淺埋近距煤層開采三場演化規(guī)律與合理煤柱錯距研究

黃慶享，曹 健，杜君武，李雄峰

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

陜北侏羅紀(jì)煤田煤層埋藏淺，主采煤層3～5層，煤層間距一般20～40 m，屬于淺埋近距煤層[1]。近距煤層開采煤柱應(yīng)力集中，巷道支護困難;地裂縫發(fā)育，破壞生態(tài)環(huán)境[2-4]，煤炭減損開采亟待研究[5]。

近距煤層開采覆巖應(yīng)力場、位移場和裂隙場(簡稱“3場”)存在密切聯(lián)系，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。黃慶享等[6-7]提出了基于“上行裂隙”和“下行裂隙”的淺埋煤層隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，給出了條帶充填覆巖裂隙發(fā)育高度計算模型;劉增輝等[8]采用FLCD3D研究了近距離煤層開采的圍巖應(yīng)力;程志恒等[9]模擬了近距離煤層群雙重采動下的圍巖應(yīng)力-裂隙演化特征;黃炳香等[10]分析了覆巖采動導(dǎo)水裂隙帶分布;李樹清等[11]研究了煤層群雙重卸壓開采覆巖移動及裂隙動態(tài)演化規(guī)律;薛東杰等[12]分析了淺埋煤層開采的頂板裂隙演化特點;范鋼偉等[13]分析了淺埋單一煤層開采的覆巖移動與裂隙分布特征;黃漢富等[14]研究了煤層群開采的裂隙帶發(fā)育高度;劉輝等[15]研究了淺埋煤層開采的地表塌陷型裂縫形成機理，得到了塌陷型地裂縫的動態(tài)發(fā)育規(guī)律;范立民等[16]通過遙感和實地調(diào)查，獲得了榆神府礦區(qū)的地裂縫發(fā)育特征。淺埋近距煤層開采，區(qū)段煤柱的存在造成覆巖與地表的不均勻沉降(位移場)，沿煤柱兩側(cè)直至地表形成集中拉應(yīng)力區(qū)(應(yīng)力場)，從而導(dǎo)致覆巖裂隙與地裂縫發(fā)育(裂隙場);此外，兩煤層煤柱集中應(yīng)力的疊加(應(yīng)力場)直接影響下煤層巷道的安全與支護。目前，基于應(yīng)力場、位移場和裂縫場3場演化規(guī)律的合理煤柱錯距和減損開采研究較少，值得深入研究。

筆者以神南礦區(qū)檸條塔煤礦淺埋近距煤層開采為背景，采用數(shù)值計算、物理模擬和理論分析相結(jié)合的方法，揭示不同區(qū)段煤柱錯距下的3場演化規(guī)律，提出了基于3場演化規(guī)律的減壓模型與減損模型，得到了最佳煤柱錯距的計算公式，實現(xiàn)了井下減壓和地表減損開采。

1 工程背景

神南礦區(qū)檸條塔煤礦開采1-2煤層和2-2煤層。1-2煤層平均厚度1.84 m，平均埋深110 m;2-2煤層平均厚度5 m，1-2煤與2-2煤間距35 m。1-2煤層頂板基巖厚度70 m，土層厚度94.7 m，屬于淺埋近距煤層開采。煤系地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。1-2煤層煤柱集中應(yīng)力導(dǎo)致2-2煤層巷道變形嚴(yán)重，支護困難;兩煤層開采地裂縫發(fā)育(圖1)，損害嚴(yán)重。

2 近距煤層開采的應(yīng)力場演化規(guī)律

2.1 數(shù)值計算方案

2.1.1 三維模型的建立

采動引起的圍巖應(yīng)力場變化是導(dǎo)致巖層變形和產(chǎn)生裂隙的根源，采用FLAC3D計算近距煤層開采的應(yīng)力場演化規(guī)律。構(gòu)建模型長×寬×高=1 410 m×500 m×263 m，每個煤層各開挖4個工作面，工作面寬度245 m，區(qū)段煤柱寬度20 m，模擬推進300 m，模型邊界預(yù)留100 m。

2.1.2 模擬開挖方案

首先模擬開挖1-2煤層，然后模擬2-2煤層工作面，按照1-2煤層區(qū)段煤柱與2-2煤層區(qū)段煤柱疊置、煤柱邊對邊錯距0,10,30,50,70,90,110和130 m(工作面中部)，模擬9種布置方式(圖2)，掌握應(yīng)力場和位移場演化規(guī)律。

