多煤層條帶開采地表最大下沉的影響因素分析

多煤層條帶開采地表最大下沉的影響因素分析

煤炭在中國的一次能源消耗中約占70%。隨著大量煤炭從地下采集，采井和環(huán)境破壞日益突出。在保證地面建(構(gòu))筑物安全的前提下,最大限度地采出煤炭資源是開采沉陷學(xué)科目前面臨的主要問題。建筑物下采煤的關(guān)鍵問題之一是控制巖層及地表沉陷,巖層與地表沉陷控制也是礦山開采沉陷學(xué)的主要研究方向之一。目前控制巖層及地表移動的方法主要有充填開采、部分開采、覆巖離層注漿等。盡管條帶開采的資源采出率低,但由于它能有效地控制上覆巖層和地表沉陷,保護(hù)地面建(構(gòu))筑物和生態(tài)環(huán)境,有利于安全生產(chǎn),不需要增加或較少增加生產(chǎn)成本,生產(chǎn)管理簡單,在我國煤礦區(qū)被廣泛采用。國內(nèi)外學(xué)者對條帶開采進(jìn)行了大量研究,取得了豐富的理論和實際成果,但絕大部分是針對單一煤層條帶開采。近年來,多煤層條帶開采的研究和應(yīng)用逐年增多,從多煤層條帶開采設(shè)計和實踐來看,目前尚存在以下問題:①多煤層條帶開采的地表沉陷的預(yù)計模型和預(yù)計理論尚未建立,傳統(tǒng)預(yù)計方法的預(yù)計結(jié)果與實際差別較大;②多煤層條帶開采預(yù)計參數(shù)體系尚未建立,多煤層條帶開采地表移動預(yù)測參數(shù)選取缺乏可靠的理論和方法;③多煤層條帶開采優(yōu)化設(shè)計理論、煤層群條帶開采布置方式的研究尚不完善。本文通過數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了多煤層條帶開采時,不同層間巖性、不同層間距、不同采寬和上下煤柱空間位置關(guān)系對地表移動規(guī)律的影響。在此基礎(chǔ)上利用正交試驗設(shè)計對以上4個因素進(jìn)行了敏感性分析。1正交試驗設(shè)計在室內(nèi)外試驗工作中,當(dāng)遇到影響因素較多的試驗時,如果要進(jìn)行全面分析,其工作量很大。正交試驗是合理安排多因素試驗方案、解決多因素試驗問題的一種有效方法。通過正交試驗設(shè)計,既可大幅減少試驗次數(shù),又可以達(dá)到全面試驗分析的目的,即找出各因素對試驗考核指標(biāo)(即試驗觀測數(shù)據(jù))的影響規(guī)律。對于4因素4水平的試驗,根據(jù)正交試驗設(shè)計的原則,只需安排16次試驗就能達(dá)到全面分析各影響因素的目的,其正交表可寫為L16(45)。1影響因素的方差分析正交試驗設(shè)計的統(tǒng)計分析方法有極差分析法和方差分析法。極差分析通過計算各因素在各水平下考察指標(biāo)的平均值及其極差,以及繪制因素與考核指標(biāo)的趨勢圖,分清各因素對考核指標(biāo)影響的主次順序以及各因素與考核指標(biāo)的關(guān)系。方差分析是把考核指標(biāo)總的波動分解為反映因素水平變化引起的波動和反映試驗誤差引起的波動2部分。由于本文所指的試驗是數(shù)值模擬,不存在傳統(tǒng)意義上的人為試驗誤差。2地表沉陷變化的影響因素及分析方法將FLAC數(shù)值模擬的地表最大下沉位移值作為試驗對象,按正交試驗設(shè)計的原理,分析步驟如下:①將地表最大下沉值作為考核指標(biāo)。根據(jù)煤礦開采要求情況,地表下沉越小越好。②確定模擬結(jié)果的影響因素,對因素水平進(jìn)行設(shè)計。即根據(jù)地表沉陷的影響參數(shù)進(jìn)行分析,選擇主要的開采參數(shù)作為影響因素,進(jìn)而確定因素水平。③選擇L16(45)正交表,并進(jìn)行相應(yīng)的表頭設(shè)計。④確定模擬試驗方案,并進(jìn)行計算機模擬。將選取的參數(shù)填入正交表列中,確定每次的模擬條件,根據(jù)模擬條件進(jìn)行數(shù)值模擬計算,將計算結(jié)果填入正交表中。⑤對計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用極差分析法,計算各參數(shù)在各水平下地表最大下沉的平均值及其極差,并繪制各參數(shù)與地表最大下沉值的趨勢圖。