陜北某礦雙煤層開采對覆巖影響的模擬對比

孫學(xué)陽，張 齊，李 成，張 磊

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，陜西西安 710054；4.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054)

采煤沉陷災(zāi)害是制約礦區(qū)發(fā)展的問題之一，科學(xué)預(yù)計采煤沉陷災(zāi)害的發(fā)生及其特征參數(shù)是煤礦合理開采和有效保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的前提[1]。近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者采用相似材料模擬實驗，結(jié)合理論分析等方法，研究采動巖體裂隙分形特征、覆巖移動及裂隙帶發(fā)育規(guī)律，取得系列研究成果，一定程度上指導(dǎo)了煤礦生產(chǎn)的工程設(shè)計和工程實踐[2]。同時，國內(nèi)外學(xué)者采用現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)、損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、彈塑性力學(xué)、流變力學(xué)等理論和現(xiàn)代測試技術(shù)及計算機技術(shù)，廣泛應(yīng)用物理模擬、數(shù)值模擬、理論公式預(yù)測等方法，在深入研究巖體力學(xué)特性基礎(chǔ)上，對裂隙帶的演變過程等進行動態(tài)分析，并對覆巖移動規(guī)律和裂隙帶發(fā)育特征等進行研究[3-9]，目前的研究主要針對單煤層開采引起的覆巖移動。我國多數(shù)生產(chǎn)礦井為多煤層開采，由于開采方式復(fù)雜多樣，不同煤層中工作面交錯布置，煤炭開采引發(fā)的覆巖沉陷特征與單煤層開采有顯著不同。相關(guān)理論研究和開采實踐表明[10-13]，多煤層開采對覆巖造成多次疊加破壞和重復(fù)擾動，具有獨特的覆巖移動變形特征。在多煤層開采方面，國內(nèi)學(xué)者在采場覆巖結(jié)構(gòu)和破壞裂隙發(fā)育規(guī)律等方面展開了研究[14-21]，提出了重復(fù)采動時采高增加會導(dǎo)致采空區(qū)上方頂板“活化”，在雙重卸壓開采作用下，一些覆巖裂隙經(jīng)歷生成、擴展、壓實、拉張、再壓實等復(fù)雜過程等理論，構(gòu)建了重復(fù)采動條件下覆巖裂隙橢拋帶形態(tài)的動態(tài)變化數(shù)學(xué)模型。

綜合分析認(rèn)為，目前針對雙煤層多工作面開采的裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測精度有待提高；針對多煤層開采工作面優(yōu)化布置以減小覆巖移動變形需進一步研究。鑒于此，筆者以陜北某礦為例，采用相似材料模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究雙煤層開采條件下，上下煤層工作面疊置布置差異對采煤區(qū)覆巖下沉的影響及變化規(guī)律，綜合分析雙煤層開采工作面布置對覆巖破壞的影響，以期為雙煤層開采工作面設(shè)計和覆巖破壞分析提供技術(shù)支撐。

1 雙煤層開采相似材料模擬實驗

1.1 實驗方案設(shè)計

1.1.1 井田概況

陜北某礦位于鄂爾多斯盆地次級構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，總體為一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，地層穩(wěn)定，地層傾向270°～310°。局部發(fā)育有寬緩的波狀起伏，斷層稀少且發(fā)育規(guī)模較小，整體水文地質(zhì)條件簡單。

區(qū)內(nèi)發(fā)育地層主要有三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組，侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組，白堊系下統(tǒng)羅合組，新近系靜樂組，第四系下更新統(tǒng)午城組、中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組和馬蘭組。煤層主要賦存于侏羅系中統(tǒng)延安組，主要可采煤層為3 號煤層，厚度4.85～11.90 m，平均8.36 m；煤層埋深115.90～268.05 m；其次為3-1號煤層，厚度0.87～4.32 m，平均3.60 m。

1.1.2 實驗參數(shù)確定

相似材料模擬實驗以該礦30101 工作面3 號煤和3-1號煤層為對象，模擬區(qū)域地層穩(wěn)定，煤層底板起伏不大，3 號煤層底板標(biāo)高1 010～1 045 m(圖1)。其中，3 號煤層上覆地層厚度242 m，3 號煤層厚度5.0 m，3-1號煤層厚度3.2 m，兩煤層間距20 m；由于該井田地層穩(wěn)定、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件簡單，因此，在模擬過程中，未考慮構(gòu)造等地質(zhì)條件。

