CN110675272A - 一种煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法，首先根据地下煤炭赋存条件及地质采矿条件，选定用于地下工作面开采关键参数，并以此构建用于正交模拟试验的正交表；然后采用Flac3D软件建立地下工作面开采模型并确定模型边界条件与模型形态；其后根据构建的正交表中各因素与各水平组合，在建立的模型中进行迭代运算与数值模拟，得到各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果；最后采用统计分析方法，确定影响沉陷值和地表破坏程度的显著性开采因素，以确定在不同地质条件下的减损开采的工作面最优参数。本发明基于正交试验减少了模拟次数，基于方差分析能够快速有效的优选地面减损的地下工作面开采参数，方法简单易实施。
Description
技术领域
本发明属于采矿技术、土地利用和土地复垦技术领域，特别涉及煤炭地下开采超大工作面减损关键参数确定方法。
背景技术
中国煤炭资源储量占所有化石能源的94％，根据世界能源理事会公布的最新数据“能源资源调查报告”，预计中国煤炭资源储量居世界第一位，已探明煤炭储量居世界第二位。煤炭资源涵盖了60万km2的国土面积。近15年来，中国的煤炭资源一直保持高速增长，从2003年的年产18亿吨左右增长至2013年的年产39亿吨，产量在10年间翻倍，其占比一直占全球煤炭产量的一半左右，自2013年开始，煤炭开采下行，根据最新统计数据2016年煤炭产量为34.1亿吨。但中国的煤炭产量与消费量仍然找到全球煤炭产量与消费量的一半左右。
因此，尽管煤炭开采和消耗过程中带来了巨大的环境和社会问题，煤炭资源现阶段仍然作为中国的主要能源广泛使用。在如此大规模的煤炭开采中，90％以上是采用井工开采，这就造成了采煤沉陷成为中国现阶段煤炭开采需要面对的一个主要土地与环境问题。随着东部发达地区煤炭资源逐渐枯竭，煤炭开采的重点逐步向西移，目前神木县、府谷县、伊金霍洛旗、准格尔旗四县为代表的晋陕蒙煤炭开采金三角2015年煤炭产量已达7.5亿吨，占全国煤炭产量的20％左右，其中，神木县与府谷县的煤炭产量分别为2.25亿吨和0.74亿吨，分别列全国煤炭生产百强县的第2位与第7位，两县煤炭产量占2015年全国煤炭产量的13.65％。而这一区域也是典型的生态脆弱区，如何保障煤炭资源供应的同时使得环境与生态损毁的代价最低，是目前关心的重点与热点。
近年来超大工作面(开采长度一般超过300m)在我国西部矿区逐渐得到应用与实践，与传统相比，超大工作面对地面的扰动的次数和时间相对减少，扰动程度相对降低。特别是随着近几年来神东矿区煤炭资源的开发，超大工作面开采导致的岩层移动、地面沉陷、土地损伤、生态环境方面的研究越来愈多。但究竟如何科学、合理的确定超大工作面开采的关键参数(工作面长度、推进速度、距离等)，使得地面的损毁最低，仍然是个尚未解决的问题。此外，由于地质采矿条件参数众多，如何避免数据的冗余同时高效的对损毁程度进行模拟与评价，也是技术上暂未解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为解决上述难题，提出一种煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法。通过确定用于地下工作面开采关键参数模拟的正交试验因素与水平，获得正交表，采用Flac3D软件构建模型边界条件，进行沉陷模拟来确定和优选减损开采的参数取值及组合。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法，该方法主要适用于井工开采煤矿区，该方法根据地下煤炭赋存条件，确定用于地下工作面开采关键参数模拟的正交试验因素与水平，确定正交表，采用Flac3D软件确定模型边界条件，对各因素与各水平条件下的开采进行沉陷模拟，根据模拟优选减损开采的参数取值及组合。具体包括以下步骤：
1)根据待研究区域的地下煤炭赋存条件及地质采矿条件，选定地下工作面开采关键参数；根据选定的地下工作面开采关键参数构建用于正交模拟试验的正交表，记为La(bc)中；其中，L表示正交表的代号；c表示最多能安排的正交试验因素数，即正交表的列数，各正交试验因素分别与一个地下工作面开采关键参数相对应；b表示各正交试验因素的水平数，即正交表中每个因素可取的不同值的个数，且每个因素的各取值出现的次数应相等，以选定的当前地下工作面的开采关键参数的实际测量值为中位数确定得到；a表示正交试验的实施次数，即正交表的行数，依据利用正交试验获取的各试验因素数c与水平数b相交点的个数确定，保证每个因素的每个水平与其余因素各水平分别相交一次；
