巖溶條件下淺埋近距離煤層開(kāi)采的數(shù)值模擬研究

杜學(xué)領(lǐng)

(貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003)

貴州地區(qū)巖溶地貌發(fā)育，巖溶地貌與土地石漠化現(xiàn)象的關(guān)系已被廣泛研究[1]。除地表的峰叢、峰林、溶丘等直接可視地貌外，巖溶地質(zhì)還造成貴州地區(qū)洞穴較為發(fā)育，地下水的分布和賦存也受到巖溶地質(zhì)的影響，溶洞類空?qǐng)鲆l(fā)的塌陷、震害已引起部分學(xué)者關(guān)注[2-4]。與洞穴相對(duì)零散、隨機(jī)、非均勻的分布相比，地下礦產(chǎn)資源開(kāi)采所形成的采空區(qū)往往是連續(xù)的、大面積的空?qǐng)隹臻g，開(kāi)采擾動(dòng)誘發(fā)的圍巖運(yùn)動(dòng)、頂板裂隙發(fā)育等問(wèn)題已被研究多年[5-6]，巖溶陷落柱、巖溶水問(wèn)題，以及井田的巖溶條件等已引起學(xué)者們關(guān)注[7-9]。盡管貴州是我國(guó)西南地區(qū)的煤炭主產(chǎn)區(qū)，煤炭開(kāi)采主要集中于六盤水、畢節(jié)等地[10]，貴州西部、北部區(qū)域性開(kāi)采擾動(dòng)效應(yīng)明顯，但以往的研究多聚焦于巖溶水賦存、巖溶生態(tài)等方面，對(duì)開(kāi)采擾動(dòng)與巖溶結(jié)構(gòu)的關(guān)注顯得不足。筆者結(jié)合貴州青龍煤礦的條件，建立包含溶洞結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析模型，并探究巖溶條件下近距離煤層開(kāi)采擾動(dòng)問(wèn)題。

1 研究背景及方案

青龍煤礦位于畢節(jié)黔西縣谷里鎮(zhèn)，井田構(gòu)造以格老寨背斜、大沖背斜為主，主要開(kāi)采16、18煤，二者平均層間距僅為24.38 m[11]。2009年11月，該礦曾發(fā)生頂板突水事故，淹沒(méi)長(zhǎng)約130 m巷道，盡管地表為低山丘陵且無(wú)地表水體，但因地下巖溶發(fā)育，16煤上部的夜郎組玉龍山段、長(zhǎng)興組均為巖溶裂隙含水層，突水時(shí)觀察到水體含黃色懸浮物，也被認(rèn)為與上部巖溶水有關(guān)[12]。以往的研究主要聚焦于導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨确矫鎇13]，未考慮上覆巖層中的巖溶發(fā)育情況及后續(xù)18煤的近距離煤層開(kāi)采問(wèn)題。

結(jié)合青龍煤礦的地質(zhì)條件和已有研究成果[11-19]，建立如圖1所示的簡(jiǎn)化模型。該模型中，地層傾角取12°，為背斜一翼的單斜構(gòu)造分布，16煤上覆頂板含有2層不規(guī)則溶洞結(jié)構(gòu)。其中距離地表較近的夜郎組巖溶結(jié)構(gòu)普遍發(fā)育，位于y=120～270 m；距離16煤較近的一層巖溶結(jié)構(gòu)局部發(fā)育，位于y=180～193 m。為模擬巖溶條件下巖體的性能劣化，對(duì)夜郎組石灰?guī)r巖溶結(jié)構(gòu)向外20 m范圍的巖體參數(shù)進(jìn)行劣化處理。初始最大水平應(yīng)力取17.53 MPa，最小水平應(yīng)力取12.53 MPa，垂直主應(yīng)力為12.89 MPa，重力加速度取9.81 m/s2。模型頂部直達(dá)地表，16、18煤厚度分別簡(jiǎn)化為2.8、3.0 m，模型四周留設(shè)寬20 m煤柱，工作面長(zhǎng)度為160 m，自煤柱邊緣開(kāi)始開(kāi)采。