圖1 3 號煤層底板標(biāo)高等值線Fig.1 Contours of floor elevation of No.3 coal seam

實驗臺架采用200 cm×200 cm×20 cm 的鋼架結(jié)構(gòu)，以細(xì)河沙為骨料，石膏為膠結(jié)物，大白粉為填料，通過3 者的不同配比來模擬地層中的軟弱、中硬和堅硬巖層；用細(xì)碎白云母片模擬層與層間的層理面。地層和模型中對應(yīng)的各層厚度及其巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2 模型建立及模擬結(jié)果分析

1.2.1 模型建立

以表1 為依據(jù)，建立2 個模型，2 個模型中均設(shè)置3 個工作面，上煤層2 個，下煤層1 個，工作面長度均為40 cm，實際長度100 m(圖2—圖3)。模型1 中上煤層2 個工作面間的留設(shè)煤柱寬度為8 cm，對應(yīng)實際寬度為20 m；模型2 中留設(shè)煤柱寬度為16 cm，對應(yīng)實際寬度為40 m。其中，模型1中下煤層與上煤層工作面的疊置距離左右各16 cm，模型2 中疊置距離左右各12 cm。開采時先采上煤層，再采下煤層，采上煤層時，第1 工作面先采，開采步距為5 cm；模型中左右各留有4 cm 的煤柱。2 個模型均布置8 排測點，2 層煤中間一排，上煤層覆巖中每隔10 cm 布置一排測點，共7 排，各測點中心間距為10 cm(圖2—圖3)。

表1 模型厚度及巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of model thickness and rock mechanics parameters

圖2 模型1 工作面布置及測點設(shè)置Fig.2 Layout of the working face and the measurement points in model 1

1.2.2 覆巖破壞過程

隨著工作面推進，煤層覆巖發(fā)生垮落，垮落范圍隨工作面推進距離不斷增大。

模型中不同工作面發(fā)生初次垮落時間不同。模型1 中，上煤層2 個工作面頂板初次垮落分別出現(xiàn)在其工作面推進25 cm 和30 cm 時(圖4)；下煤層工作面推進20 cm 時，覆巖出現(xiàn)離層，推進30 cm 時，工作面頂板初次垮落。模型2 中，上煤層2 個工作面頂板的初次垮落均出現(xiàn)在其工作面推進 30 cm時；下煤層工作面推進30 cm 時，覆巖出現(xiàn)離層，推進35 cm 時，工作面頂板初次垮落(圖5)。

圖3 模型2 工作面布置及測點設(shè)置Fig.3 Layout of the working face and the measurement points in model 2

模型1 中，下煤層工作面推進至60 cm 時達到充分采動(圖6)，垮落帶高度10.5 cm，計算實際高度為26.25 m；裂隙帶最大高度24.5 cm，計算實際高度為61.25 m。模型2 中，下煤層工作面推進至58 cm 時達到充分采動(圖7)，垮落帶高度9.8 cm，計算垮落帶高度為24.5 m；裂隙帶最大高度21.3 cm，計算實際高度為53.25 m。

圖4 模型1 上煤層第2 工作面推進30 cm 覆巖垮落Fig.4 Overburden caving at 30 cm advance of the second working face of the upper coal seam in the model 1

圖5 模型2 上煤層第2 工作面推進35 cm 覆巖垮落Fig.5 Overburden caving at 35 cm advance of the second working face of upper coal seam in the model 2

圖6 模型1 第1—3 工作面推進完成覆巖垮落Fig.6 Overburden caving after advance completion of working faces 1,2 and 3 in the model 1

圖7 模型2 第1—3 工作面推進完成覆巖垮落Fig.7 Overburden caving after advance completion of the working faces 1,2 and 3 in the model 2

1.2.3 覆巖破壞對比

由于工作面間留設(shè)煤柱寬度及其疊置關(guān)系不同，上煤層對下煤層產(chǎn)生不同程度的影響，模型1中下煤層發(fā)生首次離層和初次垮落均比模型2 中下煤層早，但最大跨落高度模型1 大于模型2。模型開采過程中的垮落情況對比見表2。

表2 不同模型開采過程中巖層垮落情況對比Table 2 Comparison of rock caving during mining in different models

1.2.4 覆巖下沉規(guī)律分析

根據(jù)模型上下煤層均開采完畢后所得模擬數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的計算方法，繪制2 個模型開采后煤層頂板的下沉曲線，如圖8、圖9 所示。