⑥根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果,確定數(shù)值模擬結(jié)果對各參數(shù)的敏感程度。2參數(shù)敏感性分析1模型創(chuàng)建和分析方法采用FLAC進(jìn)行數(shù)值模擬研究,主要研究不同開采寬度、層間距、上下煤柱空間位置關(guān)系和上下煤層間巖性對地表移動變形的影響。根據(jù)以上模擬目的,構(gòu)建數(shù)值模擬模型。開采模型視為平面應(yīng)變模型,模擬上覆巖層各分層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)。模型采用位移邊界條件,兩側(cè)為限定水平方向的位移,模型底部為限定垂直和水平方向的位移。在分析計算過程中,不考慮構(gòu)造應(yīng)力對原巖應(yīng)力的影響,僅考慮巖體自重引起的應(yīng)力,即模型處于靜水應(yīng)力狀態(tài)。巖體內(nèi)部初始應(yīng)力狀態(tài)取決于上覆巖層的質(zhì)量和性質(zhì)。根據(jù)模擬的目的所選的研究地質(zhì)采礦條件為:開采深度200m,上下煤層開采厚度均為3m,層間10~40m,底板厚40m,近水平煤層,設(shè)計的條帶采出率為50%。為保證地表達(dá)到充分采動,根據(jù)條帶采寬,設(shè)計的開采區(qū)長度為400m。為避免邊界效應(yīng)的影響,設(shè)計的模型計算剖面長為1200m。水平方向每5m一個格網(wǎng),垂直方向按分析目的不同,單元的大小不同,每個模型共有15120單元。根據(jù)上覆巖層材料的力學(xué)特征,采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則。根據(jù)現(xiàn)場實際條件,選取的模擬參數(shù)見表1。2影響礦開采影響因素在進(jìn)行參數(shù)敏感性分析時,以地表最大下沉值W作為考核指標(biāo),以表2中的煤礦開采參數(shù)作為影響因素。在確定因素水平時,為了使各因素見具有可比性,取采深H為200m不變,為保持留煤柱的長期穩(wěn)定性考慮了層間距d、采寬b以及上下煤層層間巖性E的影響,最后又考慮了上下煤柱的空間關(guān)系s。3多煤層條帶開采數(shù)值模型參數(shù)敏感性分析從表3各參數(shù)的極差的可以看出,多煤層條帶開采采寬b極差最大,而上下煤層的層間距d極差最小,說明采寬b對地表最大下沉值影響最大,而上下煤層的層間距d的影響最小。在本計算實例中,按極差的大小排序,影響地表最大下沉的參數(shù)的主次順序為:b、s、E、d。為直觀起見,以各參數(shù)為橫坐標(biāo),以最大下沉值的平均值WˉˉˉˉWˉ為縱坐標(biāo),繪制參數(shù)與地表最大下沉值平均值的趨勢如圖1所示。從圖1可清楚地看出,隨著采寬b的增大,地表最大下沉值的平均值變化最大,說明該考核指標(biāo)(地表最大下沉值)對這個參數(shù)的變化是非常敏感的;相對于其他幾個因素,層間距d的變化,使地表最大下沉值只在較窄的范圍內(nèi)波動,說明該指標(biāo)對此參數(shù)不敏感。這一結(jié)果與實際開采過程的實踐經(jīng)驗是一致的,也說明采用正交試驗設(shè)計的方法進(jìn)行數(shù)值模型參數(shù)的敏感性分析是可行的。通過多煤層條帶開采數(shù)值模擬參數(shù)的敏感性分析,區(qū)分出了影響計算結(jié)果的主要參數(shù)b、s、E和次要參數(shù)d。因此要控制地表下沉達(dá)到理想值,就需要準(zhǔn)確設(shè)計采留煤柱的寬度、上下煤層留煤柱的空間關(guān)系,相比較下其他參數(shù),由于地表下沉對這些參數(shù)的變化敏感相對較差,在地質(zhì)條件一定的情況下,設(shè)計時可次要考慮這些因素。3地表沉積影響因素的確定在多煤層條帶開采控制地表下沉的設(shè)計中,不同層間距、采寬、層間巖性以及上下煤層留煤柱的空間關(guān)系是煤礦開采設(shè)計中主要要考慮的。本文將此四個因素作為影響因素,利用正交試驗設(shè)計的方法