貴州喀斯特條件下近距離煤層開采覆巖活動規律數值模擬研究

劉潔　周上苑　張成　汪承亮　商攀

摘要：為了研究近距離煤層開采的覆巖活動規律，通過數值模擬計算，得出了近距離煤層開采中，煤層中間間距變化對采場圍巖應力分布規律、位移變化及變形破壞特點。研究結果表明：近距離煤層不同煤層間距條件下，覆巖下沉變形量隨著煤層間距的增大而減小，礦壓顯現隨著煤層間距的減小而明顯，該結論對于相關的煤炭開采工作具有重要參考意義。

關鍵詞：近距離煤層;覆巖活動規律;數值模擬;礦壓顯現規律

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：16 74-9944（ 2020） 2-0193-03

1 引言

運用FLAC數值模擬研究的方法，分析了近距離煤層開采過程中地表和覆巖應力分布規律、位移變化及變形特征。近距離煤層在世界上非常普遍，在我國大多數礦區中，多數礦區的可采煤層都大于5層;提高煤的開采率，合理的使用煤炭資源對于煤炭資源的開采與抱回有著長遠的意義。多年來的開采，很多地區淺埋煤田的主采煤層已經或即將采完，部分礦區已開始回采下一層主采煤層（下煤層）。特別是上下層垂直間距很小時，下煤層開采前頂板巖層受上煤層開采后的影響產生不同程度的損傷破壞，導致下煤層開采引起的覆巖運移、采動應力演化超過垂直距離遠的遠距離煤層。在近距離煤層開采中，相互之間的影響非常大，危險系數非常高。

相關學者對近距離煤層開采時覆巖裂隙變化與應力的分布等問題進行了研究，取得了一系列成果。李勇[1]等研究了對于近距離煤層開采時的覆巖裂縫發育和演化機理;郭建清[2]等針對地質條件，采用巖層鉆孔探測儀，實測近距離煤層同采過程中覆巖的破壞分布規律;劉春波[3]等主要分析馬蘭礦近距離煤層開采圍巖采動應力分布特征;王宗林[4]等探索了淺埋煤層開采覆巖下沉位移與應力分布特征;杜煒[5]等主要研究了在上分層破壞區條件下的工作面覆巖活動規律;周勁峰[6]等研究了極近距離煤層聯合開采采場覆巖活動特征及礦壓顯現規律;孫力[7]、左衛華[10]等分析了近距離煤層群下行開采覆巖運移特征試驗;楊軍等[8]采用經驗公式對近距離煤層開采覆巖導水裂隙帶高度模擬進行了研究;張勛等[9]用相似模擬實驗研究了縱深大區域煤層群開采覆巖活動規律相似模擬。

2 工程背景

貴州某礦位于畢節市，屬溶蝕一侵蝕性中低山溝谷地貌，地貌起伏較大。可采煤層M7、M9兩層，M7煤層已開采完畢，現主采煤層M9，由于在M7煤層開采過后，其覆巖發生較大的活動，且M7煤層和M9煤層上下垂直高度是15～20 m，本項目就該煤層近距離煤層開采覆巖活動規律進行數值和模擬研究。

3 建立模型

3.1 各巖層力學參數

各巖層力學參數見表1。

3.2 模型巖層范圍確定

根據該礦的地層信息，以及此次所研究的主題，建立的模型中，考慮煤層的地理位置及M7和M9兩煤層之間的巖層和巖性。根據需要建立模型如圖1所示。

4 開挖模擬方案

為達到研究目的地，本課題采取5種開采方案，以數值模擬得出的覆巖活動規律和礦壓顯現規律。主要分析在豎直方向上的覆巖活動規律和礦壓顯現規律。開采方案如表2所示。

4.1 上層覆巖活動規律和礦壓顯現規律

先從不同間距的位移云圖和不同間距的應力云圖對近距離煤層開采中分析對上層覆巖活動規律和礦壓顯現規律。

4.1.1 位移云圖分析

現對10 m和20 m位移云圖進行分析，10 m位移云圖如圖2，20 m位移云圖如圖3。

從圖2和圖3可以看出：煤層開采后，其位移都產生較大的變化，下沉最大量在中部，10 m、20 m開采方案的最大下沉值分別為6. 602 m、6.223 m。所以圖2的覆巖活動比圖3更加明顯，受到開采后的影響更大。