表1 煤系地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal strata

圖1 淺埋近距煤層開采地裂縫發(fā)育Fig.1 Development of ground surface fractures in shallow buried closely spaced multi-seam mining

圖2 三維數(shù)值模擬模型Fig.2 3-D numerical simulation model

2.2 1-2煤層開采后的應(yīng)力場分布

1-2煤層開采后的煤柱最大應(yīng)力為22 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)5.0(圖3)。煤柱下方底板形成高、低應(yīng)力區(qū)，集中應(yīng)力向底板的傳遞角為32°，采空區(qū)中部壓實區(qū)的應(yīng)力傳遞角為25°，如圖4所示。

2.3 2-2煤開采后的應(yīng)力場演化規(guī)律

當(dāng)上下煤柱錯距<30 m時，2-2煤層煤柱存在集中應(yīng)力，為21～25 MPa;煤柱錯距為30～70 m時，2-2煤層煤柱集中應(yīng)力減小;當(dāng)煤柱錯距為70～130 m(采空區(qū)中央)時，2-2煤層煤柱處于1-2煤層采空區(qū)壓實區(qū)，煤柱應(yīng)力又逐漸增大(圖5)。煤柱錯距30～55 m時，集中應(yīng)力最小，如圖6所示。

減緩集中應(yīng)力疊加煤柱錯距模型如圖7所示。圖7中，Lσmin為最小煤柱錯距，m;Lσmax為最大煤柱錯距，m;h為煤層間距，m;a1為上煤柱寬度，m;a2為下

圖3 1-2煤層開采應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of No.1-2 seam mining

圖4 2-2煤層高、低應(yīng)力區(qū)分布Fig.4 High-low stress zones distribution of No.2-2 seam

圖5 不同煤柱錯距應(yīng)力場演化規(guī)律Fig.5 Stress evolution vs.coal pillar staggered distance

煤柱寬度，m;b為巷道寬度，m;φ1為上煤柱集中應(yīng)力傳遞角，(°);φ2為壓實區(qū)集中應(yīng)力傳遞角，(°);k為上煤層采空區(qū)壓實區(qū)寬度系數(shù);L為上煤層工作面寬度，m。

圖6 2-2煤層煤柱最大集中應(yīng)力隨煤柱錯距變化規(guī)律Fig.6 Max.stress of No.2-2 coal pillar vs.coal pillar staggered distance

圖7 減緩集中應(yīng)力的煤柱錯距計算模型Fig.7 Pillar staggered model of avoiding concentrated stress

避免應(yīng)力疊加的最小煤柱錯距為

Lσmin=htanφ1+b

(1)

避免應(yīng)力疊加的最大煤柱錯距為

(2)

避開應(yīng)力集中的合理煤柱錯距Lσ的范圍為

Lσmin≤Lσ≤Lσmax

(3)

3 地表拉應(yīng)力場與位移場演化規(guī)律

3.1 1-2煤層開采地表拉應(yīng)力場與位移場

3.1.1 地表拉應(yīng)力場分布規(guī)律

1-2煤層開采后，地表拉應(yīng)力場主要集中于工作面開采邊界對應(yīng)地表的位置，呈“環(huán)狀”分布，且指向采空區(qū)中部的位置，如圖8所示。由于拉應(yīng)力已超過表土層抗拉強度(0.03 MPa)，工作面邊界(開切眼和煤柱)對應(yīng)的地表將產(chǎn)生環(huán)狀集中裂縫。

圖8 1-2煤層開采地表拉應(yīng)力場分布Fig.8 Surface tension stress of No.1-2 seam mining

圖9 1-2煤層工作面覆巖與地表位移場分布Fig.9 Displacement of overburden and ground surface of No.1-2 coal faces

3.1.2 地表位移場分布規(guī)律

1-2煤層開采后垂直位移如圖9所示，分析可知，由工作面直接頂直至地表，覆巖垂直位移呈減小趨勢;工作面間為區(qū)段煤柱，其對應(yīng)的覆巖位移及地表下沉量明顯減小，而采空區(qū)中部對應(yīng)地表下沉量較大，因而造成地表的不均勻沉降?？梢?，煤層群開采條件下，區(qū)段煤柱對地表沉降具有明顯影響，通過煤柱的合理布置，可以減小地表破壞程度。

