雙煤層工作面開采布置方式對采煤沉陷的影響

孫學(xué)陽，李玲華，李 成，苗霖田

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.自然資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

0 引 言

采煤沉陷災(zāi)害嚴(yán)重威脅礦區(qū)的安全與協(xié)調(diào)發(fā)展，因此科學(xué)預(yù)防采煤沉陷的災(zāi)害，對煤礦安全開采以及有效保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1-4]。國內(nèi)外相關(guān)專家采用物理模擬、數(shù)值模擬及理論分析等方法，研究了煤層開采覆巖移動(dòng)破壞過程，“三帶”發(fā)育規(guī)律及破碎巖體裂隙分形特征，對有效緩解采煤沉陷災(zāi)害的發(fā)生奠定了理論基礎(chǔ)[5-14]。中國多數(shù)的礦井賦存有2層及以上的可采煤層，多煤層與單煤層采煤沉陷特征顯著不同。實(shí)踐證明，多煤層開采對覆巖造成多次復(fù)合破壞和擾動(dòng)[15-19]。潘瑞凱等采用物理相似模擬與PFC 2D軟件研究了淺埋近距離雙厚煤層覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律[20]；黃遠(yuǎn)對雙煤層開采條件下，覆巖裂縫發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了深入研究[21]；李闊運(yùn)用相似材料模擬和數(shù)值模擬手段，研究了雙煤層在不同采寬、不同間距條件下開采時(shí)覆巖的地表沉陷規(guī)律[22]；姜福興等提出雙煤層開采，采高增加會(huì)使采空區(qū)上方頂板“活化”，導(dǎo)致原鉸接平衡巖失穩(wěn)[23]；李樹清等再現(xiàn)了重復(fù)開采條件下，覆巖裂隙發(fā)育發(fā)展的過程[24]；李樹剛等提出煤層重復(fù)開采時(shí)覆巖裂隙發(fā)育呈橢拋帶動(dòng)態(tài)形態(tài)，并建立了裂隙變化模型[25]；張志祥等研究發(fā)現(xiàn)在雙層煤采動(dòng)過程中，當(dāng)下層煤工作面推進(jìn)距離不斷增加，巖體裂隙分形維數(shù)經(jīng)歷了從小到大再到小并穩(wěn)定的變化過程[26]；侯恩科等采用PFC 2D軟件研究了淺埋雙煤層開采地表裂縫發(fā)育規(guī)律，認(rèn)為在雙煤層開采中采高是影響覆巖破壞程度和地面裂縫發(fā)育程度的重要因素之一[27]。

相關(guān)學(xué)者對雙煤層采動(dòng)的研究大多集中在煤層采動(dòng)后覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律和覆巖移動(dòng)特征方面，雙煤層工作面開采布置方式對采煤沉陷的影響仍需做進(jìn)一步的研究。基于此，筆者以安山煤礦4103工作面雙煤層開采為工程背景，分別建立了雙煤層開采物理相似材料模型和FLAC3D數(shù)值模型，分析雙煤層在不同工作面布置條件下開采對采煤沉陷的影響，以期為科學(xué)預(yù)防采煤沉陷災(zāi)害的發(fā)生提供參考。

1 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

安山煤礦大地構(gòu)造位于華北地臺(tái)鄂爾多斯盆地東緣河?xùn)|斷褶帶西側(cè)。井田內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，大部分緩坡、山梁被新近系紅土和第四系黃土所覆蓋，溝谷、陡坡為基巖出露區(qū)，可采煤層為3-1號煤，厚度3.85～6.90 m，平均5.0 m，是近水平煤層；其次為3號煤，厚度0.87～4.32 m，平均2.5 m是近水平煤層。3-1號煤為上層煤，3號煤為下層煤。

1.1 確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)

以安山煤礦4103工作面3號煤和3-1號煤為研究對象，進(jìn)行相似材料模擬實(shí)驗(yàn)。

通過在3-1號煤中布置2個(gè)工作面，兩工作面中分別留設(shè)20 m和40 m的煤柱，在3號煤中布置一個(gè)工作面，該工作面中心與上層煤留設(shè)的煤柱中心重合，構(gòu)建了雙煤層工作面的2種布置方式，研究雙煤層工作面開采布置方式對采煤沉陷的影響。