4.1.2 應力云圖分析

現對10 m云圖進行分析，10 m應力云圖如圖4，20m應力云圖如圖5。

從圖4和圖5可以看出煤層開采后都是兩側的垂直應力最大，10 m、20 m的最大礦壓值分別為34. 29MPa、28. 86 MPa。所以圖4的礦壓顯現比圖五的礦壓顯現更加明顯。開采后的影響更大。

4.2 煤層不同間距的位置

4.2.1 煤層不同間距豎直方向位移模擬結果

煤層不同間距堅直方向位移變化如圖6所示。

4.2.2 煤層不同間距y方向應力模擬結果

煤層不同間距y方向應力變化如圖7所示。

4.3 方案結果與分析

4.3.1 位移模擬結果與分析

從圖6可知，近距離煤層不同煤層間距條件下，覆巖下沉變形規律大致相同，都呈現下凹形狀曲線，但最大下沉量略有不同，5m、10 m、15 m、20 m、25 m分別為6. 912 m、6.602 m、6.379 m、6.223 m、6.109 m。覆巖最大下沉量一般發生在工作面的中部。隨著煤層距離的增加，覆巖最大下沉量會加大，煤層間距越小，覆巖活動越大，對工作影響越大。

4.3.2 應力模擬結果與分析

從圖7可知，近距離煤層不同煤層間距條件下，覆巖礦壓顯現規律大致相同，都呈現下凹形狀曲線，但最大下沉量略有不同，5m、10 m、15 m、20 m、25 m分別為40. 68 MPa、34. 29 MPa、31. 56 MPa、28. 86 MPa、27. 27 MPa。覆巖最大礦壓值一般發生在工作面的兩側，隨著煤層距離的增加，煤層開采的最大礦壓值逐漸減小。由此證明，煤層間距越小，礦壓顯現越明顯，對安全開采的影響更大。

5 結論

（1）近距離煤層不同煤層間距條件下，煤層開采的覆巖下沉量和礦壓顯現值會出現較大的變化，頂板控制的難度有較大差異，對安全工作產生了較大的安全隱患，影響開采工作。

（2）本文針對該礦實施了5m、10 m、15 m、20 m、25m的開采方案，基于FLAC數值模擬軟件、結合力學特性，對近距離煤層不同煤層間距條件下進行模擬模型計算。

（3）結合數據結果可知，在近距離煤層的開采下，當煤層之間的間距越小，其最大覆巖下沉量越大;煤層之間的間距越小，礦山覆巖最大壓力值越大。對開采工作的影響越大。

參考文獻：

[1]李勇.近距離煤層開采覆巖裂縫發育演化機理[J].內蒙古煤炭經濟，2018（19）：134 -135.

[2]郭建清.近距離煤層同采覆巖破壞規律研究[J].山西焦煤科技，2011（9）：4～6.

[3]劉春波.馬蘭礦近距離煤層開采圍巖采動應力分布特征分析[J].煤炭工程，2017，7（49）：68-71.

[4]王宗林，武占超，梁冰，等，淺埋煤層開采覆巖運動規律模擬與試驗研究[J].安全與環境學報，201 7·6（17）：2140～2146.

[5]杜煒.上分層破壞區下工作面覆巖活動規律研究[J].能源技術與管理，2019，1（44）：130-132

[6]周勁鋒，劉長友，魯巖，極近距離煤層聯合開采采場覆巖活動特征及礦壓顯現規律[J].煤炭技術，2015，2（34）：80—82.

[7]孫力，楊科，閆書緣，等.近距離煤層群下行開采覆巖運移特征試驗分析[J].地下空間與工程學報，2014，5 （10）：1158-1163.

[8]楊軍，楊盛浩，周裕如，等，近距離煤層開采覆巖導水裂隙帶高度模擬研究[J].綠色科技.201 7，16（65）：177～179.

[9]張勛，鄧存寶，王繼仁，等.縱深大區域煤層群開采覆巖活動規律相似模擬[J].中國安全生產科學技術，2015 .6（11）：5 - 11.

[10]左衛華.測井約束2D地震反演預測煤層及上部砂巖厚度[J].工程地球物理學報，2018，15（2）：181～188.

作者簡介：劉 潔（1995-），男，貴州理工學院礦業工程學院學生。