雙煤層工作面開采布置方式對采煤沉陷的影響

孫學陽，李玲華，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.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054；3.礦山地質災害成災機理與防控重點實驗室，陜西 西安 710054；4.自然資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

0 引 言

采煤沉陷災害嚴重威脅礦區的安全與協調發展，因此科學預防采煤沉陷的災害，對煤礦安全開采以及有效保護礦區生態環境具有重要意義[1-4]。國內外相關專家采用物理模擬、數值模擬及理論分析等方法，研究了煤層開采覆巖移動破壞過程，“三帶”發育規律及破碎巖體裂隙分形特征，對有效緩解采煤沉陷災害的發生奠定了理論基礎[5-14]。中國多數的礦井賦存有2層及以上的可采煤層，多煤層與單煤層采煤沉陷特征顯著不同。實踐證明，多煤層開采對覆巖造成多次復合破壞和擾動[15-19]。潘瑞凱等采用物理相似模擬與PFC 2D軟件研究了淺埋近距離雙厚煤層覆巖裂隙發育規律[20]；黃遠對雙煤層開采條件下，覆巖裂縫發育規律進行了深入研究[21]；李闊運用相似材料模擬和數值模擬手段，研究了雙煤層在不同采寬、不同間距條件下開采時覆巖的地表沉陷規律[22]；姜福興等提出雙煤層開采，采高增加會使采空區上方頂板“活化”，導致原鉸接平衡巖失穩[23]；李樹清等再現了重復開采條件下，覆巖裂隙發育發展的過程[24]；李樹剛等提出煤層重復開采時覆巖裂隙發育呈橢拋帶動態形態，并建立了裂隙變化模型[25]；張志祥等研究發現在雙層煤采動過程中，當下層煤工作面推進距離不斷增加，巖體裂隙分形維數經歷了從小到大再到小并穩定的變化過程[26]；侯恩科等采用PFC 2D軟件研究了淺埋雙煤層開采地表裂縫發育規律，認為在雙煤層開采中采高是影響覆巖破壞程度和地面裂縫發育程度的重要因素之一[27]。

相關學者對雙煤層采動的研究大多集中在煤層采動后覆巖裂隙發育規律和覆巖移動特征方面，雙煤層工作面開采布置方式對采煤沉陷的影響仍需做進一步的研究。基于此，筆者以安山煤礦4103工作面雙煤層開采為工程背景，分別建立了雙煤層開采物理相似材料模型和FLAC3D數值模型，分析雙煤層在不同工作面布置條件下開采對采煤沉陷的影響，以期為科學預防采煤沉陷災害的發生提供參考。

1 相似材料模擬實驗

安山煤礦大地構造位于華北地臺鄂爾多斯盆地東緣河東斷褶帶西側。井田內地形切割強烈，大部分緩坡、山梁被新近系紅土和第四系黃土所覆蓋，溝谷、陡坡為基巖出露區，可采煤層為3-1號煤，厚度3.85～6.90 m，平均5.0 m，是近水平煤層；其次為3號煤，厚度0.87～4.32 m，平均2.5 m是近水平煤層。3-1號煤為上層煤，3號煤為下層煤。

1.1 確定實驗參數

以安山煤礦4103工作面3號煤和3-1號煤為研究對象，進行相似材料模擬實驗。

通過在3-1號煤中布置2個工作面，兩工作面中分別留設20 m和40 m的煤柱，在3號煤中布置一個工作面，該工作面中心與上層煤留設的煤柱中心重合，構建了雙煤層工作面的2種布置方式，研究雙煤層工作面開采布置方式對采煤沉陷的影響。

實驗所用臺架為一種鋼架結構，規格為2 m×2 m×0.2 m，模擬地層所用材料包括：河沙、石膏、大白粉和白云母片等，結合煤系賦存地區，地層結構的一般特點，對不同硬度的巖層進行模擬。實驗建立的模型厚度和巖石力學參數見表1。

表1 模型厚度及巖石力學參數統計

1.2 實驗過程

模型幾何相似比1∶250。本次實驗分別建立模型一和模型二，兩模型均在3-1號煤上布置第1和第2工作面，在3號煤中布置第3工作面，先采上層3-1號煤，再采下層3號煤，在3號煤與3-1號煤正中間布置第一排測點，在3-1號煤以上25 m處布置第二排測點，在地表布置第三排測點。各排測點間距為25 m。其中模型一留設煤柱寬度為20 m，模型二留設煤柱寬度為40 m(圖1)。