1-2煤開采后覆巖與地表下沉曲線如圖10所示，地表最大下沉量1.16 m，位于2個中央采空區(qū)中部，而煤柱對應(yīng)的地表最大下沉量為1.05 m?？梢?，區(qū)段煤柱增大了地表非均勻沉降，下沉盆地呈“波狀”分布，“波峰”與區(qū)段煤柱對應(yīng)，下沉量較小;“波谷”與工作面采空區(qū)中部對應(yīng)，下沉量較大。

圖10 1-2煤開采覆巖與地表下沉曲線Fig.10 Overlying strata and surface subsidence curves of No.1-2 seam mining

1-2煤開采后地表水平變形如圖11所示。開采邊界地表水平變形最大，煤柱上方次之，地表產(chǎn)生拉伸變形，是地表拉裂隙集中發(fā)育區(qū)。采空區(qū)中部上方為負值，地表產(chǎn)生壓縮變形，是裂縫閉合區(qū)。

圖11 1-2煤開采地表水平變形曲線Fig.11 Surface horizontal deformation curve of No.1-2 seam

3.2 2-2煤層采動地表拉應(yīng)力場與位移場演化規(guī)律

3.2.1 不同煤柱錯距地表拉應(yīng)力場演化規(guī)律

拉應(yīng)力導(dǎo)致拉應(yīng)變，拉應(yīng)變產(chǎn)生拉裂縫。分析上下煤層煤柱不同錯距時的地表拉應(yīng)力場與水平位移場的關(guān)系，有助于揭示地表裂縫演化機理。

2-2煤層開采后的地表傾向拉應(yīng)力分布如圖12所示，當(dāng)煤柱錯距小于10 m時，地表拉應(yīng)力較大，超過0.6 MPa;煤柱錯距大于30 m后，1-2煤層與2-2煤層的地表集中拉應(yīng)力場逐漸分散，最大拉應(yīng)力明顯減小;煤柱錯距50 m時，最大拉應(yīng)力減小為0.3 MPa;煤柱錯距大于70 m后，2-2煤層煤柱進入1-2煤層采空區(qū)中部，地表拉應(yīng)力進一步減小。2-2煤層開采后地表總體沉降量增加，采空區(qū)邊界地表集中拉應(yīng)力大于表土抗拉強度，地表出現(xiàn)拉裂縫。

3.2.2 地表位移場和水平變形分布規(guī)律

1-2煤與2-2煤開采后，不同煤柱錯距時的地表最大下沉曲線如圖13所示。上下煤柱疊置時，地表下沉量最大;隨著煤柱錯距增大，直至2-2煤層煤柱位于1-2煤采空區(qū)中部(錯距110 m)，地表下沉量最小。可見，增大煤柱錯距有利于減沉。

圖12 2-2煤開采的地表傾向拉應(yīng)力場Fig.12 Surface inclined tension stress field of No.2-2 seam

圖13 地表最大下沉量隨煤柱錯距的變化規(guī)律Fig.13 Maximum surface subsidence vs.coal pillar staggered distance

1-2與2-2煤層煤柱不同錯距的地表下沉曲線如圖14所示，上下煤柱疊置的地表下沉量最大，且沉降最不均勻;錯距大于30 m后，下沉盆地內(nèi)地表沉降落差開始減小，沉降逐漸趨于平緩。

圖14 不同煤柱錯距的地表下沉曲線Fig.14 Surface subsidence curves with variation of coal pillar staggered distance

根據(jù)圖12～15，煤柱疊置的地表不均勻沉降程度、水平變形量和拉應(yīng)力都最大;當(dāng)煤柱錯距>30 m后，地表下沉不均勻程度、水平變形量和水平拉應(yīng)力逐漸減小。可見，通過合理的煤柱錯距布置，可以減緩地表下沉“波狀”幅度，減輕地表拉應(yīng)力和水平變形。

圖15 不同煤柱錯距的地表傾向方向水平變形Fig.15 Surface inclined horizontal deformation curves with variation of coal pillar staggered distance

4 近距煤層開采裂隙場演化規(guī)律

4.1 裂隙場的數(shù)值與物理模擬設(shè)計

4.1.1 數(shù)值計算方案

采用非連續(xù)變形軟件UDEC模擬煤層開采引起的裂隙分布規(guī)律，建立可模擬長×寬為720 m×287 m的平面模型，工作面寬度245 m，區(qū)段煤柱寬度20 m。模型首先開挖1-2煤，掌握單一煤層開采的裂隙發(fā)育規(guī)律;兩層煤開采同樣設(shè)計了9組不同煤柱錯距方案，研究裂隙場演化規(guī)律。

