淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)下覆巖運(yùn)動(dòng)及裂隙演化規(guī)律分析

白亞光

(山西古縣金谷煤業(yè)有限公司， 邢臺(tái) 河北 054000)

1 前言

煤層開(kāi)采后，頂?shù)装鍘r層的原巖應(yīng)力遭到破壞，應(yīng)力隨著頂?shù)装鍘r層的移動(dòng)和變形重新分布 ，相較于單一開(kāi)采，重復(fù)采動(dòng)造成的覆巖破壞、移動(dòng)和變形更加復(fù)雜，因此也帶來(lái)更加難以解決的礦山壓力和瓦斯抽采等問(wèn)題[1-4]；再加上貴州煤層賦存條件大都比較復(fù)雜，具有煤層厚度薄、瓦斯含量較大等特點(diǎn)[5]。

目前，對(duì)于重復(fù)采動(dòng)下覆巖運(yùn)動(dòng)的主要研究有：楊濱濱等[6]通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)近距離煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖裂隙的時(shí)空演化特征進(jìn)行分析；張磊等[7]使用自制的瓦斯測(cè)試儀對(duì)煤層群重復(fù)采動(dòng)作用下被保護(hù)層的滲流特性進(jìn)行分析；崔峰等[8-9]使用相似模擬、數(shù)值模擬、監(jiān)測(cè)設(shè)備等對(duì)緩傾斜沖擊傾向性頂板特厚煤層裂隙演化進(jìn)行了分析；高林等[10]使用數(shù)值模擬對(duì)近距離煤層群重復(fù)采動(dòng)下半煤巖上山圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的時(shí)空分布進(jìn)行了分析；吳祥業(yè)等[11]通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，分析了重復(fù)采動(dòng)巷道圍巖塑性區(qū)及應(yīng)力時(shí)空演化規(guī)律，得出重復(fù)采動(dòng)巷道塑性區(qū)變化的動(dòng)- 靜組合機(jī)制；李金雨等[12]通過(guò)微震系統(tǒng)分析了爆破采動(dòng)、煤體壓出和煤壁片幫的響應(yīng)特征；張永剛等[13]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬分析的方法分析了厚松散層薄基巖重復(fù)采動(dòng)下的覆巖破壞高度；張明[14]通過(guò)關(guān)鍵層理論，研究了重復(fù)采動(dòng)下關(guān)鍵層垮落特征。涂敏等[15]采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)保護(hù)層和被保護(hù)局間隔較遠(yuǎn)情況下的下保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中，被保護(hù)層的應(yīng)力變化規(guī)律以及卸壓變形規(guī)律，最后得出保護(hù)層開(kāi)采對(duì)被保護(hù)層的卸壓保護(hù)范圍。高保彬等[16]以郭莊煤礦和寺河煤礦為工程背景，運(yùn)用相似模擬試驗(yàn)和礦井實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定相結(jié)合的方法，對(duì)下保護(hù)煤層開(kāi)采過(guò)程中上被保護(hù)煤層及底板透氣性變化進(jìn)行分析，得出下保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中國(guó)被保護(hù)層透氣性系數(shù)及瓦斯含量變化動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律。高保彬等[17]以郭莊礦中遠(yuǎn)距離下保護(hù)層煤層為工程實(shí)際背景，利用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)該礦井開(kāi)采條件中保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程期間上覆巖層裂隙演化和瓦斯?jié)B流規(guī)律進(jìn)行模擬研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證比較，得出該條件下的裂隙演化規(guī)律和瓦斯壓力變化規(guī)律。

以上研究往往只分析研究單一問(wèn)題，缺乏對(duì)淺埋煤層和薄煤層重復(fù)采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)及裂隙演化規(guī)律研究。本文通過(guò)使用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)山西省煤礦進(jìn)行重復(fù)采動(dòng)下覆巖運(yùn)動(dòng)及裂隙演化規(guī)律研究分析，旨在能夠有效了解覆巖運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，降低煤礦事故的發(fā)生。

山西某煤礦礦區(qū)面積27.508 1 km2，地形切割適中。可采煤層編號(hào)為D。井田內(nèi)D煤層厚度0.60～2.91 m，平均1.32 m，為薄煤層。2#煤層平均煤層厚度1.8 m，1#、2#煤層間距為20 m左右。

