貴州喀斯特條件下近距離煤層開采覆巖活動規(guī)律數(shù)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(guī)律，通過數(shù)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(yīng)力分布規(guī)律、位移變化及變形破壞特點。研究結(jié)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(xiàn)隨著煤層間距的減小而明顯，該結(jié)論對于相關(guān)的煤炭開采工作具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：近距離煤層;覆巖活動規(guī)律;數(shù)值模擬;礦壓顯現(xiàn)規(guī)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(shù)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(yīng)力分布規(guī)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(shù)礦區(qū)中，多數(shù)礦區(qū)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(qū)淺埋煤田的主采煤層已經(jīng)或即將采完，部分礦區(qū)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(chǎn)生不同程度的損傷破壞，導(dǎo)致下煤層開采引起的覆巖運移、采動應(yīng)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(shù)非常高。

相關(guān)學(xué)者對近距離煤層開采時覆巖裂隙變化與應(yīng)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(fā)育和演化機理;郭建清[2]等針對地質(zhì)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(guī)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(yīng)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(yīng)力分布特征;杜煒[5]等主要研究了在上分層破壞區(qū)條件下的工作面覆巖活動規(guī)律;周勁峰[6]等研究了極近距離煤層聯(lián)合開采采場覆巖活動特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;孫力[7]、左衛(wèi)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(jīng)驗公式對近距離煤層開采覆巖導(dǎo)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(qū)域煤層群開采覆巖活動規(guī)律相似模擬。

2 工程背景

貴州某礦位于畢節(jié)市，屬溶蝕一侵蝕性中低山溝谷地貌，地貌起伏較大?？刹擅簩覯7、M9兩層，M7煤層已開采完畢，現(xiàn)主采煤層M9，由于在M7煤層開采過后，其覆巖發(fā)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(guī)律進行數(shù)值和模擬研究。

3 建立模型

3.1 各巖層力學(xué)參數(shù)

各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

3.2 模型巖層范圍確定

根據(jù)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(jù)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(shù)值模擬得出的覆巖活動規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。主要分析在豎直方向上的覆巖活動規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。開采方案如表2所示。

4.1 上層覆巖活動規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

先從不同間距的位移云圖和不同間距的應(yīng)力云圖對近距離煤層開采中分析對上層覆巖活動規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

4.1.1 位移云圖分析

現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)力云圖分析

現(xiàn)對10 m云圖進行分析，10 m應(yīng)力云圖如圖4，20m應(yīng)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(cè)的垂直應(yīng)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(xiàn)比圖五的礦壓顯現(xiàn)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(jié)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(yīng)力模擬結(jié)果

煤層不同間距y方向應(yīng)力變化如圖7所示。

4.3 方案結(jié)果與分析

4.3.1 位移模擬結(jié)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(guī)律大致相同，都呈現(xiàn)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(fā)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(yīng)力模擬結(jié)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(xiàn)規(guī)律大致相同，都呈現(xiàn)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(fā)生在工作面的兩側(cè)，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(xiàn)越明顯，對安全開采的影響更大。

5 結(jié)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(xiàn)值會出現(xiàn)較大的變化，頂板控制的難度有較大差異，對安全工作產(chǎn)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(shù)值模擬軟件、結(jié)合力學(xué)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(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在近距離煤層的開采下，當(dāng)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：

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

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

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

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

作者簡介：劉 潔（1995-），男，貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院學(xué)生。