圖1 巖溶條件下淺埋近距離煤層開(kāi)采數(shù)值模擬模型

測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)：在地層中布置的測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。各測(cè)點(diǎn)編號(hào)中前面的字母或數(shù)字表示圖1 中相應(yīng)地層代號(hào)，后面的字母及數(shù)字表示圖2中在每一地層內(nèi)的測(cè)點(diǎn)具體位置編號(hào)，例如測(cè)點(diǎn)編號(hào)YA、16B等。

圖2 地層中測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖

在上述條件下，研究16煤開(kāi)采的采動(dòng)影響、16煤開(kāi)采速度的影響、18煤開(kāi)采方向的影響。其中16煤開(kāi)采的采動(dòng)影響以5 m作為一次開(kāi)挖的步距，每次開(kāi)挖后運(yùn)行500時(shí)步，然后繼續(xù)開(kāi)挖5 m，累計(jì)開(kāi)挖長(zhǎng)度為360 m；16煤開(kāi)采速度的影響分別改變每次開(kāi)挖步距為10、15 m；18煤開(kāi)采方向的影響主要考慮后退式開(kāi)采和前進(jìn)式開(kāi)采的差異，開(kāi)采步距均為10 m，由此可觀察不同開(kāi)挖時(shí)序的影響。

2 淺埋近距離煤層開(kāi)采的采動(dòng)效應(yīng)

以16煤開(kāi)采步距為5 m的模擬結(jié)果，分析煤層開(kāi)采后所產(chǎn)生的采動(dòng)效應(yīng)。

2.1 開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)巖溶頂板的影響

16煤開(kāi)采后頂板夜郎組石灰?guī)r中的應(yīng)力演化曲線如圖3所示。

圖3 16煤開(kāi)采后頂板夜郎組石灰?guī)r中的應(yīng)力演化曲線

由圖3可知：

1)開(kāi)采擾動(dòng)誘發(fā)的頂板應(yīng)力重新分布主要分為 3個(gè)階段：第一階段為應(yīng)力增高階段，初期快速增加，中后期緩慢增加至峰值；第二階段為應(yīng)力降低階段，此階段垂直應(yīng)力以波動(dòng)下降為主；第三階段為穩(wěn)定階段，此階段應(yīng)力的量級(jí)整體變化不大，意味著開(kāi)采擾動(dòng)后新的穩(wěn)態(tài)已基本形成，開(kāi)挖時(shí)間越早，一般穩(wěn)態(tài)形成也越早。

2)巖溶結(jié)構(gòu)造成頂板應(yīng)力突變。YA～YC測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力表現(xiàn)為漸次增加，但YD測(cè)點(diǎn)位置垂直應(yīng)力增量甚至超過(guò)YE測(cè)點(diǎn)。這說(shuō)明工作面經(jīng)過(guò)巖溶影響區(qū)時(shí)，該位置的應(yīng)力突變影響較大，甚至大于后續(xù)的巖溶區(qū)域應(yīng)力(YE測(cè)點(diǎn)同樣處于巖溶區(qū)域)。

3)盡管巖溶結(jié)構(gòu)位于近地表巖層中，但這些巖層在開(kāi)采后依然存在支承壓力效應(yīng)，某一位置的應(yīng)力峰值點(diǎn)在正下方開(kāi)采之前就已形成，當(dāng)工作面經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)，一般頂板垂直應(yīng)力已處于三階段中的應(yīng)力降低階段。

2.2 開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)本煤層應(yīng)力場(chǎng)的影響