2 淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

由該煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和其煤礦的基本賦存條件，依此可以建立一個(gè)尺寸長(zhǎng)(x)×寬(y)=200 m×100 m的UDEC數(shù)值模擬模型，其中工作面傾向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，走向?yàn)閷挾确较颍荒Ｐ椭械膲K使用莫爾- 庫(kù)侖準(zhǔn)則來(lái)描述巖石材料的變形和失效過(guò)程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定了各巖層的基本物理參數(shù)，并且建立了如圖1所示的模型，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

表1 煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

此外，本文著重研究和分析淺埋煤層重復(fù)采動(dòng)下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此布置2條橫向設(shè)置的測(cè)線來(lái)記錄工作面推進(jìn)不同距離時(shí)的各數(shù)值的變化，2條測(cè)線分別位于1#煤和2#煤上覆巖層位置(直接頂)。

2.2 單層煤開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)模擬分析

選取1#煤層開(kāi)采過(guò)程中具有代表性的四個(gè)階段，具體如圖2所示。對(duì)比分析如下：當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí)，此時(shí)基本頂發(fā)生折斷和垮落，并且直接頂產(chǎn)生離層破壞，即為初次來(lái)壓，并且采空區(qū)周圍巖層發(fā)生彎曲變形，裂隙不斷發(fā)育；工作面推進(jìn)至50 m時(shí)，裂隙帶高度約為10 m；工作面推進(jìn)至80 m時(shí)，裂隙帶高度約為15 m，工作面推進(jìn)至140 m時(shí)，裂隙帶高度約為20 m；隨著工作面的不斷推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)工作面每次向前推進(jìn)約10 m，基本頂均會(huì)發(fā)生周期性破壞，周期來(lái)壓步距為10 m左右，1#煤層開(kāi)采完畢后裂隙帶高度約為20 m，垮落帶為5 m左右。

圖2 1#煤層工作面推進(jìn)不同距離覆巖運(yùn)動(dòng)情況

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中可以得知，本煤礦1#煤層上覆巖層為泥巖，覆巖特性為軟弱，其冒落帶高度和裂隙帶高度可使用以下計(jì)算公式[18-19]：

式中，Hk為冒落帶高度，Hli為裂隙帶高度，∑M為累計(jì)采厚，單層采厚1～3 m，累計(jì)采厚不超過(guò)15 m，±為誤差；代入數(shù)據(jù)采厚1.3 m可得為4.70～9.70 m，裂隙帶高度為6.46～19.46 m。

通過(guò)開(kāi)始設(shè)置在1#煤層的觀測(cè)線，對(duì)1#煤層工作面推進(jìn)不同距離直接頂位移情況進(jìn)行分析，如圖3所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至20 m時(shí)，上覆巖層的最大位移量在0.5 m左右，此時(shí)覆巖的運(yùn)動(dòng)并不劇烈；當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m時(shí)，此時(shí)為初次來(lái)壓，上覆巖層最大位移量為1.2 m左右，位移變化與之前相比有著很大的變化；隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層位移量也在不斷最大，當(dāng)1#煤層開(kāi)挖完畢時(shí)，上覆巖層位移量最大，約為1.6 m左右。

圖3 1#煤層工作面推進(jìn)不同距離覆巖位移情況

2.3 重復(fù)采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)模擬分析

對(duì)2#煤層模擬開(kāi)采不同距離時(shí)采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，選取開(kāi)采過(guò)程中具有代表性的四個(gè)階段，如圖4所示，當(dāng)2#煤層工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，基頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿煤壁發(fā)生折斷和垮落，即為初次來(lái)壓；工作面推進(jìn)至50 m時(shí)，裂隙帶高度約為40 m；工作面推進(jìn)至80 m時(shí)，裂隙帶高度約為60 m，工作面推進(jìn)至140 m時(shí)，裂隙帶高度約為73.5 m；隨著工作面的不斷推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)工作面每次向前推進(jìn)約10 m，基本頂均會(huì)發(fā)生周期性破壞，周期來(lái)壓步距為10 m左右，2#煤層開(kāi)采完畢后裂隙帶高度約為73.5 m，垮落帶為15 m左右。

