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【摘 要】鹤壁矿区经过长期开采，鹤煤集团可开发利用资源正急剧减少且“三下”压煤量较大。据统计，目前鹤煤（集团）公司各生产矿井建筑物和铁路下压煤约占生产矿井剩余可采储量的52%，给矿井正常生产带来很大的压力。鹤煤集团急需合理开采“三下”压煤的具体方案来指导矿区的以后生产，采用“先治理，后开采”的原则，保护好矿区的生态环境和保证社会的稳定，尽量减少国家财产和人民财产的损失，因此需要对煤层开采上覆岩层运移及地表沉陷规律展开研究。本文利用数值模拟，对不同开采深度及不同开采方案研究分析鹤壁矿区的地表沉陷规律，为以后生产提供有效的理论依据。
【关键词】数值模拟 沉陷 埋深 条带开采 开采方案
煤矿地下开采导致的地表移动变形量的大小受许多地质采矿因素的控制，比如采深、采厚、采煤方法、覆岩的力学性质、松散层厚度、煤层倾角、采空区尺寸、和采空区管理方法等等。
下面通过对鹤壁矿区不同开采深度和不同开采方法建立数值模型，并对其引起的地表地表移动变形进行分析研究，获得鹤壁矿区在不同开采深度条件及不同开采方案条件下的地表移动变形规律。
一、模型的建立
鹤壁矿区深部开采数值模拟参考鹤煤三矿地层建模，岩层物理力学参数参考室内试验结果选取，详见表1所示。
数值模拟中模拟煤层厚度6.75m，埋深500m，模拟工作面沿煤层走向推进，上覆岩层厚375m，第三四系表土厚125米，煤层底板以下岩层厚100m，模型按鹤煤三矿地质柱状建立，共分31层，布设岩层移动观测线26条，每条观测线设91个测点，水平间距20m等距分布，26条观测线共计2366个测点，见图1所示。
二、采深对地表沉陷的影响
分别模拟煤层300m、400m、500m和600m埋深条件下开采后地表移动变形情况。
考虑到模型运算时间与其尺寸大小成正比，为节省运算时间，不同埋深条件下模型尺寸有所差异：300m埋深条件下模型尺寸为1100m×400m，采空区长500m，模型两边未采长度各300米；400m埋深条件下模型尺寸为1400m×500m，采空区长600m，模型两边未采长度各400米；500m埋深条件下模型尺寸为1800m×600m，采空区长800m，模型两边未采长度各500米；600m埋深条件下模型尺寸为：2000m×700m，采空区长800m，模型两边未采长度各600米，以上模型尺寸可保证各埋深条件下开采地表可达到充分采动状态。
（一）煤层300m埋深条件下开采500m后地表最大下沉值5.433m，最大水平移动值1.337m，以地表沉降10mm为沉陷边界，沉陷范围为-510m～+510m。煤层采厚6.75m，则在此采矿地质条件地表下沉系数约为0.80，水平移动系数约为0.25。
（二）煤层400m埋深条件下开采600m后地表最大下沉值4.978m，最大水平移动值1.202m，以地表沉降10mm为沉陷边界，沉陷范围为-660m～+660m。煤层采厚6.75m，则在此采矿地质条件地表下沉系数约为0.74，水平移动系数约为0.24。
（三）煤层500m埋深条件下开采800m后地表最大下沉值4.995m，最大水平移动值1.183m，模型左右两侧边界处下沉值约为23mm，即模型地表均在沉陷盆地范围内。煤层采厚6.75m，则在此采矿地质条件地表下沉系数约为0.74，水平移动系数约为0.24。
（四）煤层600m埋深条件下开采800m后地表最大下沉值4.540m，最大水平移动值0.940m，模型左右两侧边界处下沉值约为20mm，即模型地表均在沉陷盆地范围内。煤层采厚6.75m，则在此采矿地质条件地表下沉系数约为0.67，水平移动系数约为0.21。
图2和图3分别为鹤壁矿区煤层在不同埋深条件下开采且达到充分采动条件下的地表下沉曲线和水平移动曲线；表2则为以上模拟结果汇总。
三、开采方法对地表沉陷的影响
通过分层开采、条带开采和限厚开采的模拟，获得鹤壁矿区深部厚煤层在不同开采方法条件下的地表沉陷规律。
为形成良好的对比基础，本次不同开采方法的模拟部分条件相同，即煤层埋深均为500m，煤层厚度6.75m；条带开采采留比为60：40，即采60m留40m；限厚开采采厚4.05m，即条带开采和限厚开采煤炭采出率均为60%；分层开采则将6.75m煤层分两层开采，先采顶分层3.35m，后采底分层3.4m。
（一）由结算结果得知，分层开采结束后地表最大下沉5.301m，最大水平移动1.264m，则分层开采的地表下沉系数约为0.79，水平移动系数约为0.24，模型左右两侧边界处下沉值约为24mm。与综采放顶煤一次采全高6.75m的地表下沉系数0.74相比，地表下沉系数有所增大，这可能是底分层开采形成重复采动造成采空区活化的结果。