4.1.2 物理模擬實驗

為了與數(shù)值計算相互驗證，建立了平面應(yīng)力物理相似模型(圖16)，根據(jù)研究范圍確定幾何相似比為1∶200，模型長×寬×高=5 m×0.2 m×1.35 m。實驗采用照相機與BJQF-1型裂縫測寬儀配合監(jiān)測開采引起的覆巖與地表裂縫，首先開采1-2煤層，工作面寬度245 m，根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)留設(shè)20 m區(qū)段煤柱;然后開挖2-2煤層，研究上下煤柱不同錯距的覆巖和地裂縫規(guī)律。

圖16 物理相似模擬模型Fig.16 Physical simulation model

4.2 裂隙場演化規(guī)律

4.2.1 1-2煤層開采后的裂隙發(fā)育規(guī)律

1-2煤層開采后的裂隙發(fā)育規(guī)律如圖17所示，圖17(a)中褐色部分表示裂隙，其疏密表示裂隙發(fā)育程度。模擬發(fā)現(xiàn)，1-2煤層開采后，沿區(qū)段煤柱兩側(cè)形成向上發(fā)育的集中裂隙帶，傾角約65°，工作面中部壓實區(qū)裂隙發(fā)育不明顯。

圖17 1-2煤開采裂隙發(fā)育規(guī)律Fig.17 Fracture development of No.1-2 seam mining

4.2.2 2-2煤層開采后的裂隙場演化規(guī)律

1-2與2-2煤層上下煤柱不同錯距時的裂隙場演化規(guī)律如圖18所示。當(dāng)煤柱邊對邊錯距<10 m時，2-2煤開采形成的裂隙場與原1-2煤層開采的裂隙場疊合，造成區(qū)段煤柱兩側(cè)裂隙集中發(fā)育，地表出現(xiàn)明顯裂縫，這與圖12所示拉集中應(yīng)力場吻合?？梢姡褐鶅蓚?cè)覆巖和地表裂隙是拉應(yīng)力造成的。

當(dāng)煤柱錯距>30 m時，2-2煤層開采形成的裂隙場與1-2煤層開采形成的裂隙場開始分散，裂隙發(fā)育程度減弱，1-2煤層煤柱側(cè)集中裂隙在2-2煤采動后趨于閉合，地表趨于均勻下沉。

圖18 1-2煤與2-2煤開采裂隙發(fā)育演化規(guī)律Fig.18 Fracture field of No.1-2 and No.2-2 seam mining

通過物理模擬觀測不同區(qū)段煤柱錯距時的覆巖裂隙與地裂縫演化規(guī)律，定義工作面開采邊界煤柱側(cè)覆巖裂隙①與地裂縫③、區(qū)段煤柱側(cè)覆巖裂隙②與地裂縫④(圖19)，覆巖裂隙與地裂縫最大寬度隨煤柱錯距的變化如圖20所示，可得:

(1)當(dāng)1-2與2-2煤層煤柱疊置時，兩層煤開采形成的裂隙場疊合，覆巖裂隙②寬度最大達0.81 m，地裂縫④寬度最大達0.65 m(圖19(a))。當(dāng)煤柱錯距40 m時，間隔巖層整體垮落，1-2煤層煤柱及其支承影響區(qū)頂板整體沉降，原有裂隙與地表裂縫趨于閉合，地表不均勻沉降程度大大減小(圖19(b))。

(2)永久裂隙(裂縫):開采邊界煤柱側(cè)覆巖裂隙①與地裂縫③寬度基本不隨煤柱錯距變化，寬度分別為0.66 m和0.80 m。

(3)可控裂隙(裂縫):區(qū)段煤柱側(cè)覆巖裂隙②隨煤柱錯距的增大而減小，煤柱疊置時最大達0.814 m，錯距大于40 m后，裂隙寬度隨錯距的增大變化不大，平均0.21 m，相比疊置時減小了74.3%;區(qū)段煤柱側(cè)地裂縫④隨煤柱錯距的增大而減小，煤柱疊置時最大達0.65 m，錯距大于30 m后，裂縫寬度隨錯距的增大變化不大，平均0.11 m，相比疊置時減小了83.6%?？梢姡瑓^(qū)段煤柱錯距對其上部的覆巖裂隙與地裂縫起控制作用。