2)采用Flac3D软件建立地下工作面开采模型并确定模型边界条件与模型形态；
3)根据步骤1)确定的正交表中各因素与各水平组合，在步骤2)建立的模型中进行迭代运算与数值模拟，得到各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果；
4)根据步骤3)得到的各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果，用方差分析法分析各因素对沉陷参数和地表破坏程度影响的显著性，确定影响最大的显著性正交试验因素，利用该显著性正交试验因素从步骤3)确定的开采沉陷模拟结果中选择地表破坏程度最小时所对应的因素与水平组合条件作为待研究区域当前开采条件下的减损开采的工作面最优参数。
进一步地，步骤1)中，所述地下工作面开采关键参数包括工作面倾向长度、煤层厚度、推进距离、推进速度、埋藏深度、基岩厚度、开采深度、开采方式、顶底板岩性和顶板管理方式。
进一步地，步骤3)中，所述开采沉陷模拟结果包括下沉值、水平移动值以及求取的沉陷参数下沉系数、水平移动系数和边界角。
本发明的特点及有益效果：
本发明综合考虑了工作面倾向长度、煤层厚度、推进速度、推进距离等参数及不同组合下地面开采沉陷的范围与程度，并通过正交试验确定了多因素与多水平，利用正交表可以极大的减少试验次数，缩短试验周期，提高试验效率。本发明采用Flac3D软件能有效而真实的模拟在不同参数组合与水平条件下地面损毁程度，从而为参数的组合优选提供参考资料。同时，本发明利用方差分析法从正交试验的所有因素中找到对地表损毁程度影响最显著的因素，从而准确快速地确定在不同地质条件下的减损开采的工作面最优参数。本发明方法简单易实施，为资源开发与环境保护协调发展的绿色煤炭开采提供了基础数据，能为确定地面减损最有利的工作面参数提供决策支持。
附图说明
图1为本发明的基于正交试验的煤炭地下开采超大工作面减损关键参数确定方法的整体流程图。
图2为本发明实施例建立的FLAC3D模型图。
图3为本发明实施例中试验号5条件下FLAC3D模拟得到的地表下沉等值线图。
具体实施方式
本发明提出的一种煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法，结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的方法主要适用于井工开采煤矿区，其流程如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
1)根据待研究区域的地下煤炭赋存条件及地质采矿条件，选定地下工作面开采关键参数，包括倾向长度PW(单位：米)、煤层厚度CT(单位：米)、推进距离MD(单位：米)、推进速度MV(单位：米/天)、埋藏深度(米)、基岩厚度(米)、开采深度(米)，开采方式(所述开采方式包括长壁开采和房柱开采两大类)、顶底板岩性和顶板管理方式(所述顶板管理方式包括垮落法、充填法、煤柱支撑法和缓慢下沉法四种)等中的若干个参数；
根据选定的地下工作面开采关键参数构建正交表，记为La(bc)中；其中，L表示正交表的代号；c表示最多能安排的正交试验因素数，即正交表的列数，各正交试验因素分别与一个地下工作面开采关键参数相对应；b表示各正交试验因素的水平数，即正交表中每个因素可取的不同值的个数，且每个因素的各取值出现的次数应相等，以选定的当前地下工作面的开采关键参数的实际测量值为中位数确定得到(为保证试验适用性，b不应小于4，且考虑试验效率，建议b不大于10，即4≤b≤10)；a表示正交试验的实施次数，即正交表的行数，依据利用正交试验获取的各试验因素数c与水平数b相交点的个数确定，保证每个因素的每个水平与其余因素各水平分别相交一次。
2)采用Flac3D软件建立地下工作面开采模型并确定模型边界条件与模型形态。一般需要明确顶底板岩层条件、模型边界条件、模型各层位的物理力学性质。