圖1 工作面布置

煤層在開挖過程中，上覆巖層發生垮落，且隨著開挖距離的增大，垮落范圍也在不斷擴大。不同工作面發生初次垮落的時間不同，當模型一3-1號煤第1，2個工作面分別推進至62.5和75 m時，頂板發生初次垮落，3號煤工作面頂板初次垮落發生在工作面推進至75 m時(圖2(a))。模型二3-1號煤在2個工作面均推進至75 m時，工作面頂板發生初次垮落，3號煤工作面頂板初次垮落發生在其工作面推進至87.5 m時(圖2(b))。模型一3號煤在工作面推進至150 m時,裂隙帶高度為61.25 m,垮落高度為26.25 m(圖2(c))。模型二3號煤工作面推進至145 m時,裂隙帶高度為53.25 m,垮落高度為24.5 m(圖2(d))。

圖2 模型工作面推進覆巖移動變形

1.3 實驗結果

1.3.1 覆巖破壞特征對比

由于工作面間疊置關系和留設煤柱寬度不同，3-1號煤對3號煤所產生的影響程度不同，模型一3號煤對比模型二3號煤首次發生離層以及初次垮落的時間均有所提前，垮落高度也較大。模型開采過程中巖層破壞對比見表2。

表2 覆巖破壞統計表

1.3.2 覆巖下沉規律

根據實驗所得數據，繪制不同模型開采后的地表下沉曲線如圖3所示。

圖3 模型煤層頂板下沉曲線

分析地表位移變化曲線可以得出，模型一中地表下沉位移值在4號、6號監測點處較大，對應工作面中心處，5號點位于煤柱上方，此處下沉值最小，并分別以4號、6號監測點為中心，下沉值向兩側逐漸減小。模型二分別在13號、18號處，地表下沉值最大，由于留設煤柱的影響，位于煤柱上方的16號測點下沉值最小，且分別以13號、18號監測點為中心，下沉值向兩側逐漸減小(圖3)。

模型一與模型二地表下沉曲線形態都呈“W”型，但對比發現其形態又有所差異，模型一留設煤柱寬度較小，其地表下沉曲線顯示覆巖中心未下沉的區域較窄，而模型二留設煤柱寬度相較于模型一較大，其地表下沉曲線所顯示覆巖中心處未下沉的區域較寬。由此可知，在煤層開采過程中留設煤柱寬度大小對地表下沉量有一定影響，具體表現為在開采方式、程度等均相同的條件下，工作面留設煤柱寬度越大，其抵抗覆巖變形能力越強，可以承受的覆巖壓力范圍越大，地表下沉值越小。

2 雙層煤開采數值模擬

煤層在開采過程中，由于圍巖失去了原有的力學平衡，在自重作用下，逐漸出現彎曲、張裂與冒落等現象。采用FLAC3D軟件，模擬不同工作面煤層開采過程中圍巖的應力應變特征，與物理相似材料模擬實驗結果進行對比論證，分析其開采過程中擾動破壞機理。

2.1 模型建立

根據安山煤礦4103工作面的實際地質情況，建立有限元三維數值模型，模型上覆巖層物理力學參數、工作面布置情況與其相似材料模擬一致。

2.2 數值模擬結果

2.2.1 塑性區發育高度

從圖4(a)中可以看出，兩模型在開采3-1號煤過程中，采空區上方頂板均首先出現剪切破壞，塑性區整體破壞程度不大，模型二相比于模型一其沿x方向所產生的剪切破壞范圍變大，而沿z方向的剪切破壞范圍有所減小。隨著3號煤工作面開始推進，兩模型采空區兩端邊緣處開始出現拉張破壞，且采空區上方的剪切破壞與拉張破壞均顯著發育。

圖4 雙層煤開采后覆巖塑性區分布

由于留設煤柱寬度增大，模型二相較于模型一其覆巖下沉量變小且各應力破壞范圍減小。將煤層開采結束后的最大主應力圖與塑性區形態圖進行對比得出，模型一裂隙帶高度為65.5 m，垮落帶高度為29.7 m；模型二裂隙帶高度為55.25 m，垮落帶高度為28.6 m。

