刘 明

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

目前，条带开采的地表移动变形预计大多采用与全采条件下相同的预计方法即概率积分法进行预计，预计时仅需调整全采预计参数为条采预计参数即可[1]。如何确定条带开采预计参数，研究人员根据实测资料总结出两套经验公式[2]，但由于不同矿区地质采矿条件不同，有时预计结果与实测结果相差较大，预计精度较低。因此，如何确定条带采留宽度与条带预计参数仍是需要深入研究的课题。本文结合某矿实际地质采矿条件，采用UDEC离散元数值模拟软件，对相同留宽、不同采宽的条带开采地表移动变形规律进行探讨，为该矿区条带开采设计提供技术支撑。

1 地质采矿条件

本文以某矿村庄压煤区为例，进行条带开采模拟研究。该矿压煤村庄现有居民225户，人口约900人，占地0.21 km2。村庄建筑主要为民房，建筑结构主要为砖混、砖木和砖拱窑洞等三类。根据矿区开采经验，村庄民房建筑物在不出现明显裂缝的情况下，可承受的地表变形为水平变形ε≤1.0 mm/m、倾斜i≤1.5 mm/m、曲率K≤0.1×10-3/m。压煤区主采煤层为5煤层，位于太原组地层下部，煤层厚度3.35～5.09 m，一般3.8 m左右。5煤层埋藏标高为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，基岩平均厚329 m，煤层倾角平缓，一般2°～7°。该区整体形态为一向北倾斜的单斜构造，地层呈缓波状起伏，幅度较小，中部略有凹陷，构造相对简单。

2 模型建立

2.1 数值模拟程序UDEC简介

UDEC(Universal Distinct Element Code)是处理不连续介质的二维离散元程序，用于模拟非连续介质承受静载或动载作用下的响应。非连续介质是通过离散的块体集合体加以表示的。不连续面处理为块体间的边界，允许块体沿不连续面发生较大位移和转动[3]。块体可以是刚体或变形体。变形块体被划分成有限个单元网格，且每一单元根据给定的“应力—应变”准则，表现为线性或非线性。不连续面发生法向和切向的相对运动也由线性或非线性“力—位移”的关系控制。UDEC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，可较准确地分析条带开采后覆岩的移动和地表的沉陷[4]。

2.2 数值模型的建立

研究区域煤层倾角较小，数值模型按水平煤层考虑，模型的走向长度1 500 m，垂直高度483 .8 m，如图1所示，工作面开采深度为430 m，煤厚3.8 m。计算模型中两边各留设500 m的边界煤柱，以消除模型尺寸大小对地表变形的影响。模型的边界条件采用位移固定边界，其中，两侧边界为单向约束，底部为双向约束，如图2所示。

图1 UDEC数值模型图

图2 数值模型边界条件

根据煤岩体的力学特性，煤岩体本构关系采用“莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)”准则，节理采用“节理面接触-库仑滑移”准则，根据覆岩条件，煤岩体物理力学参数如表1所示。

表1 煤岩层块体力学参数表

2.3 模拟方案设计

条带开采的目的是控制地表移动与变形在建筑物允许变形以内，其关键是条带采留宽度的确定。采宽过大则地表移动变形较大甚至出现波浪形下沉，达不到保护地表建筑的目的；留宽过窄，不能确保留设煤柱的长期稳定[5-8]，且煤炭损失率大。

根据A.H.威尔逊理论和压力拱理论等研究成果[9-11]，通过计算，条带煤柱留设宽度应为42.5～55.25 m，结合矿区条带开采经验，确定条带煤柱留宽为50 m。为了分析相同留宽(50 m)条件下，不同采宽的地表移动变形规律，本次模拟设计5个开采方案，如表2所示。

表2 条带开采模拟方案表

3 模拟结果分析

各方案条带开采后地表移动变形如图3所示，由图可知，地表的最大下沉、最大倾斜、最大水平移动及最大水平变形值均随着采宽的增大而增大，各方案地表最大变形值如表3所示。由地表变形可知，方案1和方案2的地表移动变形较小，地表建筑将受到《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[12]规定的Ⅰ级的一半损坏；方案3、方案4和方案5的地表最大倾斜和最大水平变形均大于该区地表建筑物的允许变形值，地面房屋将出现较明显裂缝，达到Ⅰ级损坏。因此，通过分析可知，方案2即采宽45 m为最佳方案。

图3 各方案地表移动变形曲线图

表3 各方案地表移动变形最大值表

对各地表变形最大值和条带采宽进行了拟合分析，得到各地表变形最大值同条带采宽的关系和公式如图4所示，可知条带采宽在40～60 m变化时：

(1)地表最大下沉值和最大倾斜值随条带采宽成非线性关系，曲线下凹，即随着采宽的增大，其增幅逐渐增大；

(2)地表水平移动值与采宽近似呈线性变化；

(3)地表最大水平变形与条带采宽亦呈非线性关系，曲线上凹，即随着采宽的增大，其增速逐渐变小。

图4 地表移动变形最大值与条带采宽的关系

4 结 论

本文分析了某矿压煤区地质采矿条件和地面民房建筑的抗变形能力，根据条带开采相关理论，确定条带煤柱留宽为50 m。通过UDEC数值模拟对多个方案进行了比较、分析，确定压煤区条带煤柱留宽50 m的条件下，条带采宽45 m为该地质采矿条件下的最优方案。还通过模拟分析得出了地表移动变形与条带采宽之间的规律，并拟合分析出了在研究区域地质条件下，条带采宽在40～60 m之间变化时地表移动变形与采宽的关系式，为类似条件下的矿区条带开采设计、条带开采岩移预计参数的选取等提供借鉴。