为190 mm，倾斜为-0.3～0.5 mm/m，水平变形为-0.05～0.30 mm/m；官沟村地表最大下沉量为130 mm，倾斜为-0.5～0.4 mm/m，水平变形为-0.2～0.3 mm/m。地表建筑物的移动变形值均小于设定的建筑物Ⅰ损坏临界值。

(3)采用此条带布置方案，在煤柱区域可以布置4个条带工作面，采出率为43.7%，可以多采出煤炭资源54.9万t。