（二）由结算结果得知，条带开采结束后地表最大下沉1.362m，最大水平移动0.445m，则条带开采的地表下沉系数约为0.20，水平移动系数约为0.33，模型左右两侧边界处下沉值约为19mm。与一次采全高6.75m的下沉系数0.74相比，地表下沉系数大幅降低，水平移动系数有所增大。
条带开采地表下沉系数明显减小的原因为，条带采出以后条带采空区范围很小，冒落带发展高度有限，煤层上覆岩层重量完全由保留煤柱支承，覆岩下沉有限，采动影响到达地表以后地表下沉量很小。地表水平移动系数增大是地表下沉量大幅减小的结果。
（三）由结算结果得知，限厚4.05m开采结束后地表最大下沉3.121m，最大水平移动0.685m，则限厚4.05m开采的地表下沉系数约为0.77，水平移动系数约为0.22，模型左右两侧边界处下沉值约为19mm。与一次采全高6.75m的下沉系数0.74和水平移动系数0.24相比，地表下沉系数有所增大，水平移动系数有所减小。地表下沉系数有所增大的原因可能是随采厚减小，上覆岩层受采动剧烈程度减弱，离层变形量减小从而加大了地表下沉系数。
四、结论
通过对鹤壁矿区不同开采深度和不同开采方法所导致的地表移动变形的模拟分析研究，获得了鹤壁矿区在不同开采深度及不同开采方案条件下的地表移动变形规律。
（一）鹤壁矿区煤层在不同埋深条件下开采且充分采动条件下的地表沉陷规律如下：300m采深条件下地表下沉系数约为0.8，水平移动系数约为0.25；随采深增大，地表最大下沉值和最大水平移动值降低，即下沉系数和水平移动系数减小；地表沉陷范围随采深增加而明显扩大，采深300m时沉陷范围边界到开采边界的距离约为260m，400m时约为360m，500m时则扩大到大于500m，600m时大于600m，即采深500m、600m时地表沉陷边界已超出模型范围。
（二）鹤壁矿区煤层在不同开采方法条件下地表移动规律如下：分层开采因底分层开采形成重复采动造成采空区活化从而导致地表总的沉陷量增大，但分层开采中各分层开采导致的沉陷量较一次采全高大幅减小，因而分层开采较一次采全高有利于地面保护；条带开采在采留宽度设计合理的条件下可大幅降低地面沉陷量，因而适合“三下”开采使用以减轻地表采动影响；限厚开采因上覆岩层受采动剧烈程度减弱，离层变形量减小而加大了地表下沉系数，但沉陷量较一次采全高仍有所降低，其沉陷变形量与限采厚度有直接关系；在采深一定的情况下，不同开采方法所导致的地表沉陷范围变化不大。
作者简介：
王玉庆（1963-），男，河南安阳人，现任河南煤业化工集团鹤煤集团三矿矿长。
【关键词】数值模拟 沉陷 埋深 条带开采 开采方案
煤矿地下开采导致的地表移动变形量的大小受许多地质采矿因素的控制，比如采深、采厚、采煤方法、覆岩的力学性质、松散层厚度、煤层倾角、采空区尺寸、和采空区管理方法等等。
下面通过对鹤壁矿区不同开采深度和不同开采方法建立数值模型，并对其引起的地表地表移动变形进行分析研究，获得鹤壁矿区在不同开采深度条件及不同开采方案条件下的地表移动变形规律。
一、模型的建立
鹤壁矿区深部开采数值模拟参考鹤煤三矿地层建模，岩层物理力学参数参考室内试验结果选取，详见表1所示。
数值模拟中模拟煤层厚度6.75m，埋深500m，模拟工作面沿煤层走向推进，上覆岩层厚375m，第三四系表土厚125米，煤层底板以下岩层厚100m，模型按鹤煤三矿地质柱状建立，共分31层，布设岩层移动观测线26条，每条观测线设91个测点，水平间距20m等距分布，26条观测线共计2366个测点，见图1所示。
二、采深对地表沉陷的影响
分别模拟煤层300m、400m、500m和600m埋深条件下开采后地表移动变形情况。
考虑到模型运算时间与其尺寸大小成正比，为节省运算时间，不同埋深条件下模型尺寸有所差异：300m埋深条件下模型尺寸为1100m×400m，采空区长500m，模型两边未采长度各300米；400m埋深条件下模型尺寸为1400m×500m，采空区长600m，模型两边未采长度各400米；500m埋深条件下模型尺寸为1800m×600m，采空区长800m，模型两边未采长度各500米；600m埋深条件下模型尺寸为：2000m×700m，采空区长800m，模型两边未采长度各600米，以上模型尺寸可保证各埋深条件下开采地表可达到充分采动状态。
（一）煤层300m埋深条件下开采500m后地表最大下沉值5.433m，最大水平移动值1.337m，以地表沉降10mm为沉陷边界，沉陷范围为-510m～+510m。煤层采厚6.75m，则在此采矿地质条件地表下沉系数约为0.80，水平移动系数约为0.25。