2.2.2 覆巖下沉規律

在煤層開采過程中兩模型頂板上覆巖層下沉量均在不斷增大，但模型二相比于模型一下沉影響范圍較小；當煤層開挖至靠近留設煤柱時，兩模型覆巖下沉值大小幾乎相同，隨著工作面繼續向前推進，由于留設煤柱寬度的不同，模型覆巖下沉曲線開始出現明顯的不同，采空區上方巖層下沉值都有不同程度的增大，在左右兩側煤柱以及中間留設煤柱附近，覆巖下沉值增量相對較小，可得出覆巖寬度對覆巖穩定性起重要影響。

2.2.3 主應力分布特征

煤層開采過程中，采空區覆巖主應力以拉應力為主，形態呈現出中間高而兩側低的特征(圖5紅色區域)。隨著煤層采動繼續進行，覆巖垮落、卸荷所產生的應力影響逐漸增大，上覆巖層的拉張應力逐漸向煤柱處集中，模型一3-1號煤開采完成時，拉張應力峰值出現在煤柱中心上方，大小為5.25 MPa，模型二應力峰值也出現于留設煤柱上覆巖層，應力峰值達5.16 MPa。對比兩模型3-1號煤開采完成時的應力分布現象可知，留設20 m煤柱開采的模型一，相較于留設煤柱40 m開采的模型二應力集中現象更明顯，在圖中表現為煤柱上方應力集中區內，呈紅色的范圍更大(圖5)。

圖5 3-1號煤開采后最大主應力

3號煤開采完成后，3-1號煤采空區之上的應力集中現象基本消失，最大主應力集中于3號煤上方，此時模型一與模型二的應力峰值區均出現在3號煤采空區中心上方覆巖中(圖6紅色區域)，模型一應力峰值躍升至9.88 MPa，模型二的應力峰值躍升至9.00 MPa。此時對比兩模型的應力分布現象可得，模型一相較于模型二，應力作用現象更明顯，則模型一中3號煤采空區上方的應力作用相對于模型二較強，最大主應力集中范圍更大，圖中紅色區域更大，即留設20 m煤柱的開采方式下，煤層覆巖的應力集中現象更明顯。

圖6 雙層煤開采后最大主應力

3 對比分析

由數值模擬各巖層應力變化情況可知，留煤柱開采會影響工作面覆巖拉應力的分布，3-1號煤開采完成時，由于煤層中心留設煤柱的支撐作用，工作面覆巖拉應力分布呈現“W”型(圖5)，對應相似材料實驗中煤層頂板覆巖下沉曲線形態呈現“W”型(圖3)。模型一、模型二中的3號煤、3-1號煤全部開采完成后，兩者應力集中現象皆基本趨于穩定，對應相似材料模擬實驗開采完成時煤層覆巖的垮落現象，即采空區內部空間已經被基本壓實。其中，模型一應力作用相比于模型二較大，在數值模擬中表現為采空區上方應力集中區內紅色區域范圍的擴大。

相似材料模擬試驗結果顯示，在留設20 m煤柱時，覆巖裂隙帶發育高度為61.25 m，垮落帶高度為26.25 m；留設40 m煤柱時，裂隙帶高度為53.25 m，垮落帶高度為24.5 m。數值模擬結果顯示，在留設煤柱為20 m時，裂隙帶高度為65.5 m，煤層覆巖垮落帶高度為29.7 m；留設40 m煤柱時，裂隙帶高度為55.25 m，垮落帶高度為28.6 m。通過兩種方法得到的垮落帶高度與裂隙帶高度結果基本一致。

雙煤層在留煤柱開采時，煤柱留設寬度越小，兩煤層的疊置區域越大，壓力差越大，煤層開采后覆巖的破壞范圍越大，覆巖下沉值就越大。因此，在布置工作面時，適當增大留設煤柱的寬度，可以減緩覆巖移動破壞范圍和破壞程度。

4 結 論

1)在雙煤層開采過程中，隨著留設煤柱寬度的增大，煤層頂板上覆巖層下沉量減小，且下沉曲線形態呈現出“W”型，垮落帶高度與裂隙帶高度也隨之減小。

2)數值模擬過程表明，在煤層開采過程中，工作面上覆巖出現應力變化，主要以拉張應力為主，使得工作面上覆巖出現移動變形，隨著留設煤柱寬度的增加，煤柱上方的應力持續減小，采空區正上方應力值，隨著煤柱寬度的增加而減小。