實(shí)驗(yàn)所用臺(tái)架為一種鋼架結(jié)構(gòu)，規(guī)格為2 m×2 m×0.2 m，模擬地層所用材料包括：河沙、石膏、大白粉和白云母片等，結(jié)合煤系賦存地區(qū)，地層結(jié)構(gòu)的一般特點(diǎn)，對不同硬度的巖層進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)建立的模型厚度和巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型厚度及巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

模型幾何相似比1∶250。本次實(shí)驗(yàn)分別建立模型一和模型二，兩模型均在3-1號煤上布置第1和第2工作面，在3號煤中布置第3工作面，先采上層3-1號煤，再采下層3號煤，在3號煤與3-1號煤正中間布置第一排測點(diǎn)，在3-1號煤以上25 m處布置第二排測點(diǎn)，在地表布置第三排測點(diǎn)。各排測點(diǎn)間距為25 m。其中模型一留設(shè)煤柱寬度為20 m，模型二留設(shè)煤柱寬度為40 m(圖1)。

圖1 工作面布置

煤層在開挖過程中，上覆巖層發(fā)生垮落，且隨著開挖距離的增大，垮落范圍也在不斷擴(kuò)大。不同工作面發(fā)生初次垮落的時(shí)間不同，當(dāng)模型一3-1號煤第1，2個(gè)工作面分別推進(jìn)至62.5和75 m時(shí)，頂板發(fā)生初次垮落，3號煤工作面頂板初次垮落發(fā)生在工作面推進(jìn)至75 m時(shí)(圖2(a))。模型二3-1號煤在2個(gè)工作面均推進(jìn)至75 m時(shí)，工作面頂板發(fā)生初次垮落，3號煤工作面頂板初次垮落發(fā)生在其工作面推進(jìn)至87.5 m時(shí)(圖2(b))。模型一3號煤在工作面推進(jìn)至150 m時(shí),裂隙帶高度為61.25 m,垮落高度為26.25 m(圖2(c))。模型二3號煤工作面推進(jìn)至145 m時(shí),裂隙帶高度為53.25 m,垮落高度為24.5 m(圖2(d))。

圖2 模型工作面推進(jìn)覆巖移動(dòng)變形

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 覆巖破壞特征對比

由于工作面間疊置關(guān)系和留設(shè)煤柱寬度不同，3-1號煤對3號煤所產(chǎn)生的影響程度不同，模型一3號煤對比模型二3號煤首次發(fā)生離層以及初次垮落的時(shí)間均有所提前，垮落高度也較大。模型開采過程中巖層破壞對比見表2。

表2 覆巖破壞統(tǒng)計(jì)表

1.3.2 覆巖下沉規(guī)律

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，繪制不同模型開采后的地表下沉曲線如圖3所示。

圖3 模型煤層頂板下沉曲線

分析地表位移變化曲線可以得出，模型一中地表下沉位移值在4號、6號監(jiān)測點(diǎn)處較大，對應(yīng)工作面中心處，5號點(diǎn)位于煤柱上方，此處下沉值最小，并分別以4號、6號監(jiān)測點(diǎn)為中心，下沉值向兩側(cè)逐漸減小。模型二分別在13號、18號處，地表下沉值最大，由于留設(shè)煤柱的影響，位于煤柱上方的16號測點(diǎn)下沉值最小，且分別以13號、18號監(jiān)測點(diǎn)為中心，下沉值向兩側(cè)逐漸減小(圖3)。

模型一與模型二地表下沉曲線形態(tài)都呈“W”型，但對比發(fā)現(xiàn)其形態(tài)又有所差異，模型一留設(shè)煤柱寬度較小，其地表下沉曲線顯示覆巖中心未下沉的區(qū)域較窄，而模型二留設(shè)煤柱寬度相較于模型一較大，其地表下沉曲線所顯示覆巖中心處未下沉的區(qū)域較寬。由此可知，在煤層開采過程中留設(shè)煤柱寬度大小對地表下沉量有一定影響，具體表現(xiàn)為在開采方式、程度等均相同的條件下，工作面留設(shè)煤柱寬度越大，其抵抗覆巖變形能力越強(qiáng)，可以承受的覆巖壓力范圍越大，地表下沉值越小。

