不同間距多煤層開采覆巖破壞特征的數(shù)值模擬

沈永炬，黃 遠

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤系地層可分為單一煤層和煤層群等地層。目前礦業(yè)界的研究主要集中在單一煤層開采的礦山壓力顯現(xiàn)及其控制上[1-2]，對煤層群開采過程中沉陷特點及相互影響規(guī)律的研究還相對較少，特別是近距離多煤層開采相互間具有顯著影響。隨著煤炭企業(yè)的開采強度逐年增大，礦井平均采深增加，有些煤礦的開采是在已采煤層之下再進行開采，或者實行上下兩煤層聯(lián)合開采，形成了多煤層開采問題[3-4]；多煤層開采上覆巖土層的運移規(guī)律、下煤層開采時上覆巖層的破壞形態(tài)等問題有待深入研究。

1 研究區(qū)地層條件特征

山西柳林某煤田揭露的地層有第四系、第三系、二疊系山西組等。第四系平均厚度在35.05m，主要為亞黏土、亞砂土，夾有鈣質(zhì)結(jié)核，石英顆粒成分較多，黏土質(zhì)較少，也可稱微粒砂質(zhì)亞黏土。第三系平均厚度53.39m，底部為洪積相，為半膠結(jié)狀砂礫層，礫石成分主要為石灰?guī)r、石英巖；中、上部為洪積相、湖泊相，主要為砂質(zhì)黏土、亞黏土及黏土，與下伏地層呈角度不整合接觸。含煤地層二疊系山西組揭露平均厚度為60.80m，其變化為東南、西北部較厚，中部較薄。巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中～細粒砂巖，含煤5～10層，在礦區(qū)北部，3、4號煤合并，稱為3+4號煤。礦區(qū)內(nèi)以3、4、5號煤層發(fā)育最佳。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

影響多煤層上覆巖層的移動不僅和煤層間距有關(guān)，還和煤層的開采方式、上下煤層條帶等多因素有關(guān)。為主要進行研究不同煤層間距對巖層的影響，將其他的因素理想化，模型中上下煤層的巷道互相對齊，且采取開采寬度相同。用有限差分法對煤層開采和巖層的沉陷進行模擬，模型采用彈塑性材料模型，參數(shù)取值依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)鉆孔資料和巖石力學(xué)試驗結(jié)果。為消除邊界效應(yīng)，三維模型的長度200m，寬度200m，上部煤層開采高度4m,下部煤層開采高度3m,上部煤層頂板厚度103m，下部煤層底板底部巖層厚度為14m，模型兩邊各取60m 的邊界。模型側(cè)面限制水平移動，底面限制垂直移動，上部施加上部巖層的自重應(yīng)力。煤層間距分別取6m、15m、30m。

2.2 模擬分析

當(dāng)煤層開采時，周圍巖層失去平衡，在應(yīng)力重分布的作用下產(chǎn)生變形和移動。整個過程一般與開采深度、開采厚度、開采方式、頂板管理方法及巖石物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)采煤結(jié)束后，地表移動還將持續(xù)一段時間，隨著時間的推移，最終達到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

由煤層間距分別為6m、15m、30m的垂向位移中可以看到不同間距煤層開采時覆巖在豎直方向位移的變化情況。對比分析，煤層間距6m時，上部煤層頂板受到的影響范圍明顯比15m和30m的間距要大。根據(jù)對兩煤層間巖層的模擬監(jiān)測，6m間距時，巷道上部覆巖層的垂直位移量最小值為3.016m，大于下部煤層的厚度3m，煤層間巖層垮落。

為不同間距煤層開采水平位移量，可看出水平位移曲線關(guān)于中心成對稱，模擬監(jiān)測水平位移動最大值分別約為1.501m、1.443m、1.412m，水平位移受多種因素控制，煤層上方的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育存在應(yīng)力拱現(xiàn)象可會對水平位移產(chǎn)生影響，由模擬觀測，水平位移呈現(xiàn)隨煤層間距增大而減小的特點。不同間距水平位移可見，距上部煤層頂板11～13m水平位移明顯變化，判定為上部煤層垮落帶高度，且水平位移在上部煤層垮落帶形成時達到最大值。

