榆神礦區雙煤層開采錯距方案優化數值模擬

孫學陽，盧明皎，李 成，苗霖田

（1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安710054；2.礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安710054；3.煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安710054）

隨著社會的進步和人們環保意識的增強，發展與環境相協調的綠色采礦技術[1-2]應運而生。范立民[3]從系統論角度較為全面的闡述了保水采煤的概念和科學內涵；孫學陽等[4]總結了實現保水采煤的措施和手段；錢鳴高等[5]提出了“關鍵層”理論；黃慶享[6]通過物理模擬和地裂縫實測分析，發現“上行裂隙”和“下行裂隙”的導通性決定著隔水巖組的隔水性，并了建立以隔水巖組厚度與采高之比(隔采比)為指標的隔水巖組隔水性判據；孫建等[7]研究了底板傾斜隔水關鍵層的撓度特性、應力分布及其破斷失穩特征，發現適當控制工作面長度有利于保護底板復合隔水關鍵層進而有利于控制底板突水；馬凱等[8]基于“下三帶”、“關鍵層”理論，簡化出局部高承壓水與底板隔水關鍵層的圓筒力學模型，并提出奧陶系頂部巖層作為隔水關鍵層剩余隔水能力的計算式；尚濤等[9]采用數值模擬分析了節地減損開采過程中水平應力、自重應力和穩定性的變化規律，并對節地減損開采進行分析優化；潘瑞凱等[10]提出了近距離雙煤層開采綜合采厚的計算方法，揭示了淺埋雙厚煤層開采后地表-上采區-下采區的漏風機制；侯恩科等[11]通過PFC 數值模擬手段，研究了雙煤層斜交開采地表裂縫發育特征；張志祥等[12]指出雙煤層采動巖體裂隙變化規律與單煤層采動明顯不同；文獻[13-15]分析了近距離雙煤層開采底板應力受煤柱的影響程度，并提出確定回采巷道合理位置的方法以及優化方案；程志恒等[16]采用相似模擬實驗通過對近距離煤層群疊加開采研究，優化了突出危險煤層群瓦斯預抽方案,杜君武等[17]通過數值模擬和理論計算，建立了上、下煤層同采工作面穩壓式和減壓式布置模型。上述研究表明：上下煤層合理的布置煤柱將有助于分散采空區上部荷載，減弱上下煤層的應力疊加，減緩地表下沉和減輕地表裂縫[18-19]。主采煤層覆巖結構關鍵層破斷程度是決定覆巖變形和破環的關鍵因素，目前對多煤層錯距開采對覆巖結構關鍵層影響的研究相對較少，多煤層錯距布置與優選對覆巖結構關鍵層影響機理有待于進一步研究。為此，運用FLAC3D數值模擬手段對雙煤層不同錯距情況進行優選，并分析不同錯距對結構關鍵層影響，為保水開采目標的實現奠定了基礎。

1 錯距開采數值模擬方案

1.1 礦井地質概況

榆神礦區某礦地表為黃土梁峁、風沙灘地和沙丘沙地地貌，地質構造簡單。礦井主采2-2、3-12 層煤，其中2-2煤總體近于水平，平均厚3.75 m，煤層埋深266.3～286.5 m，其中基巖厚154～210 m，土層厚10～80 m。3-1煤總體近于水平，平均煤厚6.25 m，底板為細粒砂巖或粉砂巖，厚4.34～6.48 m。上下煤層間巖組為中粒砂巖、粉砂巖，平均厚37.5 m。

通過對2-2煤122106 工作面內K5 鉆孔資料及巖層柱狀結構分析，采用關鍵層判別對所取巖層柱狀進行覆巖結構關鍵層層位判別[6,20-21]，覆巖埋深171.0 m 處細粒砂巖為覆巖結構關鍵層，主要巖石力學參數見表1。

表1 主要巖石力學參數Table 1 Mechanical parameters of main rock

1.2 三維建模方案

雙煤層開采錯距是指上層煤區段煤柱右側邊界與下煤層區段煤柱左側邊界之間的距離。本次設定的開采錯距分別為0、20、40、60、80 m 等5 種類型。模擬方案其他條件均相同，僅改變開采錯距。數值模擬方案表見表2。

