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(shí)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(jì)和實(shí)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(jì)模型和預(yù)計(jì)理論尚未建立,傳統(tǒng)預(yù)計(jì)方法的預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)際差別較大;②多煤層條帶開采預(yù)計(jì)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(jì)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(shí),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(yàn)設(shè)計(jì)對以上4個(gè)因素進(jìn)行了敏感性分析。1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在室內(nèi)外試驗(yàn)工作中,當(dāng)遇到影響因素較多的試驗(yàn)時(shí),如果要進(jìn)行全面分析,其工作量很大。正交試驗(yàn)是合理安排多因素試驗(yàn)方案、解決多因素試驗(yàn)問題的一種有效方法。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),既可大幅減少試驗(yàn)次數(shù),又可以達(dá)到全面試驗(yàn)分析的目的,即找出各因素對試驗(yàn)考核指標(biāo)(即試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù))的影響規(guī)律。對于4因素4水平的試驗(yàn),根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則,只需安排16次試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)分析方法有極差分析法和方差分析法。極差分析通過計(jì)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(yàn)誤差引起的波動2部分。由于本文所指的試驗(yàn)是數(shù)值模擬,不存在傳統(tǒng)意義上的人為試驗(yàn)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(yàn)對象,按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)。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(jì)。④確定模擬試驗(yàn)方案,并進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(jì)算,將計(jì)算結(jié)果填入正交表中。⑤對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用極差分析法,計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的開采區(qū)長度為400m。為避免邊界效應(yīng)的影響,設(shè)計(jì)的模型計(jì)算剖面長為1200m。水平方向每5m一個(gè)格網(wǎng),垂直方向按分析目的不同,單元的大小不同,每個(gè)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(shí)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(shí),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(shí),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(jì)算實(shí)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?yàn)?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(gè)參數(shù)的變化是非常敏感的;相對于其他幾個(gè)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(shí)際開采過程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是一致的,也說明采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)時(shí)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(jì)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(jì)中主要要考慮的。本文將此四個(gè)因素作為影響因素,利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法