3 不同間距多煤層開采水平變形

覆巖層的水平移動量沿走向呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢，6m、15m、30m煤層間距的覆巖層水平移動量整體上關(guān)于中心對稱，見圖1。覆巖層中心的水平移動量分別為0.566m、0.262m、0.097m，當(dāng)超出變形影響的一定范圍時，覆巖近似不發(fā)生水平移動。圖2為反應(yīng)覆巖層的水平移動與煤層間距的關(guān)系曲線。

模擬中簡化處理煤層的開采方式、上下煤層的設(shè)置及布置等因素，直接反應(yīng)間距的變化對煤層的影響，開采沉陷穩(wěn)定后覆巖層的沉陷特征如圖3所示。不同煤層間距下，覆巖層同一位置的相對下沉量呈現(xiàn)隨著間距的增大而增大的特點，如圖4所示。分析可知，當(dāng)上下煤層間的巖層厚度增大，巖體的自重應(yīng)力也會隨之增大，在開采條件相同的情況下，巖層會形成相對較大的垮落帶，對上覆巖層沉陷量的影響會隨之增加。

圖1 上部覆巖層的水平變形曲線

圖2 上部覆巖層最大水平移動量與煤層間距關(guān)系

圖3 上部覆巖層垂向變形曲線

圖4 上部覆巖層最大下沉量與煤層間距的關(guān)系

4 不同間距多煤層開采垂向變化

既定條件下，多煤層的開采對上覆巖層的垂向位移、水平移動、沉降速度等較單一煤層的開采影響程度明顯加大，圖5為不同間距巖層的下沉量與深度的關(guān)系曲線。多煤層開采，上部煤層的上覆巖體具有沉陷連續(xù)性，隨深度的沉降量在較小范圍內(nèi)漸變，深度達到上下煤層的中間巖層時沉陷發(fā)生突變，煤層的開采和應(yīng)力場的綜合影響下，使煤層間的巖層沉陷、坍塌，不具有和上覆巖體沉陷連續(xù)性的特征。模擬監(jiān)測隨著煤層間距的增大，上下煤層間巖層的最大沉陷值分別為5.112m、6.553m、7.642m。

圖5 下沉量隨深度的變化情況

5 工程實例

研究區(qū)某礦井在建筑物下的多煤層試采工作面煤層間距15m，上部煤層采高4m,下部煤層采高3m,根據(jù)地表巖移觀測站測的數(shù)據(jù)分析得到,上部覆巖的最大水平變形為0.242mm,最大沉陷為6.12m,比數(shù)值模擬預(yù)計的偏差不大。理論與實測數(shù)據(jù)的對比，也證實了利用數(shù)值模擬方法預(yù)計地表沉陷變形的可行性。

6 結(jié)論

1) 數(shù)值模擬能較直觀呈現(xiàn)開采過程中覆巖的移動變形情況，與現(xiàn)場的數(shù)據(jù)對比也證明了數(shù)值模擬預(yù)計覆巖破壞的可行性，如果能反映工程環(huán)境的客觀條件，就能更準確的預(yù)計開采引起的覆巖破壞。

2) 僅討論煤層間距對開采沉陷影響的條件下，6m的煤層間距在上覆巖層有較大的影響范圍，且在一定的間距范圍內(nèi)，上覆巖層垂向移動量有隨煤層間距增大而增大的趨勢。

3) 多煤層開采水平移動采空區(qū)中心對稱，上覆巖層的水平移動量沿走向呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢。模擬中，采空區(qū)中心上方上覆巖層的水平移動量隨煤層間距的增大而減小的特點，移動量分別為0.566m、0.262m、0.097m。

4) 上部煤層的上覆巖體隨深度增加其下沉量的變化比較緩和，上下煤層的中間巖層與上覆巖體不具有下沉連續(xù)性，下沉量明顯變大。

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