開(kāi)采后16煤內(nèi)垂直應(yīng)力的演化曲線如圖4 所示。

(a)推進(jìn)方向

(b)傾斜方向

由圖4可知：

1)采動(dòng)影響前，煤層內(nèi)的應(yīng)力整體處于較低水平，約為3～4 MPa。

2)受采動(dòng)影響后，沿推進(jìn)方向上，超前支承壓力具有非穩(wěn)定增加特點(diǎn)，垂直應(yīng)力最大峰值出現(xiàn)在開(kāi)采80 m的16B位置，最小峰值出現(xiàn)在16C位置，從16C開(kāi)始沿推進(jìn)方向的垂直應(yīng)力再次逐漸增加。由此可知，開(kāi)采煤層內(nèi)的垂直應(yīng)力增加與頂板中的巖溶結(jié)構(gòu)所在地層呈凹陷形特點(diǎn)有關(guān)，進(jìn)入巖溶結(jié)構(gòu)正下方的16D位置應(yīng)力相對(duì)較小，而16D周圍的16B、16E位置則要明顯高于16D處。因此，應(yīng)在到達(dá)巖溶結(jié)構(gòu)正下方以前就須做好防災(zāi)準(zhǔn)備。

3)沿傾斜方向上，開(kāi)采擾動(dòng)前的應(yīng)力表現(xiàn)為埋深越大、垂直應(yīng)力相對(duì)越大的特點(diǎn)，當(dāng)工作面接近開(kāi)采位置時(shí)，工作面中部偏下的位置應(yīng)力增加更為明顯，兩端的應(yīng)力增加則要小于中部。

2.3 近距離煤層開(kāi)采的保護(hù)層效應(yīng)

16煤開(kāi)采后，可對(duì)18煤形成保護(hù)層效應(yīng)。16煤開(kāi)采過(guò)程中18煤內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力演化曲線如圖5所示。

圖5 開(kāi)采16煤過(guò)程中18煤內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力演化曲線

由圖5可知：

1)16煤開(kāi)采對(duì)18煤起到了較好的卸壓作用，如18B～18E測(cè)點(diǎn)初始垂直應(yīng)力約為4 MPa，經(jīng)過(guò) 16煤開(kāi)采后，其應(yīng)力降低至約為1 MPa，卸壓效果顯著。

2)16煤開(kāi)采對(duì)18煤的增透效果較為有限。16煤采動(dòng)造成18煤內(nèi)應(yīng)力增高的峰值不超過(guò)6 MPa，與原巖應(yīng)力相比應(yīng)力增量相對(duì)較小。特別是對(duì)于淺埋煤層而言，由于上覆巖層厚度有限，覆巖自重應(yīng)力的效果就要弱于深埋煤層。被保護(hù)層煤層的解吸效果在一定程度上與被保護(hù)層內(nèi)應(yīng)力增加的量級(jí)和持續(xù)時(shí)間有關(guān)，高應(yīng)力、長(zhǎng)時(shí)間更有利于被保護(hù)層實(shí)現(xiàn)增透目的。因此，保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)在卸壓和增透之間存在技術(shù)平衡點(diǎn)，對(duì)于高瓦斯煤層而言，合理的保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)卸壓和增透的雙贏效果，合理的增透效果要求應(yīng)力既要維持在較高水平，又不至于過(guò)高而使得被保護(hù)層開(kāi)采時(shí)過(guò)于破碎。

3 開(kāi)采速度及開(kāi)采方向的影響

3.1 開(kāi)采速度的影響

不同開(kāi)采速度時(shí)夜郎組石灰?guī)r內(nèi)的峰值垂直應(yīng)力情況如圖6所示。

圖6 不同開(kāi)采速度時(shí)夜郎組石灰?guī)r內(nèi)峰值垂直應(yīng)力

由圖6可知，開(kāi)采速度提高以后，不同頂板位置的應(yīng)力演化趨勢(shì)和應(yīng)力分布形態(tài)幾乎是相同的，頂板夜郎組石灰?guī)r內(nèi)的峰值應(yīng)力有逐漸降低的趨勢(shì)，但降幅并不大。若巖溶結(jié)構(gòu)含水，為了避免頂板高應(yīng)力導(dǎo)致導(dǎo)水?dāng)嗔褞ж炌ǘl(fā)生礦井水害，則適當(dāng)提高開(kāi)采速度有助于緩解頂板的高應(yīng)力狀態(tài)，從而降低工作面發(fā)生巖溶突水的可能性。趙鵬翔等對(duì)推進(jìn)速度的物理實(shí)驗(yàn)研究表明，提高推進(jìn)速度可降低“三帶”高度[20]。若煤層上方直接頂較為堅(jiān)硬，有可能開(kāi)采后頂板長(zhǎng)懸不垮，則易引發(fā)高能量切頂事故。因此，適當(dāng)提高推進(jìn)速度對(duì)于相對(duì)軟弱的頂板條件更為適宜。