3)对各因素与各水平条件下的开采进行沉陷模拟。根据步骤1)确定的正交表中各因素与各水平组合，在步骤2)建立的模型中进行迭代运算与数值模拟，确定各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果，这些结果数据包括：下沉值(米)、水平移动值(米)和求取的沉陷参数下沉系数q、水平移动系数b、边界角δ0等。
4)采用统计分析方法，模拟优选减损开采的参数取值及组合。根据步骤3)得到的各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果，用方差分析法分析各因素对沉陷值和地表破坏程度影响的的显著性，确定影响最大的显著性正交试验因素，利用该显著性正交试验因素从步骤3)确定的开采沉陷模拟结果中选择破坏程度最小时所对应的因素与水平组合条件作为待研究区域在当前开采条件下的减损开采的工作面最优参数，从而以确定在不同地质条件下的减损开采的工作面最优参数。
以下为本发明实施例：
本实施例以西部神东矿区生态脆弱区某矿山作为待研究区域，该矿山位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇境内。开采1-2煤(该1-2煤为煤层编号，是待分析区域的主要煤层)，煤层厚度为约4.1-5.56m，平均4.81m，煤层埋深为160m-220m，平均约200m，煤层倾角1-3°，上覆基岩的厚度148-200m，其中老顶平均厚度为181.6m，以粉砂岩为主，夹有砂质泥岩薄层，直接顶平均厚度5m，水平层理，中间夹薄层细砂岩，伪顶平均厚度4.98m，近地表上覆松散层厚度3-30m，主要由易流动的风沙土组成。
本实施例以上述背景为基础模型，在利用Flac3D软件模拟确定基于正交试验的煤炭地下开采超大工作面减损关键参数，具体包括以下步骤：
1)根据待分析区域的地下煤炭赋存条件及地质采矿条件，确定地下工作面开采关键参数。本实施例中主要的地下工作面开采关键参数为：倾向长度PW、煤层厚度CT、推进距离MD、推进速度MV共4项。
根据确定的地下工作面开采关键参数构建正交表，记为La(bc)中；其中，L表示正交表的代号；b表示各正交试验因素的水平数，本实施例中，以现场工作面的相应参数的实际数值为中位数确定了每个开采参数各有5个水平，b＝5，分别为：工作面倾向长度(250米、300米、350米、400米、450米)、煤层厚度(2米、4米、6米、8米、10米)、推进距离(600米、700米、800米、900米、1000米)、推进速度(8米/天、10米/天、12米/天、14米/天、16米/天)；a表示正交试验的实施次数，本实施例中，a＝25，即共进行25次试验。综上，本实施例采用的正交表格为L25(54)，选用4个因素，每个因素划分为5个水平。相较于全面试验需要625次模拟，使用正交试验仅进行25次，极大的降低了研究的难度，提高了研究的效率。
本实施例构建的正交表见表1，该表中，A、B、C、D代表四个因素，A为倾向长度，B为煤层厚度，C为推进距离，D为推进速度；第1列表示各次试验序号，第2～5列中各数字分别代表相应因素中某一水平的序号，如A列中的“4”表示因素A即工作面倾向长度取“250米、300米、350米、400米、450米”中的第4个值“400米”，具体可参见表2。
表1正交试验L25(54)设计表
2)采用Flac3D软件建立地下工作面开采模型并确定模型边界条件与模型形态。所用模型由5个地层组成，自下而上分别为底板层、矿体层、2个覆岩层和表土层。模型的基本形态见图2(其中Roof2和Coal层的层高经过放大处理)。模型的平面尺寸为3000m×3000m，表土层厚度为17m，覆岩1(图中Roof1，粉砂+砂质泥岩)厚度为180m，覆岩2(图中Roof2，粉砂岩)厚度为5m，矿体厚度可调整，底板厚度为100m，全部呈水平层状。最终建立的模型共有节点183618个，块体170000个。本模型岩土体移动变形均由重力引起，无其他附加外力。计算模型边界条件确定如下：模型X方向左右边界施加水平约束，边界水平初始位移为零；模型Y方向前后边界同样施加水平约束，边界水平初始位移为零；在模型的底部边界施加固定约束，水平、垂直初始位移均为零；模型顶部为自由边界。
