開(kāi)采沉陷計算機仿真探究論文
蒲白礦務(wù)局馬村礦南盤(pán)采區引起的開(kāi)采沉陷損害影響范圍較大，西固鎮的多數建筑物都受到不同程度的損害。開(kāi)采區煤系地層屬于石炭系山西組和太原群，包含5個(gè)煤層，5#煤層為該區主采煤層，基巖主要包括粗砂巖、細砂巖、砂頁(yè)巖互層、頁(yè)巖和泥質(zhì)砂巖。西固鎮約900戶(hù)、4000人和12個(gè)村落。全鎮的地面建筑物多為舊窯洞、瓦房、平房及少量樓房。受到開(kāi)采破壞的地面建筑物約有350間平房、300間樓房及部分磚拱窯洞[2]。
按照變條帶協(xié)調開(kāi)采的原則，結合開(kāi)采區域的煤層賦存條件、礦區地表建筑物的分布情況及煤柱的采留寬理論計算分析，擬定2種開(kāi)采方案：方案Ⅰ傾斜變條帶協(xié)調開(kāi)采；方案Ⅱ走向變條帶協(xié)調開(kāi)采。開(kāi)采參數如下：方案Ⅰ留寬a=25m，采寬b=18～32m，依次按2m的步距逐漸遞增；方案Ⅱ留煤柱寬度b=25m，采寬b=25m[2]。通過(guò)YHL-12預計軟件系統和YHL-12數值模擬計算分析，確定安全、合理、經(jīng)濟的開(kāi)采方案。
地表移動(dòng)變形預計數學(xué)模型。設計模擬計算模型時(shí)，為了提高預計計算準確度，常使用多塊段劃分計算，可以保證滿(mǎn)足開(kāi)采方法、形狀和時(shí)間變化的要求，同時(shí)可以減小開(kāi)采厚度、高度、深度及開(kāi)采時(shí)間和順序因素所造成的影響。
YLH-12預計評價(jià)系統介紹。目前，國內外對礦區開(kāi)采引起的地表沉陷、破壞預計理論和方法做了大量的研究,取得了豐碩的成果。開(kāi)采沉陷涉及開(kāi)采方法、覆巖內部結構、巖性和破壞機理、礦區地質(zhì)構造及受保護建筑設施的結構等多重因素,是一個(gè)十分復雜的影響系統。YLH-12預計評價(jià)系統正是集地表位移變形預計、開(kāi)采方法優(yōu)選、建筑物與地表破壞程度圖形分區分類(lèi)評價(jià)及參數優(yōu)化選擇為一體的綜合評價(jià)系統。
影響函數仿真模擬計算。西固村鎮開(kāi)采區域，濕陷性黃土覆蓋層厚度大，厚度大約在80m以上，屬于特厚黃土覆蓋層下厚煤層開(kāi)采類(lèi)型。煤層埋藏約為230m，地質(zhì)構造較為復雜，開(kāi)采條件變化較大，開(kāi)采時(shí)間先后不同且開(kāi)采形狀不規則。為了提高預計計算的準確度，減小開(kāi)采厚度、高度、深度及開(kāi)采時(shí)間和順序因素所造成的影響，在計算中采用多塊段劃分計算[5]，采用極坐標閉合回路積分通用模型。根據礦區條帶開(kāi)采的地表觀(guān)測數據，結合同類(lèi)采礦地質(zhì)條件下條帶開(kāi)采的觀(guān)測數據，以及南盤(pán)采區鉆孔柱狀巖性綜合分析，確立了概率積分法預計參數：水平移動(dòng)系數b=0.28～0.32；下沉系數η=0.89；最大下沉角φ=86°；主要影響角正切值tanβ=2.5，β=68.2°；拐點(diǎn)偏移距d=0.03H[6]。采用預計評價(jià)軟件YLH-12，計算出2種方案開(kāi)采后地表的移動(dòng)變形值，再經(jīng)過(guò)圖像處理軟件制作出移動(dòng)變形等值線(xiàn)圖。根據受損地表建筑物涉及范圍內的移動(dòng)變形值及建筑物的受破壞情況綜合分析，確定開(kāi)采損害對地表建筑物的影響，從而分析和判斷開(kāi)采方案的可行性，并對開(kāi)采方案進(jìn)行優(yōu)化設計，選擇最實(shí)用的開(kāi)采方案。開(kāi)采影響建筑物的程度與范圍綜合分析表見(jiàn)表1。如圖1、圖2所示，采用變條帶協(xié)調開(kāi)采方案，地表下沉盆地呈偏態(tài)分布，位于采區邊界一側，下沉盆地拐點(diǎn)位置較正常情況下平緩得多，從而能夠控制和減小建筑物涉及范圍內的地表移動(dòng)變形值，有效地保護了建筑物不受損害。方案Ⅰ中建筑物位置的移動(dòng)變形更小，較方案Ⅱ更適合西固鎮下煤層開(kāi)采條件，因此確定開(kāi)采方案為傾向變條帶開(kāi)采。這種開(kāi)采方案中，由東向西逐漸加寬開(kāi)采條帶，根據開(kāi)采地表建筑物受損情況可以及時(shí)調整開(kāi)采寬度，降低地表建筑物的損害程度，確保了建筑物的安全使用[7]。
FLAC3D數值模擬。以方案Ⅰ中的參數進(jìn)行數值模擬計算，進(jìn)一步確定開(kāi)采方案。模擬煤層的埋深為238.7m，模擬模型全長(cháng)600m，高270m，寬550m，共劃分147400個(gè)單元。數值模擬9個(gè)開(kāi)采工作面，模擬沿井田邊界至上山方向450m的傾斜變條帶開(kāi)采。開(kāi)采結束后豎向位移的走向剖面圖見(jiàn)圖3，最大主應力的走向剖面圖見(jiàn)圖4。計算結論表明，采用留煤柱開(kāi)采法，開(kāi)采后地表最大豎向位移量小于75mm，地表沉陷引起的水平變形遠遠小于1mm/m，不會(huì )引起地表建筑物的變形損害，因此在開(kāi)采過(guò)程中地表基本上保持穩定。FLAC3D數值模擬與YHL-12影響函數的預計地表移動(dòng)變形參數和結果吻合較好，從而確定開(kāi)采方案為傾向變條帶開(kāi)采。
煤層開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形是西部礦區開(kāi)采的一個(gè)特殊問(wèn)題,采動(dòng)引起的開(kāi)采沉陷問(wèn)題具有一定的特殊性。借助于計算機技術(shù)，運用YhL-12預計軟件對蒲白礦務(wù)局西固鎮下開(kāi)采的地表移動(dòng)變形進(jìn)行了預計,并與數值模擬計算結果進(jìn)行了對比，分析了條帶開(kāi)采時(shí)地表沉陷的基本規律及特點(diǎn)，確定了開(kāi)采方案，對礦區綠色開(kāi)采、生態(tài)環(huán)境保護和可持續發(fā)展具有重要的指導意義。
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