连续采煤机短壁机械化开采条件下地表沉陷分析研究

毕建国

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原030006）



连续采煤机短壁机械化开采条件下地表沉陷分析研究

毕建国

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原030006）

摘要：基于工作面的工程地质、岩土体的物理力学指标和短壁开采的特点，在工作面回采过程中对地表进行下沉监测，并利用FLAC3D软件进行相应的数值模拟，将工程实测和数值模拟的结果进行验证分析，得出连续采煤机短壁机械化开采条件下地表沉陷规律。

关键词：短壁机械化开采；工程实测；数值模拟；地表沉陷

近十几年来，煤矿开采过程中很多煤矿遗留了大量的边角煤柱、不规则块段煤和复杂难采区域煤量以及“三下”压煤等煤炭资源，滞留的这些资源若不能安全高效的采出，将会造成煤炭资源的严重浪费，因此，如何安全高效的采出这些煤炭资源已成为煤炭开采技术研究的重点。连续采煤机短壁机械化开采在开采边角煤、不规则块段以及“三下”压煤资源具有自身的优势，近几年来此项开采技术正在不断得到应用和推广，但是煤炭资源的回采势必会造成地表出现不同程度的沉陷，因此，深入研究和分析连续采煤机短壁机械化开采条件下的地表沉陷规律，对保证工作面安全开采和保护地面建（构）筑物具有重要的意义。

1　工程概况

中煤平朔24206边角煤工作面位于24206综放工作面停采线与4号煤开拓大巷之间，工作面形状为一不规则多边形，工作面长度为467 m，回采面积51 427 m2。24206边角煤短壁工作面所采煤层为石炭系上统太原组4-2号煤层，煤层产状平缓。裂隙较发育，煤层平均厚度为4.47 m，倾角1.5°～6.5°，平均2.2°。煤层发育稳定，硬度系数f =2～3。4-2号煤呈黑色，玻璃、沥青光泽，半光亮型煤，以亮煤为主。4-2号煤层直接顶为4-1号煤与4-2号煤层间的夹矸，岩性为深灰色粉细砂岩，局部灰黑色，成分以石英为主，长石次之，厚度为0.95 m～1.79 m，平均厚度1.29 m；4-1号煤层位于4-2号煤层直接顶上部，煤层厚度0～9.2 m，平均厚度4 m，煤层呈黑色，断口平整，内生裂隙发育，玻璃、沥青光泽，以亮煤为主，暗煤次之，暗淡型煤、半亮型煤，煤层上部多为风氧化煤。4-1号煤层直接顶为K3标志层，中粗砂岩灰白色，成分以石英、长石为主，节理发育，局部见少量绿色矿物及白云母，较坚硬。其上为中砂岩、细砂岩、砂质泥岩。老顶为细砂岩，以灰色为主，间夹黄色或褐色，局部夹泥质，斜层理，局部水平层理。4-2号煤底板为深灰色粉砂岩，成分以石英长石为主，平行层理，见有植物根化石，含团块状黄铁矿。岩土体物理力学指标如表1所示。

表1　岩土体物理力学指标

2　工程实测

在短壁回采工作面相对应的地面设立监测监测线和监测点，利用先进的监测仪器对地面下沉量进行实时监测，同时利用FLAC3D软件进行数值模拟，模拟出所选监测点的沉陷盆地，并得出模拟条件下的最大下沉值，验证实测结果与模拟数值的对应性。

选取坐标为（80,90,0）监测点为考察点，随着工作面的不断回采，对此点的下沉数值进行实时监测，并绘制该监测点的下沉曲线，该监测点的监测曲线见图1。

图1　坐标（80，90，0）监测点下沉曲线图

利用FLAC3D软件对此监测点的下沉情况进行数值模拟，获得该监测点的下沉云图，见图2。

图2　坐标（80，90，0）监测点下沉云图

为了验证监测数据和数值模拟的吻合性，基于相应的力学模型和计算公式，带入相应的参数数值计算出的该监测点的最大下沉值为1 770.5 mm，通过下沉曲线可得最大下沉值为1 768 mm，计算结果和监测数值基本吻合。

3　沉陷规律分析

根据24206短壁开采工作面的工程地质条件及相应的参数数值，利用FLAC3D数值模拟软件进行回采模拟，建立三维地质模型，见图3。

图3　三维地质模型

利用所建立的三维地质模型，分别对开采不同支巷的情形进行模拟，分析回采时的水平等值线和下沉等值线。图4为水平移动数值模拟图，图5为下沉数值模拟图。

图4　水平移动数值模拟

图5　下沉数值模拟

通过以上的数值模拟分析可知，在短壁开采条件下的地表沉陷规律和综采有很大的区别，在短壁开采条件下留设煤柱能够显著减缓地表下沉，最大下沉量、最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和最大变形都要比综采条件下要小，而且沉陷边界不规则；随着回采工作的不断推进，最大变形值逐渐增大并在到达临界开采时趋于稳定，采空区面积不断增大，沉陷范围也相应增大，但沉陷数值不会发生变化，沉陷形态经历了“漏斗型-碗型-盆地型”的变化过程。

4　结论

通过相应的理论计算和工程实测对工作面回采过程中地表监测点的下沉数值进行计算和监测，两者数值基本吻合。

通过详细的数值模拟分析可知，短壁开采条件下最大下沉量、最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和最大变形都要比综采条件下要小，且沉陷形态经历了“漏斗型-碗型-盆地型”的变化过程。

参考文献：

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[4]吴立新，王金庄，刘延安，等.建筑物下压煤条带开采理论与实践［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1995.

[5]谢和平，段法兵，周宏伟，等.条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展［J］.中国矿业，1998,7（5）：37- 41.

（编辑：刘新光）

Analysis on Surface Subsidence of Short-wall Mechanized Mining with Continuous Miner

BI Jianguo
(Taiyuan Institute, China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan 030006, China )

Abstract:According to engineering geology of working face, physical mechanic index of rock- soil mass, and features of short- wall mechanized mining, surface subsidence was monitored in the mining process. The results, from engineering detection and numerical simulation with FLAC3Dsoftware, were tested and analyzed to determine the surface subsidence law caused by the short- wall mechanized mining with continuous miners.

Keywords:short- wall mechanized mining; engineering detection; numerical simulation; surface subsidence

作者简介：毕建国（1985-），男，山东莱芜人，硕士，工程师，从事连续采煤机短壁机械化开采技术及煤矿绿色开采方面的研究工作。

收稿日期：2015- 10- 14

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.004

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0012- 03

中图分类号：TD421.6+5；TD325+.4

文献标识码：A