分層方式對煤層開采覆巖活動的影響研究

張緩緩 葉永芳

（江西省煤田地質局二二四地質隊，江西 南昌 330002）

在厚～巨厚煤層條件下，煤層一次采全厚和分層開采對覆巖活動的影響是否一致，若不一致，哪種開采對覆巖活動產生的影響大，不同的分層方式又會有什么不同。論文擬圍繞上述問題，依據FLAC3D數值模擬軟件，以淮南潘二礦11223工作面3煤開采為理論研究對象，以期建立較為完整的厚煤層多分層開采覆巖活動規律，為該地區或類似地區厚乃至巨厚煤層開采提供一定的理論指導。

1 研究工作面概況

11223 工作面位于潘二礦東一采區，工作面走向長度1400m，傾斜長180m，回風巷標高為-464～-496m，運輸巷標高為-521～ -556m。區內可采煤層3煤厚3.0～8.4m，平均厚度為5.5m；1煤厚3.1～4.8m，平均厚度為3.53m。3煤頂板由泥巖、砂巖及中細砂巖組成，巖性變化大，厚度不穩定，屬于不穩定～中等穩定頂板；1煤底板巖性也為砂泥巖層，煤層賦存較穩定。地質構造為一單斜構造，煤層傾向北。

2 數值模擬研究

2.1 數值模型建立原則

由于巖體及其結構的復雜性，在使所建模型盡可能反映原始地質條件的情況下，對其作了一定的假設和簡化，以利于數學計算。本次模擬作了如下假設：

（1）由于松散層與上部巖層厚度大，在一定范圍內可用補償荷載來代替；（2）巖土層在巖組內為均勻連續介質；（3）采用自重應力場為原始應力場。

2.2 數值模擬分析研究

根據實勘及井下資料，結合11223工作面工程地質條件，選取-550m水平為背景，以3煤層為特征煤層，嵌入地質模型，巖層厚度根據實勘鉆孔數據資料近似取整，各層模擬厚見表1。依據巖石力學相近的原則將模型材料參數分為五大類，即泥巖、灰巖、砂質泥巖、細粒砂巖和煤層，數據來源于安徽理工大學承擔的《淮南礦區深部A組煤底板構造及采動變形破壞規律探測研究》項目。

表1 模型參數

模型形狀：長270 m，寬125 m，高222 m。模型底部荷載15.776MPa，平均密度2562kg/m3。模型邊界條件設置：底部全固定，四周水平方向限制，頂部自由邊界，并施加上覆巖土荷載。煤層沿走向分三種方式進行開采模擬：（1）一次采全高；（2）分2層進行開采；（3）分3層開采。其模型見圖1。

圖1 計算模型

2.2.1 一次采全高模擬

分別模擬開采50～135m和135～220m兩種情況，即工作面分別推進85m和170m。根據莫爾庫侖理論，采用迭代法并利用 FALC3D計算出3煤層開采后頂板巖層的采動變形破壞特征，獲得巖層屈服破壞特征圖、應力云圖和位移圖，見圖2。

圖2 一次采全厚模擬覆巖變化圖

結果分析：

（1）應力重分布特征

隨工作面推進，工作面兩端煤壁出現應力集中現象，最大垂直應力為17.827MPa。這是由于開切眼和工作面煤壁處支撐頂板，使得此處形成應力增高區。而采空區頂、底板由于上覆巖層垮落，應力減小，且卸載范圍逐漸增大，垂直應力呈現“兩端大，中間小”的盆狀形態，如圖2（a）所示。

（2）巖層位移變化特征

隨工作面推進，底板巖層卸荷回彈量逐漸增大，影響深度也逐漸增加，頂板巖層下沉量同樣在逐漸增大，如圖2（b）所示。工作面推進170m時對應的頂板最大下沉量為26.506cm，對應的底板巖層最大卸荷回彈量為22.639cm。

（3）塑性破壞特征

隨工作面推進，頂、底板破壞范圍沿走向加大，破壞深度增加的并不明顯，如圖2（c）所示。當工作面推進170m時，其頂板破壞深度為16.0m，底板破壞深度為16.0m。