圖4 2#煤層工作面推進(jìn)不同距離覆巖運(yùn)動(dòng)情況

通過(guò)開(kāi)始設(shè)置在1#、2#煤層直接頂(煤層上方2 m處)的觀測(cè)線，對(duì)2#煤層工作面推進(jìn)不同距離直接頂位移情況進(jìn)行分析，如圖5、圖6所示，當(dāng)2#煤層工作面推進(jìn)至30 m時(shí)，1#煤層直接頂?shù)淖畲笪灰屏吭? m左右，2#煤層直接頂?shù)淖畲笪灰屏吭?.7 m左右，此時(shí)覆巖的運(yùn)動(dòng)并不劇烈；當(dāng)2#煤層工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，此時(shí)為初次來(lái)壓，1#煤層直接頂最大位移量為2.5 m左右，2#煤層直接頂?shù)淖畲笪灰屏吭?.7 m左右，位移變化與之前相比有著很大的變化；隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層位移量也在不斷增加，當(dāng)2#煤層開(kāi)挖完畢時(shí)，1#煤層直接頂位移量最大，約為3.2 m左右，2#煤層直接頂位移量最大為1.8 m左右，與初次來(lái)壓相比增加量不大，主要是因?yàn)?#煤層直接頂也受到1#煤層開(kāi)采的卸壓作用。

圖5 2#煤層工作面推進(jìn)不同距離1#煤覆巖位移情況

圖6 2#煤層工作面推進(jìn)不同距離2#煤覆巖位移情況

3 相似模擬實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證淺埋煤層采動(dòng)下工作面頂?shù)装甯矌r運(yùn)動(dòng)及裂隙演化情況，本文采用相似模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析與研究。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備限制，結(jié)合具體煤礦要求，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的煤巖層根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤巖層物理力學(xué)參數(shù)沿煤層走向進(jìn)行鋪設(shè)，最終做出長(zhǎng)度1.2 m，寬0.5 m，高1.3 m，兩側(cè)分別預(yù)留10 cm煤柱保護(hù)，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 相似模擬實(shí)驗(yàn)材料配比

本文主要模擬了保護(hù)層受開(kāi)采影響時(shí)覆巖移動(dòng)變化的規(guī)律。如果選用高滲透性的相似材料，則會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大影響，故選用低滲透性的相似材料。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇石膏作為膠凝劑，相似材料為砂、石膏、膩?zhàn)臃酆退x用的材料按比例混合，建立實(shí)驗(yàn)室二維相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)挖完畢后得到如圖7所示的開(kāi)切眼模擬圖和圖8所示的相似模擬實(shí)驗(yàn)圖。

圖7 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M開(kāi)切眼

圖8 二維相似物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

由上圖可以看出煤層上方覆巖移動(dòng)時(shí)明顯出現(xiàn)“三帶”分布，即彎曲帶、斷裂帶、垮落帶。通過(guò)觀察可以看出，垮落帶高度為5 m左右，斷裂帶的高度為10 m左右。與數(shù)值模擬分析結(jié)果一致，故可證明實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。但由于之后操作不當(dāng)導(dǎo)致2#煤層開(kāi)采失敗，故本次相似模擬實(shí)驗(yàn)只有單層煤開(kāi)采數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文使用了UDEC數(shù)值模擬對(duì)該煤礦進(jìn)行重復(fù)采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)及裂隙演化規(guī)律進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)1#煤層開(kāi)采后，工作面初次來(lái)壓步距為30 m，大約每開(kāi)挖10 m形成一次周期來(lái)壓，周期來(lái)壓步距約為10 m；2#煤層開(kāi)采后，工作面初次來(lái)壓步距為40 m，大約每開(kāi)挖10 m形成一次周期來(lái)壓，周期來(lái)壓步距約為10 m，可見(jiàn)， 2#煤層工作面初次來(lái)壓步距大于工作面初次來(lái)壓步距。

(2)2#煤層開(kāi)采完畢后，1#煤層直接頂最大位移量為1.6 m，裂隙帶高度約為20 m，垮落帶為5 m左右；2#煤層開(kāi)采完畢后，1#煤層直接頂最大位移量為3.2 m，2#煤層直接頂最大位移量為1.8 m，裂隙帶高度約為73.5 m，垮落帶為15 m左右。