（二）煤层400m埋深条件下开采600m后地表最大下沉值4.978m，最大水平移动值1.202m，以地表沉降10mm为沉陷边界，沉陷范围为-660m～+660m。煤层采厚6.75m，则在此采矿地质条件地表下沉系数约为0.74，水平移动系数约为0.24。
（三）煤层500m埋深条件下开采800m后地表最大下沉值4.995m，最大水平移动值1.183m，模型左右两侧边界处下沉值约为23mm，即模型地表均在沉陷盆地范围内。煤层采厚6.75m，则在此采矿地质条件地表下沉系数约为0.74，水平移动系数约为0.24。
（四）煤层600m埋深条件下开采800m后地表最大下沉值4.540m，最大水平移动值0.940m，模型左右两侧边界处下沉值约为20mm，即模型地表均在沉陷盆地范围内。煤层采厚6.75m，则在此采矿地质条件地表下沉系数约为0.67，水平移动系数约为0.21。
图2和图3分别为鹤壁矿区煤层在不同埋深条件下开采且达到充分采动条件下的地表下沉曲线和水平移动曲线；表2则为以上模拟结果汇总。
三、开采方法对地表沉陷的影响
通过分层开采、条带开采和限厚开采的模拟，获得鹤壁矿区深部厚煤层在不同开采方法条件下的地表沉陷规律。
为形成良好的对比基础，本次不同开采方法的模拟部分条件相同，即煤层埋深均为500m，煤层厚度6.75m；条带开采采留比为60：40，即采60m留40m；限厚开采采厚4.05m，即条带开采和限厚开采煤炭采出率均为60%；分层开采则将6.75m煤层分两层开采，先采顶分层3.35m，后采底分层3.4m。
（一）由结算结果得知，分层开采结束后地表最大下沉5.301m，最大水平移动1.264m，则分层开采的地表下沉系数约为0.79，水平移动系数约为0.24，模型左右两侧边界处下沉值约为24mm。与综采放顶煤一次采全高6.75m的地表下沉系数0.74相比，地表下沉系数有所增大，这可能是底分层开采形成重复采动造成采空区活化的结果。
（二）由结算结果得知，条带开采结束后地表最大下沉1.362m，最大水平移动0.445m，则条带开采的地表下沉系数约为0.20，水平移动系数约为0.33，模型左右两侧边界处下沉值约为19mm。与一次采全高6.75m的下沉系数0.74相比，地表下沉系数大幅降低，水平移动系数有所增大。
条带开采地表下沉系数明显减小的原因为，条带采出以后条带采空区范围很小，冒落带发展高度有限，煤层上覆岩层重量完全由保留煤柱支承，覆岩下沉有限，采动影响到达地表以后地表下沉量很小。地表水平移动系数增大是地表下沉量大幅减小的结果。
（三）由结算结果得知，限厚4.05m开采结束后地表最大下沉3.121m，最大水平移动0.685m，则限厚4.05m开采的地表下沉系数约为0.77，水平移动系数约为0.22，模型左右两侧边界处下沉值约为19mm。与一次采全高6.75m的下沉系数0.74和水平移动系数0.24相比，地表下沉系数有所增大，水平移动系数有所减小。地表下沉系数有所增大的原因可能是随采厚减小，上覆岩层受采动剧烈程度减弱，离层变形量减小从而加大了地表下沉系数。
四、结论
通过对鹤壁矿区不同开采深度和不同开采方法所导致的地表移动变形的模拟分析研究，获得了鹤壁矿区在不同开采深度及不同开采方案条件下的地表移动变形规律。
（一）鹤壁矿区煤层在不同埋深条件下开采且充分采动条件下的地表沉陷规律如下：300m采深条件下地表下沉系数约为0.8，水平移动系数约为0.25；随采深增大，地表最大下沉值和最大水平移动值降低，即下沉系数和水平移动系数减小；地表沉陷范围随采深增加而明显扩大，采深300m时沉陷范围边界到开采边界的距离约为260m，400m时约为360m，500m时则扩大到大于500m，600m时大于600m，即采深500m、600m时地表沉陷边界已超出模型范围。
（二）鹤壁矿区煤层在不同开采方法条件下地表移动规律如下：分层开采因底分层开采形成重复采动造成采空区活化从而导致地表总的沉陷量增大，但分层开采中各分层开采导致的沉陷量较一次采全高大幅减小，因而分层开采较一次采全高有利于地面保护；条带开采在采留宽度设计合理的条件下可大幅降低地面沉陷量，因而适合“三下”开采使用以减轻地表采动影响；限厚开采因上覆岩层受采动剧烈程度减弱，离层变形量减小而加大了地表下沉系数，但沉陷量较一次采全高仍有所降低，其沉陷变形量与限采厚度有直接关系；在采深一定的情况下，不同开采方法所导致的地表沉陷范围变化不大。
作者简介：
王玉庆（1963-），男，河南安阳人，现任河南煤业化工集团鹤煤集团三矿矿长。