2.2.2 分2層開采模擬

此時，分三種不同的開采方案，具體如下：

（1）第一種方案：先開采上分層2m，再開挖下分層的4m。

模擬方法同一次采全高，對應的特征圖見圖3。

圖3 第一種方案（分2層）模擬覆巖變化圖

結果分析：

① 應力重分布特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖3（a）。最大垂直應力為17.685MPa。

② 巖層位移變化特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖3（b）。此時，頂板最大下沉量為26.042cm，底板巖層最大卸荷回彈量為20.143cm。

③ 塑性破壞特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖3（c）。頂底板破壞深度分別為16.0m、13.0m。

（2）第二種方案：3m/層模擬。

模擬方法同一次采全高，對應的特征圖見圖4。

圖4 第二種方案（分2層）模擬覆巖變化

結果分析：

① 應力重分布特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖4（a）所示。最大應力值有所差異，此時，最大應力為17.924MPa。

② 巖層位移變化特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖4（b）所示。此時，頂板最大下沉量為25.915cm，對應的底板巖層最大卸荷回彈量為20.034cm。

③ 塑性破壞特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖4（c）所示。頂板破壞深度為16.0m，底板破壞深度為13.0m。

（3）第三種方案：先開采上分層4m，再開挖下分層的2m。

模擬方法同一次采全高，對應的特征圖見圖5。

圖5 第三種方案（分2層）模擬覆巖變化

結果分析：

① 應力重分布特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖5（a）所示。最大應力值有所差異，此時對應的最大應力為17.98MPa。

② 巖層位移變化特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖5（b）所示。此時的頂板最大下沉量為25.688cm，對應的底板巖層最大卸荷回彈量為19.982cm。

③ 塑性破壞特征：變化規律與一次采全厚一樣，如圖5（c）所示。頂板破壞深度為16.0m，底板破壞深度為13.0m。

2.2.3 分3層開采模擬

將3煤層平分為3層進行開采，每分層2m。模擬方法同一次采全高，對應的特征圖見圖6。

圖6 分3層開采模擬覆巖變化圖

結果分析：

（1）應力重分布特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖6（a）所示。最大應力值有所差異，此時對應的最大應力為17.833MPa。

（2）巖層位移變化特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖6（b）所示。此時的頂板最大下沉量為27.251cm，對應的底板巖層最大卸荷回彈量為19.401cm。

（3）塑性破壞特征：變化規律與一次采全厚類似，如圖6（c）所示。頂板破壞深度分別為16.0m，底板破壞深度分別為13.0m。

3 模擬結果對比分析

根據前文模擬結果，工作面推進完全時對應的應力最大值、頂底板位移量、塑性破壞深度見表2。

表2 各模擬結果最大值統計

從表2可以得出：（1）分層開采時，整體上煤壁兩端應力集中的最大值比一次采全厚時均要大。這是因為在上分層開采完后，采煤已造成了覆巖的破壞，重復開采下，應力重新分布，使得應力進一步增加。除分3層頂板下沉量大于一次采全厚外，其他情況下的開采頂板巖層下沉量均小于一次采全厚時的下沉量。（2）分2層開采與分3層開采對比分析可知，在累積采厚相同的條件下，分3層開采時，應力最大值相對較小，但是頂板覆巖下沉量較大，此時，不利于頂板的控制。由此可以推斷，分層越多，在多次重復采動下，對地表的損傷較大，容易引起地表沉陷。（3）分2層開采時，三種方案相比，上分層越薄，對應的應力值越小，而頂底板巖層位移隨著上分層的厚度增加而減小。（4）頂板塑性破壞大小基本一致，整體上來看，分層開采的情況下，底板塑性破壞范圍小。另外，從圖及數據還可以看出，當頂板垮落，采空區充填后，頂、底板破壞深度是趨于穩定的。

4 結語

根據前文模擬結果及表格分析可以得出累積采厚、分層采厚對巖層運動的影響規律：

（1）針對于厚～巨厚煤層，可選擇分層進行開采，以降低頂底板巖層的位移量及底板的塑性破壞。

（2）在相同累積采厚條件下，分層次數多，每分層采厚相對就較薄，此時，上覆巖層的下沉量增大，且多次重復采動增加了頂板失穩的概率。

（3）在相同累積采厚和分層層數相同的條件下，先開采的煤層厚時，頂底板巖層位移量就小，反之則大。結合上述模擬情況，在不考慮巖層應力的情況下，應優先選擇先厚后薄盡量少分層的開采方式。