表2 數值模擬方案Table 2 Numerical simulation scheme

以榆神礦區某礦地質資料為背景建模，模型尺寸長（y）×寬（x）×高（z）=800 m×420 m×310 m，共208 120 節點，161 280 單元。每個煤層各布置2 個開采工作面，采用FLAC3D模擬雙煤層錯距開采，研究覆巖應力場變化規律，比選錯距開采最優方案。

2 雙煤層錯距優選分析

最優錯距開采是綜合考慮上下煤層的平均間距、覆巖厚度、巖石力學參數、應力傳遞角度等因素耦合的作用，使上層煤開采后下層煤煤柱應力峰值最小，下層煤工作面、煤柱有效的避開上層煤的應力集中區時上下煤層區段煤柱之間錯開的距離。由模擬雙煤層錯距開采得出的雙煤層開采拉應力分布云圖如圖1。圖中中間透明區域為采空區，同層煤采空區間為區段煤柱。

圖1 上下煤層不同錯距拉應力切片圖Fig.1 Tension stress slice of different offsets between upper and lower coal seams

當雙層煤開采煤柱錯距為0 m 時，3-1煤柱處于2-2煤柱形成的增壓區內，錯距煤柱間出現近乎連通的拉應力影響區，3-1煤柱破壞嚴重，巷道支護困難。錯距煤柱間拉應力影響區峰值應力為4.0 MPa，應力云圖如圖1（a）。

隨煤柱錯距增加，2-2煤柱底板破壞區與3-1煤柱頂板破壞區逐漸分離，當錯距為20 m 時，上下煤層工作面主應力在錯距煤柱中心應力集中區范圍減小，煤柱間拉應力影響區趨于分離。錯距煤柱間拉應力集中區應力過渡均勻，應力云圖如圖1（b）。

錯距為40 m 時上下煤層工作面在錯距煤柱處已完全分離，互不影響。錯距煤柱間拉應力影響區進一步縮小，應力峰值下降至1.75 MPa，應力云圖如圖1（c）。

錯距為60 m 時3-1煤左側工作面處于2-2煤柱應力釋放區，應力呈現疊加，且3-1煤柱逐漸進入2-2煤邊界煤柱應力影響區，煤柱間拉應力影響區向右側偏移。拉應力峰值增加至2.75 MPa，應力云圖如圖1（d）。

錯距為80 m 時，3-1煤左側工作面處于2-2煤層右側工作面采空壓實區下方，3-1煤柱受2-2煤邊界煤柱應力影響變大，拉應力峰值躍升至3.75 MPa，拉應力影響區域加深，3-1煤柱穩定性變差，應力云圖如圖1（e）。

由于煤柱對煤層頂板的支撐作用以及采空區卸荷、垮落的影響，煤層覆巖應力向煤柱轉移，因此在錯距開采過程中，煤柱中心應力值最大、下沉值最小。提取3-1煤柱中心左右各3 倍寬度范圍內的最大主應力和下沉值，對比分析該煤柱的穩定性。

不同錯距最大主應力曲線如圖2。由圖2 可知，最大主應力曲線呈“平峰”狀分布，煤柱中心出現最大主應力峰值，錯距煤柱邊緣應力出現跳躍式下降，其寬度范圍內最大主應力是兩側卸壓區的3～5 倍，煤柱兩側易產生破斷、發育裂隙。當煤層錯距0、20、40、60、80 m 時，煤柱最大主應力峰值依次為13.27、11.04、10.37、11.65、12.45 MPa。最大主應力經歷“由大到小再增大”的過程。

圖2 不同錯距最大主應力曲線Fig.2 Maximum principal stress curves with different offsets

不同錯距下沉曲線如圖3。由圖3 可知，不同錯距下沉值呈現“尖峰”狀分布，煤柱中心下沉值最小，煤柱寬度范圍外下沉值逐漸增大，煤柱寬度范圍下沉值不足兩側采空區的1/2～1/3。當煤層錯距0、20、40、60、80 m 時，煤柱中心下沉值分別為0.160、0.079、0.076、0.099、0.113 m。最大下沉值也呈現出“由大到小再增大”的趨勢。

圖3 不同錯距下沉曲線Fig.3 Subsidence curves with different offsets

由上述可得，當開采錯距為40 m 時，煤柱中心出現應力峰值的最小值，對應的煤柱中心下沉值最小，此種情況下煤柱最安全，為最優錯距。

3 錯距開采對覆巖關鍵層影響

回采工作面在推進過程中，采空區頂板會逐漸垮落、卸荷、應力重分布，上部覆巖的主要荷載轉移到煤柱。因此2-2煤柱上方出現高應力區而左右兩側采空區上方呈現低應力區。在上層煤工作面上方拉應力呈現“谷-峰-谷”形分布。