圖19 不同布置方式的物理模擬Fig.19 Physical simulation research with different layout

圖20 覆巖裂隙與地裂縫隨煤柱錯距變化Fig.20 Fracture width vs.coal pillar staggered distance

5 基于三場演化規(guī)律的合理煤柱錯距

5.1 應(yīng)力場-位移場-裂縫場耦合控制模型

根據(jù)覆巖及地表應(yīng)力場、位移場和裂隙場演化規(guī)律的模擬分析，隨上下煤柱錯距增大，下煤層煤柱位于上煤層煤柱側(cè)減壓區(qū)，上煤柱位于下煤層頂板垮落壓實區(qū)，上下煤柱的倒梯形支承結(jié)構(gòu)錯開，下煤層煤柱集中應(yīng)力減小，上煤層煤柱充分下沉，地表不均勻沉降和集中拉應(yīng)力減小，具有耦合性?；鶐r相對于松散層而言，是地表沉陷的控制層[17]，因此建立“應(yīng)力場-位移場-裂縫場”耦合控制模型如圖21所示，可得控制地表裂縫的合理煤柱錯距公式:

(4)

式中，Lε為減緩地表裂縫的合理煤柱錯距，m;h1為上煤層上覆基巖厚度，m;α1為上煤層開采基巖垮落角，(°);α2為下煤層開采巖層垮落角，(°)。

圖21 減緩地表不均勻沉降的煤柱錯距計算模型Fig.21 Coal pillar malposition distance model of reducing surface uneven subsidence

5.2 合理煤柱錯距的確定

煤層群合理的區(qū)段煤柱錯距，減小地表沉降落差(即可減小地表集中拉應(yīng)力和水平變形)，從而減小地表拉裂縫，實現(xiàn)地表減損開采。同時，也可兼顧減小下煤層煤柱集中應(yīng)力，實現(xiàn)井下減壓。

因此，合理的煤柱錯距L為

L?Lδ∩Lε

(5)

5.3 實例分析

根據(jù)檸條塔煤礦1-2煤與2-2煤開采地質(zhì)條件，計算參數(shù)如下:h=33 m，a1=a2=20 m，b=5 m，φ1=32°，φ2=25°，k=0.22，L=245 m，h1=70 m，α1=65°，α2=70°。

由式(1)～(3)可得，減緩下煤層煤柱集中應(yīng)力的合理煤柱錯距范圍為:26 m≤Lδ≤55 m。

由式(4)可得，減小地表不均勻沉降與最大下沉量的煤柱錯距為:44.6 m≤Lε≤122.5 m。

合理的煤柱錯距為:44.6 m≤L≤55 m。

神南礦區(qū)檸條塔煤礦已經(jīng)采納上述計算結(jié)果，擬采用上下工作面等寬平行錯距45～55 m布置。

6 結(jié) 論

(1)地表拉應(yīng)力導(dǎo)致地表水平拉應(yīng)變，水平拉應(yīng)變導(dǎo)致地表裂隙，采場覆巖“應(yīng)力場-應(yīng)變場(位移場)-裂隙場”具有耦合性。

(2)煤柱的存在導(dǎo)致覆巖沉降不均勻，在煤柱產(chǎn)生集中壓應(yīng)力，在煤柱側(cè)產(chǎn)生集中拉應(yīng)力。通過合理的煤柱錯距布置，減輕地層不均勻沉降，可避免煤柱壓應(yīng)力集中，同時減輕煤柱側(cè)的拉應(yīng)力集中，實現(xiàn)地下減壓和地表減損的耦合控制。

(3)為了減輕煤柱集中應(yīng)力(降低巷道支護難度)，應(yīng)當(dāng)將下煤層煤柱布置于上煤層減壓區(qū)內(nèi)，避免上下煤柱集中應(yīng)力疊加，以及下煤柱與上部采空區(qū)壓實區(qū)疊加。為了減輕地表裂隙，必須將上煤層煤柱位于下煤層采空區(qū)壓實區(qū)內(nèi)。

(4)基于淺埋近距煤層開采的三場演化規(guī)律，建立了減緩地表不均勻沉降的煤柱錯距計算模型，減小煤柱集中應(yīng)力和減輕地裂縫具有耦合交集，由此提出了合理段煤柱錯距確定方法。