煤系地層覆蓋下鋁土礦開采巖體地壓活動規(guī)律研究

袁國棟，黃 丹，吳 鵬，陳 何，鄭志杰

(1.山西華興鋁業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

山西某鋁土礦賦存于上古生代晚石炭系中統(tǒng)本溪組，層位穩(wěn)定，與底部奧陶系侵蝕面不整合接觸，礦體厚度變化較大[1-2]。本區(qū)鋁土礦覆蓋層由本溪組砂巖、黏土巖、砂質(zhì)黏土巖，太原組、山西組下石盒子組砂巖、泥巖、黏土巖、煤層、上第三系、第四系松散層組成[3]。

礦體厚度0.80～8.46 m，平均2.84 m，變異系數(shù)48.71%，平均傾角12°～15°，其中約70%在煤系地層覆蓋下，鋁土礦頂板與上覆13#煤層間距為28.24～51.82 m，平均間距41.84 m，圖1為煤下鋁賦存層位示意圖。

圖1 煤系地層覆蓋下鋁土礦賦存情況

礦山采用房柱法開采，應(yīng)用崩落協(xié)同充填技術(shù)及時處理采空區(qū)。礦塊內(nèi)劃分條帶，條帶從礦塊一側(cè)向另一側(cè)連續(xù)推進，條帶回采結(jié)束及時崩落頂板協(xié)同充填，實現(xiàn)采空區(qū)隱患治理的同時，控制上覆巖層移動變化[4]。該采礦方案應(yīng)用黃土膠結(jié)充填技術(shù)對采空區(qū)采高進行一定比例的回填，然后切頂崩落頂板，同時頂板控制爆破控制巖體松動范圍和沉降速度，使上覆巖層接近均勻沉降。本文研究分析該采礦方法在煤下鋁資源開采中對上覆巖層的影響，特別是13#煤層的地壓活動規(guī)律。

1 建立分析模型

1.1 模型建立

采用條帶式房柱法開采，鋁土礦開采高度越大，煤層與鋁土礦層間距越小時，鋁土礦開采對上覆巖層影響越大，即煤鋁間距與鋁層采高的比值越小，鋁土礦開采對上覆煤層影響越大，反之影響越小。設(shè)煤鋁間距/鋁層采高為A，通過統(tǒng)計分析該鋁土礦煤下鋁資源50個勘探鉆孔，可知A平均為13.8，最小4.7，最大21.8。因此，按照A<10、10≤A≤15、A>15三種情況考慮，每種情況取煤層厚度、煤鋁間距、鋁層采高等關(guān)鍵參數(shù)的平均值作為本次計算模型的主要幾何參數(shù)，見表1。模型剖面層位關(guān)系及采場傾向布置見圖2。

表1 三種情況的計算模型關(guān)鍵參數(shù)表

圖2 模型層位關(guān)系及采場傾向布置情況

采場開挖區(qū)域尺寸41 m×51 m(傾向×走向水平長度)。模型由上向下各分層分別為煤層頂板-13號煤層直接底板-鋁土礦層間接頂板—鋁土礦直接頂板—鋁土礦—鋁土礦直接底板—間接底板。模型網(wǎng)格劃分、煤層與鋁土礦采場對應(yīng)關(guān)系見圖3，鋁土礦采場布置情況水平投影及回采順序見圖4。

1.2 力學(xué)參數(shù)與邊界條件

簡化地表為水平，頂面施加上覆巖層自重應(yīng)力邊界，上覆巖層自重應(yīng)力按1.5 MPa考慮，根據(jù)我國地層淺部最大主應(yīng)力一般為水平構(gòu)造應(yīng)力的普遍情況，初始水平應(yīng)力按垂直應(yīng)力的1.2倍考慮[5]。模型由于僅受自重應(yīng)力作用，表面不約束其位移，可自由變形。巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

2 數(shù)值分析

2.1 計算步驟

模型力學(xué)參數(shù)及邊界條件賦值后，進行初始平衡計算，模型達到穩(wěn)定狀態(tài)[6](如圖5所示)，即可按照“采場1-1開挖，頂板巖體崩落”→“采場1-2…”→“采場1-3…”→“采場2-1…”→“采場4-3…”的總體模擬計算順序進行開挖作業(yè)，根據(jù)采礦方法及工藝，每步開挖后均計算平衡，巖體崩落后計算平衡。