圖8 模型1 煤層頂板下沉曲線Fig.8 Roof subsidence curves of coal seams in the model 1

根據(jù)垂向位移變化曲線分析，模型1 中覆巖下沉值在204 號、207 號監(jiān)測點所在位置處較大，分別以204 號、207 號監(jiān)測點為中心向兩側(cè)逐漸減小。模型2 中覆巖下沉值在212 號、213 號、217 號監(jiān)測點所在位置處較大，分別以212 號、213 號2 個監(jiān)測點和217 號監(jiān)測點為中心向兩側(cè)逐漸減小。在留設(shè)煤柱影響下，煤層開采過程中覆巖不同層位下沉均有減緩。模型1 最大下沉值為2.5 cm，模型2 最大下沉值為2.35 cm。2 者變化趨勢基本相同，但模型1 下沉幅度更大，更為明顯(圖8—圖9)。

圖9 模型2 煤層頂板下沉曲線Fig.9 Roof subsidence curves of coal seams in the model 2

由于2 模型皆在中心處留設(shè)煤柱，故下沉曲線皆呈現(xiàn)“W”型，但具體形態(tài)有所差異，模型1 曲線顯示其中心處未下沉范圍較窄，而模型2 曲線在該處較寬，與模型2 留設(shè)煤柱寬度更大有關(guān)。二者對比說明，留設(shè)煤柱的寬度會影響實際回采中覆巖的下沉量，工作面留設(shè)煤柱越寬，其對于覆巖的支撐效果越好，越能抵抗覆巖的移動變形。即工作面留設(shè)煤柱越寬，在開采方式、強度等條件均相同的情況下，其上方覆巖下沉程度越輕，下沉值越小(圖8—圖9)。

2 雙煤層開采數(shù)值模擬

2.1 模型建立

數(shù)值模型的工作面布置方案采用與物理相似模擬模型相同的數(shù)據(jù)，模型1 中工作面間留設(shè)煤柱寬度為20 m；模型2 中工作面間留設(shè)煤柱寬度為40 m。模型1、2 的長×寬×高分別為800 m×240 m×199 m、800 m×260 m×199 m；二者單元格均為10 m× 4 m×5 m，模型1 共211 200 個單元，模型2 共228 400 個單元；采用FLAC3D進行數(shù)值模擬計算。

2.2 模擬過程及模擬結(jié)果分析

2.2.1 覆巖下沉量變化

工作面推進過程中，覆巖下沉量不斷增大；模型2 的下沉影響范圍比模型1 小，但減小幅度不明顯。在留設(shè)煤柱寬度方面，在工作面推進至預(yù)留煤柱前時，2 模型的下沉量幾乎一致；隨著工作面繼續(xù)推進，不同煤柱留設(shè)寬度、不同壓差下的下沉曲線開始表現(xiàn)出較為明顯的不同。隨工作面推進，覆巖各處下沉值均有不同程度的增大，而模型左右2側(cè)煤柱及中間留設(shè)煤柱附近，覆巖下沉值增量相對較小。

2.2.2 主應(yīng)力分析

煤層開采過程中，煤層覆巖發(fā)生應(yīng)力變化(圖10)。由數(shù)值模擬獲得的各巖層應(yīng)力變化情況可知，工作面推進過程中，煤層覆巖最大主應(yīng)力分布形態(tài)與物理相似模擬開挖過程中所產(chǎn)生的變形相對應(yīng)。上煤層開采過程中，最大主應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在煤層頂部，采空區(qū)上方巖層主應(yīng)力呈現(xiàn)出兩側(cè)低而中間高的“W”形態(tài)，以拉張應(yīng)力為主。由于拉張應(yīng)力作用，工作面煤層覆巖開始垮落，采煤沉陷現(xiàn)象出現(xiàn)。上煤層開采后，采空區(qū)上方覆巖處的最大主應(yīng)力以煤柱為中心呈對稱分布。隨著下煤層開采，底板中心處拉張應(yīng)力逐漸減小，在采空區(qū)上方，兩側(cè)應(yīng)力分布高而中間低，形態(tài)仍為“W” 形態(tài)，說明由采動所致的覆巖位移變形在開挖起始及結(jié)束時不明顯，其主要出現(xiàn)在工作面推進過程中。