由模擬結(jié)果可知，開(kāi)采速度提高以后，被保護(hù)層內(nèi)的垂直應(yīng)力也出現(xiàn)一定下降，由此造成下部被保護(hù)層增透效果減弱。對(duì)于高瓦斯、低滲透性煤層而言，提高開(kāi)采速度不利于下部煤層的瓦斯解吸。此時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題是：第一，要綜合考慮開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益，以及對(duì)上覆巖層巖溶結(jié)構(gòu)的影響、對(duì)下部煤層瓦斯解吸的影響等因素，根據(jù)收益最大化選擇合理的開(kāi)采速度；第二，對(duì)于高瓦斯礦井而言，若當(dāng)順序式自上而下的保護(hù)層開(kāi)采依然沒(méi)有達(dá)到預(yù)期卸壓增透目的時(shí)，則可考慮在保護(hù)層開(kāi)采的同時(shí)輔以其他卸壓增透手段，如二氧化碳致裂、水力致裂等技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際瓦斯抽采情況動(dòng)態(tài)調(diào)整相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

3.2 開(kāi)采方向的影響

16煤采用后退式開(kāi)采，18煤采用后退式和前進(jìn)式開(kāi)采。16煤開(kāi)采后，18煤不同開(kāi)采方向時(shí)各測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力演化曲線如圖7所示。

(a)后退式開(kāi)采

(b)前進(jìn)式開(kāi)采

由圖7可知，在16煤開(kāi)采后，18煤卸壓后的應(yīng)力一般要低于其原巖應(yīng)力。但18煤采用與16煤相同的后退式開(kāi)采，或相反的前進(jìn)式開(kāi)采順序，18煤內(nèi)的應(yīng)力量級(jí)和應(yīng)力分布并不相同。18煤后退式開(kāi)采時(shí)，二次開(kāi)采擾動(dòng)影響整體相對(duì)較小，其中18A～18E測(cè)點(diǎn)位置的最大峰值應(yīng)力均小于原巖應(yīng)力，僅有18E測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力接近原巖應(yīng)力。而當(dāng)18煤采用前進(jìn)式開(kāi)采時(shí)，18D、18A兩測(cè)點(diǎn)位置的峰值應(yīng)力均超過(guò)原巖應(yīng)力，其中18A測(cè)點(diǎn)位置的峰值應(yīng)力甚至高于16煤開(kāi)采所引起的18煤中應(yīng)力調(diào)整的峰值應(yīng)力。而且，當(dāng)采用前進(jìn)式開(kāi)采時(shí)，18A測(cè)點(diǎn)位置處于開(kāi)采的盡頭邊界，此時(shí)煤體作為承載體的范圍較小，越靠近終采線，則煤體內(nèi)的采動(dòng)應(yīng)力可能更高。因此，18煤采用與16煤相同的開(kāi)采方向，相對(duì)而言安全性更高。

4 結(jié)論

1)巖溶結(jié)構(gòu)造成頂板應(yīng)力突變，突變位置在巖溶與非巖溶邊界區(qū)域較為明顯。開(kāi)采煤層內(nèi)的垂直應(yīng)力在巖溶正下方相對(duì)較小，但外圍可能較大，因此應(yīng)在到達(dá)巖溶結(jié)構(gòu)正下方以前就須做好防災(zāi)準(zhǔn)備。

2)淺埋近距離上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)下部被保護(hù)層起到較好的卸壓作用，但增透效果較為有限。

3)適當(dāng)提高開(kāi)采速度有助于緩解頂板的高應(yīng)力狀態(tài)，但也會(huì)造成下部被保護(hù)層增透效果減弱。下部煤層采用與上部煤層相同的開(kāi)采方向時(shí)，安全性相對(duì)更高。