圖3 數(shù)值模型及煤層與鋁土礦采場對應(yīng)關(guān)系示意圖

圖4 采場布置情況水平投影及回采順序示意圖

表2 巖體力學(xué)參數(shù)表

圖5 初始平衡計算最大不平衡力歷程曲線

2.2 煤下鋁采動規(guī)律數(shù)值模擬

本文根據(jù)礦體層位賦存條件建立了三個數(shù)值模型，以模型一的計算結(jié)果(圖6)為例進行示例分析。如圖5所示，當煤層厚度11.8 m，煤鋁間距38 m，鋁層采高5.5 m時，采用崩落頂板處理的情況下，開采區(qū)域上覆巖層最大豎向位移約15.8 cm，煤層整體豎向位移7.5～10.0 cm，煤層垂直應(yīng)力1.5～3.0 MPa，水平應(yīng)力3.0～4.5 MPa，該斷面煤層未出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū)；而不處理空區(qū)的情況下，空區(qū)頂板最大豎向位移約33.9 cm，煤層整體豎向位移10.0～15.0 cm，煤層垂直應(yīng)力0～1.5 MPa，水平應(yīng)力3.0～4.5 MPa，該斷面煤層出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū)。相比對空區(qū)不做任何處理的情況，采礦方法研究采取崩落頂板的處理措施，有利于控制上覆巖層沉降，有利于控制上覆煤層應(yīng)力釋放。

圖6-1 模型一計算結(jié)果(走向Y=150剖面)

圖6-2 模型一計算結(jié)果(走向Y=150剖面)

煤層底板熟悉位移隨采場推進變化情況見圖7。從圖7可以看出，下部鋁土礦采場開挖，會導(dǎo)致上部煤層底板產(chǎn)生沉降，隨著開挖采場的推進，煤層底板豎向位移也逐漸沿采場推進方向擴展和增大。從煤層底板豎向位移等值線來看，相當于煤層底板形成沉降漏斗或盆地。

圖7-1 煤層底板豎向位移等值線圖(豎向位移mm，模型尺寸m)

圖7-2 煤層底板豎向位移等值線圖(豎向位移mm，模型尺寸m)

圖7-3 煤層底板豎向位移等值線圖(豎向位移mm，模型尺寸m)

從圖8可以看出，對該節(jié)點豎向位移影響最大的是節(jié)點正下方1-1采場開挖，其次是下一階段相鄰采場2-1開挖，然后是2-2采場和1-2采場，其他采場開挖影響較小。從該點豎向位移的發(fā)展趨勢可以看出，隨著采場向遠端推進，該點豎向位移增加量逐漸減小，有趨于穩(wěn)定的趨勢，這意味著煤層底板因下部鋁土礦開采形成沉降漏斗中心(最大沉降值)也應(yīng)有趨于穩(wěn)定的趨勢。

圖8 采場1-1對應(yīng)煤層底板最大下沉量隨開采推進變化情況

2.3 鋁土礦開挖對煤層的影響

將煤層按地表建構(gòu)筑保護等級Ⅰ級考慮，則允許的最大水平變形值為±2 mm/m，最大傾斜為±3 mm/m[7]。將三種情況不同開挖階段煤層底板最大水平變形、傾斜數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，見圖9～11。

圖9 煤層底板最大水平變形和最大傾斜隨采場推進變化情況(模型一)

圖10 煤層底板最大水平變形和最大傾斜隨采場推進變化情況(模型二)

圖11 煤層底板最大水平變形和最大傾斜隨采場推進變化情況(模型三)

綜上所述，本次研究建立的模型范圍內(nèi)，開挖4個階段共12個采場的情況下，煤層底板最大水平變形和最大傾斜均未超過規(guī)范要求的允許值。煤層底板最大水平變形和最大傾斜隨著采場推進有一定的增大趨勢。

3 結(jié)論

1)下部鋁土礦的開采會對上部煤層產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：(1)導(dǎo)致上部煤層垂直應(yīng)力釋放，水平應(yīng)力略有增加；(2)導(dǎo)致上部煤層產(chǎn)生向下的豎向位移和沉降。

2)煤下鋁回采過程中，同步崩落頂板處理采空區(qū)，對上覆巖層沉降、上覆煤層應(yīng)力釋放具有顯著的控制作用。對鋁土礦采礦厚度和煤鋁之間巖層厚度的采厚比3種情況(煤鋁間距/鋁層采高分別為6.9、11.9、17.4)進行計算，均未出現(xiàn)鋁土礦的開采造成煤層拉剪破壞的情況。參考規(guī)范對地表建構(gòu)筑的保護要求，統(tǒng)計分析煤層底板的最大水平變形和傾斜，未超過規(guī)范對于地表保護等級Ⅰ級的水平變形和傾斜的允許值。

3)礦體緩傾斜分布，研究了煤層底板水平變形、傾斜隨采場沿傾向推進之間的線性關(guān)系，沿傾向總的開采階段數(shù)不宜超過11個。