2.2.3 塑性區(qū)模擬結(jié)果分析

圖10 開采后最大主應(yīng)力云圖Fig.10 Cloud diagram of maximum principal stress after mining

工作面不同推進距離的覆巖塑性區(qū)分布如圖11a 所示。當(dāng)上煤層開采時，模型1 采空區(qū)上方頂板首先出現(xiàn)剪切破壞，但其塑性區(qū)破壞程度不大，剪切破壞不明顯。隨著下煤層工作面的推進，在剪切破壞出現(xiàn)的同時，采空區(qū)兩端邊緣處出現(xiàn)拉張破壞，在下煤層開采完成時，下煤層采空區(qū)上方的剪切破壞與拉張破壞均發(fā)育明顯。

圖11 雙煤層開采后覆巖塑性區(qū)分布Fig.11 Distribution of plastic zone of overburden after double coal mining

模型 2 工作面推進時的覆巖塑性區(qū)分布如圖11b 所示。當(dāng)上煤層開采時，模型采空區(qū)上方頂板同樣出現(xiàn)剪切破壞，但剪切破壞范圍有所變化，其表現(xiàn)為沿工作面推進方向產(chǎn)生的剪切破壞范圍變大，而垂向高度上的剪切破壞范圍減小。下煤層工作面推進時，采空區(qū)兩端邊緣處還出現(xiàn)拉張破壞，其表現(xiàn)形態(tài)及破壞程度與模型1 基本一致，隨留設(shè)煤柱寬度的增大，模型2 表現(xiàn)出下沉量減緩、各應(yīng)力破壞程度降低的趨勢。對比開采完成后的塑性區(qū)形態(tài)，結(jié)合模型開挖完成后的最大主應(yīng)力云圖可知，模型1 垮落帶高度為29.7 m，裂隙帶高度為65.5 m；模型2 垮落帶高度為28.6 m，裂隙帶高度為55.25 m。

3 2 種方法結(jié)果對比

相似材料模擬實驗和數(shù)值模擬獲得的垮落帶和裂隙帶高度見表3。由表3 可知，不同煤柱留設(shè)寬度條件下，2 種方法確定的垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度基本一致。

由表3 可知，雙煤層留煤柱開采，留設(shè)煤柱寬度越大，兩煤層疊置區(qū)域越小，壓差越小，煤層開采對覆巖的破壞范圍越小；留設(shè)煤柱的寬度越大，覆巖下沉幅度越小。因此，在工作面布置時，建議增大2 煤層的開采距離和開采間隔時間，并盡量增加煤柱寬度，以減緩覆巖移動破壞范圍和破壞程度。

礦井在今后的生產(chǎn)過程中，可依據(jù)實際數(shù)據(jù)對本文提出的研究方法和結(jié)論做進一步驗證，以有效指導(dǎo)煤礦工程設(shè)計及安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

a.相似材料模擬實驗及數(shù)值模擬結(jié)果顯示，工作面留設(shè)煤柱寬度越大，煤層開采對其覆巖的影響越小；覆巖越穩(wěn)定，變形破壞影響范圍也越小。

b.煤層開采過程中，工作面煤層覆巖出現(xiàn)以拉張應(yīng)力為主的應(yīng)力變化，致使工作面煤層覆巖出現(xiàn)位移變形及垮落。開采完成時，采空區(qū)上方的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出兩側(cè)高而中間低的形態(tài)，說明由采動所致的煤層覆巖位移變形在開挖起始及結(jié)束時不明顯，其主要出現(xiàn)在工作面推進的中間過程中。

表3 2 種方法模擬結(jié)果對比Table 3 Comparison of the results of two simulation methods

c.雙煤層留煤柱開采，隨著留設(shè)煤柱寬度的增加，上下兩工作面疊加區(qū)域的減小，覆巖不同層位下沉均有減緩，下沉值也持續(xù)減小，下沉曲線在煤柱寬度變化的影響下呈現(xiàn)出波浪形特征，總體形態(tài)呈“W”型。

d.留設(shè)20 m 煤柱時，相似材料模擬和數(shù)值模擬得到的煤層覆巖垮落帶高度分別為26.25、29.7 m，裂隙帶高度分別為61.25、65.5 m；留設(shè)40 m 煤柱時，2 種方法得到的垮落帶高度分別為24.5、28.6 m，裂隙帶高度分別為53.25、55.25 m。結(jié)果顯示，留設(shè)20 m 煤柱時，回采過程中覆巖的移動變形更為劇烈。

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