3)对各因素与各水平条件下的开采进行沉陷模拟。根据步骤2)确定的正交表中各因素与各水平组合，在步骤2)中的模型中进行迭代运算与数值模拟，确定各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果，这些结果数据包括：下沉值(米)、水平移动值(米)、下沉系数(q)、水平移动系数(b)、边界角(δ0)。因为篇幅限制，仅例举试验号5的下沉模拟结果，见图3(等值线单位：m，图中矩形为工作面投影)。各个模型模拟的地表沉陷面积、受损面积对照表见表2。本实施例中，受损面积由倾斜(下沉值的导数)、曲率(下沉值的二阶导数)、水平变形(水平移动值的导数)确定，沉陷面积由下沉值10mm为边界确定得到，均由Flac3D软件计算完成。
表2正交模拟试验得到的地表沉陷面积、受损面积对照表
4)根据模拟优选减损开采的参数取值及组合。根据步骤3)确定的各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果，采用方差分析法ANOVA，分析各因素(工作面倾向长度、煤层厚度、推进距离、推进速度)对沉陷参数和地表破坏程度(用破坏面积对总沉陷面积的占比表示)影响的显著性，确定影响最大的显著性正交试验因素，利用该显著性正交试验因素从步骤3)确定的开采沉陷模拟结果中选择破坏程度最小时所对应的因素与水平组合条件作为待研究区域当前开采条件下的减损开采的工作面最优参数。本实施例中，方差分析可选用现有的数值分析软件(如Wolfram Research开发的Mathematica软件)完成，方差分析结果见表3，表中某因素的P-value越小，说明该因素对分析对象(地表破坏程度)的影响越显著(考虑信度0.01，P-value大于信度说明相关性不强)。本实验结果显示，因素B(煤层厚度)是影响地表破坏程度的主要因素，因素A为次要影响。本实施例中，开采的煤层厚度为4米，从表2中选取因素B为4米情况下，选取受损区占比比例最低(即24.69％)时所对应的试验号(即试验号14)，以该试验号选用的地下工作面开采关键参数(工作面倾向长度250米，煤层厚度4米，推进速度12米/天，推进距离800米)作为最优的开采参数，此时引起的损毁最小。
表3地表受损区占比方差分析表
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据待研究区域的地下煤炭赋存条件及地质采矿条件，选定地下工作面开采关键参数；根据选定的地下工作面开采关键参数构建正交表，记为La(bc)中；其中，L表示正交表的代号；c表示最多能安排的正交试验因素数，即正交表的列数，各正交试验因素分别与一个地下工作面开采关键参数相对应；b表示各正交试验因素的水平数，即正交表中每个因素可取的不同值的个数，且每个因素的各取值出现的次数应相等，以选定的当前地下工作面的开采关键参数的实际测量值为中位数确定得到；a表示正交试验的实施次数，即正交表的行数，依据利用正交试验获取的各试验因素数c与水平数b相交点的个数确定，保证每个因素的每个水平与其余因素各水平分别相交一次；
2)采用Flac3D软件建立地下工作面开采模型并确定模型边界条件与模型形态；
3)根据步骤1)确定的正交表中各因素与各水平组合，在步骤2)建立的模型中进行迭代运算与数值模拟，得到各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果；
4)根据步骤3)得到的各因素与各水平组合条件下的开采沉陷模拟结果，用方差分析法分析各因素对沉陷参数和地表破坏程度影响的显著性，确定影响最大的显著性正交试验因素，利用该显著性正交试验因素从步骤3)确定的开采沉陷模拟结果中选择地表破坏程度最小时所对应的因素与水平组合条件作为待研究区域当前开采条件下的减损开采的工作面最优参数。
2.根据权利要求1所述的煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法，其特征在于，步骤1)中，所述地下工作面开采关键参数包括工作面倾向长度、煤层厚度、推进距离、推进速度、埋藏深度、基岩厚度、开采深度、开采方式、顶底板岩性和顶板管理方式。
3.根据权利要求1所述的煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法，其特征在于，步骤1)中，各正交试验因素的水平数b满足：4≤b≤10。
4.根据权利要求1所述的煤炭超大工作面地下开采减损关键参数的确定方法，其特征在于，步骤3)中，所述开采沉陷模拟结果包括下沉值、水平移动值以及求取的沉陷参数下沉系数、水平移动系数和边界角。
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