條帶開采下近距離煤層開采覆巖應(yīng)力變化規(guī)律數(shù)值模擬研究

趙曄　楊盛皓　周裕如　楊軍　許猛堂

摘要：指出了山西某礦2煤開采采用條帶開采，2煤層和2下煤層相距3.5 m，為進(jìn)行近距離煤層開采，通過建立數(shù)值模型，研究了2煤層工作面條帶開采后對2下煤層工作面開采覆巖應(yīng)力的影響規(guī)律，分析得出了2下煤層工作面礦山壓力受影響的范圍，為2下煤層工作面開采奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：條帶開采； 近距離煤層； 覆巖應(yīng)力變化

中圖分類號：TD325

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2017）20014904

1工程概況

近年來，由于資源開采力度增大，礦山開采的安全事故也與日俱增，近距離煤層的開采一直是煤炭開采的難點(diǎn)之一，且近距離煤層開采，層理、節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)定性差，掘進(jìn)和回采時(shí)頂板不易維護(hù)，易發(fā)生事故。

由于控制地表沉陷，山西某礦2煤開采采用條帶開采，2煤層與2煤下相距3.5 m，屬于近距離煤層。在2煤開采過程中將會對覆巖造成集中應(yīng)力，對將來2煤下開采造成影響。兩煤層的具體情況如下。

（1）2號煤層。該煤層位于山西組中部，距山西組底砂巖（K7）約1.3～9.7 m，平均3.4 m。煤層厚度穩(wěn)定，局部受河道砂巖的沖刷（建造內(nèi)沖刷）形成NE向的厚度變薄帶，西部因風(fēng)化剝蝕厚度變薄乃至尖滅。煤層穩(wěn)定，厚1.80～4.31 m，平均3.37 m，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含夾石0～3層，夾石厚0.05～0.5 m，為富含碳質(zhì)泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，全區(qū)可采。

（2）2煤下。該煤層位于山西組中下部，距山西組底砂巖（K7）約4.3～13.7 m，平均7.4 m。煤層厚度不夠穩(wěn)定，且上層泥巖抗壓強(qiáng)度較小，不夠穩(wěn)定，且傾角相對2煤較大，因此開采覆巖應(yīng)力變化反應(yīng)應(yīng)比2煤較為劇烈。煤層不穩(wěn)定，厚0.89～1.81 m，平均1.5 m。

2模型建立

2.1實(shí)驗(yàn)原型

以山西某礦為實(shí)驗(yàn)原型，煤2煤層和 煤2下 煤層為近距離煤層開采 ，根據(jù)規(guī)劃的兩層煤工作面布置，煤層為水平煤層。

2.2數(shù)值模擬方案

為充分考慮2煤層條帶開采對2煤下工作面開采的影響，共提出2種開采方案，見表1。表中的條帶開采方案針對不同的采出率進(jìn)行模擬，從而得出在不影響社會關(guān)系條件下選擇經(jīng)濟(jì)效益最大化的最佳方案。

2.3模型建立

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬是目前研究礦山采場覆巖移動規(guī)律的重要方法之一。建立模型如圖1所示，

在巖層移動數(shù)值模擬中，限于數(shù)值模擬軟件可運(yùn)行單元數(shù)的限制或?yàn)榱斯?jié)約機(jī)時(shí)，通常采用與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)相類似的簡化方法。根據(jù)切眼所處的地質(zhì)條件，建立切眼剖面—平面應(yīng)變模型。模型兩側(cè)面為滑動支承，底部為固定支承。

2.4各巖層力學(xué)參數(shù)確定

各巖層力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3對比分析

3.1地表沉陷分析

（1）采高3.2 m，采40 m留70 m的模擬結(jié)果如圖2所示。

（2）采高3.2 m，采50 m留70 m的模擬結(jié)果如圖3所示。

兩種方案的地表變形指標(biāo)極值如表3所示，磚泥結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級表見表4。

3.2分析結(jié)果

（1）在2煤采高3.2 m的條件下，兩種方案皆可行，但是明顯第二種采50 m留70 m的方案采出率明顯高于第一種采40 m留70 m的方案，方案一達(dá)到了建筑物損壞的I級標(biāo)準(zhǔn)，采出率為36.4%，從經(jīng)濟(jì)方面考慮的話，方案一采出率較低，方案二根據(jù)模擬結(jié)果顯示地表變形的各指標(biāo)值在建筑物損壞Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，雖然第二種方案的建筑物破壞程度高于第一種方案的，但是兩者之間的破壞程度都是在可接受范圍之內(nèi)，從經(jīng)濟(jì)方面考慮的話，第二種方案高于第一種方案（第二種方案采出率為41.7%），根據(jù)建筑物損壞等級和采出率方面考慮，較為優(yōu)的選擇方案為采50 m留70 m。

損壞地表變形值

等級建筑物損壞程度水平變形ε/（mm/m）曲率K/（10-3/m）傾斜i/（mm/m）損壞分類結(jié)構(gòu)處理

Ⅰ 自然間磚墻上出現(xiàn)寬度1～2 mm的裂縫。≤2.0≤0.2≤3.0極輕微損壞不修

自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于4 mm的裂縫；多條裂縫總寬度小于10 mm。輕微損壞簡單維修

Ⅱ 自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于15 mm的裂縫，多條裂縫總寬度小于30 mm；鋼筋混凝土梁、柱上裂縫長度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20 mm；磚柱上出現(xiàn)水平裂縫，縫長大于1/2截面邊長；門窗略有歪斜。≤4.0≤0.4≤6.0輕度損壞小修

Ⅲ 自然間磚墻上出現(xiàn)寬度小于30 mm的裂縫；多條裂縫總寬度小于50 mm；鋼筋混凝土梁、柱上裂縫長度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50 mm；磚柱上出現(xiàn)小于5 mm的水平錯(cuò)動；門窗嚴(yán)重變形。≤6.0≤0.6≤10.0中度損壞中修

Ⅳ 自然間磚墻上出現(xiàn)寬度大于30 mm的裂縫；多條裂縫總寬度大于50 mm；梁端抽出小于60 mm；磚柱出現(xiàn)小于25 mm的水平錯(cuò)動。>6.0

>0.6>10.0嚴(yán)重?fù)p壞大修

自然間磚墻出現(xiàn)嚴(yán)重交叉裂縫、上下貫通裂縫，以及墻體嚴(yán)重外鼓、歪斜；鋼筋混凝土梁、柱裂縫沿截面貫通；梁端抽出大于60mm；磚柱出現(xiàn)大于25mm的水平錯(cuò)動；有倒塌危險(xiǎn)。極度嚴(yán)重?fù)p壞拆建

（2）2下煤層工作面向2煤層工作面接近，兩煤層工作面的覆巖應(yīng)力變化劇烈，其礦壓顯現(xiàn)也越劇烈。根據(jù)建立模型數(shù)據(jù)分析如圖2所示采40 m，留70 m條帶開采方法，圖中所示數(shù)據(jù)：在2煤開采的影響下，2煤下的覆巖應(yīng)力的最大垂直應(yīng)力為19.50 MPa，采50 m留70 m的模擬結(jié)果所示在2煤開采的影響下覆巖應(yīng)力變化如圖3所示，2煤下的覆巖應(yīng)力的最大垂直應(yīng)力為17.65 MPa.所以根據(jù)兩種方案最大垂直應(yīng)力選擇第二種方案較優(yōu)。endprint

綜上所述，綜合多方面考慮因素，選擇第二種方案較為優(yōu)。

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