通過提取模型中關鍵層上隨著開采的進行最大主應力和最小主應力分布情況，研究不同錯距下，結構關鍵層受開采擾動的影響情況。

覆巖關鍵層主應力隨工作面推進變化曲線如圖4。

圖4 覆巖關鍵層主應力隨工作面推進變化曲線Fig.4 The curves of the principal stress of the key layer with the advance of the working face

當雙煤層開采錯距變化，隨之結構關鍵層最大主應力（σ1）整體呈“凹”狀分布，自上而下可分為2部分：錯距20、40、60 m 位于下部，該部分結構關鍵層位置應力值較小分布集中，其中錯距40 m 時應力值最?。诲e距0 m 和80 m 位于上部，此時結構關鍵層處應力值較大且與下部應力值有較明顯差異，σ1最大主應力圖如圖4（a）。結構關鍵層最小主應力σ3整體呈“駝峰”狀分布，5 種錯距情況應力分布較集中，其中錯距0 m 時σ3值最大，σ3最小主應力圖如圖4（b）。

根據Mohr-Coulomb 強度準則：

式中：c 為巖層黏聚力，MPa；φ 為巖層內摩擦角，（°）；k 為中間參量；σ1為最大主應力，MPa；σ3為最小主應力，MPa；f 為強度準則判斷條件，當f=0 時巖體處于臨界狀態，當f<0 時巖體處于塑性、斷裂變形階段，當f>0 時巖體處于彈性變形階段。

由Mohr-Coulomb 強度準則判別條件、巖石力學參數及數值模擬覆巖關鍵層主應力分布規律可得：不同開采錯距覆巖關鍵層處最小主應力分布集中，數值分布較接近；而最大主應力分布呈現明顯差異，錯距0 m 與80 m 顯著大于錯距20、40、60 m，因此結合式（2）覆巖關鍵層是否發生塑性變形與破斷在該工況條件下主要取決于關鍵層位置最大主應力分布。通過分析覆巖關鍵層最大主應力圖（圖4（a）），錯距20、40、60 m 時覆巖關鍵層大部分將處于彈性變形階段，與數值模擬結果對應的覆巖關鍵層落在“谷-峰-谷”形卸壓區兩側的高拉應力區面積較小的情況基本吻合，采空區兩側豎向裂隙穿透關鍵層區域較少。錯距40 m 時，覆巖關鍵層最大主應力最小，關鍵層最穩定、完整，即為最優錯距；錯距0 m和80 m 時關鍵層大部分將處于塑性和斷裂變形階段，對應數值模擬結果覆巖關鍵層落在“谷-峰-谷”形卸壓區兩側的高拉應力區面積較大，結構關鍵層較破碎，地表沉陷、覆巖變形較大。錯距0 m 時，覆巖關鍵層最大主應力最大，關鍵層最破碎，即為最不利錯距。

4 結 論

1）雙層煤錯距開采，錯距煤柱影響范圍內最大主應力呈“平峰”狀分布，下沉值呈“尖峰”狀分布，錯距煤柱中心出現主應力峰值和下沉最小值；隨著錯距的增加，錯距煤柱拉應力分布特征、煤柱最大主應力和下沉值均經歷“由大到小再增大”的規律。

2）綜合考慮煤柱最大主應力峰值、煤柱中心下沉值、覆巖關鍵層落于高拉應力區面積及破壞強度準則，當開采錯距0 m 時，煤柱最大主應力峰值、煤柱中心下沉值、覆巖關鍵層落于高拉應力區面積均出現最大值與范圍；而錯距40 m 時，煤柱最大主應力峰值、煤柱中心下沉值、覆巖關鍵層落于高拉應力區面積均出現最小值與范圍。通過不同錯距方案對比分析，雙煤層開采最優錯距為40 m，最不利錯距為0 m。

3）最優的錯距開采可有效減少結構關鍵層的損傷和破斷，覆巖變形較?。欢畈焕腻e距開采將加劇結構關鍵層破斷范圍大，加劇地表沉陷，增大覆巖破壞范圍。