2 雙層煤開采數(shù)值模擬

煤層在開采過程中，由于圍巖失去了原有的力學(xué)平衡，在自重作用下，逐漸出現(xiàn)彎曲、張裂與冒落等現(xiàn)象。采用FLAC3D軟件，模擬不同工作面煤層開采過程中圍巖的應(yīng)力應(yīng)變特征，與物理相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比論證，分析其開采過程中擾動(dòng)破壞機(jī)理。

2.1 模型建立

根據(jù)安山煤礦4103工作面的實(shí)際地質(zhì)情況，建立有限元三維數(shù)值模型，模型上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)、工作面布置情況與其相似材料模擬一致。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 塑性區(qū)發(fā)育高度

從圖4(a)中可以看出，兩模型在開采3-1號煤過程中，采空區(qū)上方頂板均首先出現(xiàn)剪切破壞，塑性區(qū)整體破壞程度不大，模型二相比于模型一其沿x方向所產(chǎn)生的剪切破壞范圍變大，而沿z方向的剪切破壞范圍有所減小。隨著3號煤工作面開始推進(jìn)，兩模型采空區(qū)兩端邊緣處開始出現(xiàn)拉張破壞，且采空區(qū)上方的剪切破壞與拉張破壞均顯著發(fā)育。

圖4 雙層煤開采后覆巖塑性區(qū)分布

由于留設(shè)煤柱寬度增大，模型二相較于模型一其覆巖下沉量變小且各應(yīng)力破壞范圍減小。將煤層開采結(jié)束后的最大主應(yīng)力圖與塑性區(qū)形態(tài)圖進(jìn)行對比得出，模型一裂隙帶高度為65.5 m，垮落帶高度為29.7 m；模型二裂隙帶高度為55.25 m，垮落帶高度為28.6 m。

2.2.2 覆巖下沉規(guī)律

在煤層開采過程中兩模型頂板上覆巖層下沉量均在不斷增大，但模型二相比于模型一下沉影響范圍較??；當(dāng)煤層開挖至靠近留設(shè)煤柱時(shí)，兩模型覆巖下沉值大小幾乎相同，隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，由于留設(shè)煤柱寬度的不同，模型覆巖下沉曲線開始出現(xiàn)明顯的不同，采空區(qū)上方巖層下沉值都有不同程度的增大，在左右兩側(cè)煤柱以及中間留設(shè)煤柱附近，覆巖下沉值增量相對較小，可得出覆巖寬度對覆巖穩(wěn)定性起重要影響。

2.2.3 主應(yīng)力分布特征

煤層開采過程中，采空區(qū)覆巖主應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，形態(tài)呈現(xiàn)出中間高而兩側(cè)低的特征(圖5紅色區(qū)域)。隨著煤層采動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，覆巖垮落、卸荷所產(chǎn)生的應(yīng)力影響逐漸增大，上覆巖層的拉張應(yīng)力逐漸向煤柱處集中，模型一3-1號煤開采完成時(shí)，拉張應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤柱中心上方，大小為5.25 MPa，模型二應(yīng)力峰值也出現(xiàn)于留設(shè)煤柱上覆巖層，應(yīng)力峰值達(dá)5.16 MPa。對比兩模型3-1號煤開采完成時(shí)的應(yīng)力分布現(xiàn)象可知，留設(shè)20 m煤柱開采的模型一，相較于留設(shè)煤柱40 m開采的模型二應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯，在圖中表現(xiàn)為煤柱上方應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，呈紅色的范圍更大(圖5)。

圖5 3-1號煤開采后最大主應(yīng)力

3號煤開采完成后，3-1號煤采空區(qū)之上的應(yīng)力集中現(xiàn)象基本消失，最大主應(yīng)力集中于3號煤上方，此時(shí)模型一與模型二的應(yīng)力峰值區(qū)均出現(xiàn)在3號煤采空區(qū)中心上方覆巖中(圖6紅色區(qū)域)，模型一應(yīng)力峰值躍升至9.88 MPa，模型二的應(yīng)力峰值躍升至9.00 MPa。此時(shí)對比兩模型的應(yīng)力分布現(xiàn)象可得，模型一相較于模型二，應(yīng)力作用現(xiàn)象更明顯，則模型一中3號煤采空區(qū)上方的應(yīng)力作用相對于模型二較強(qiáng)，最大主應(yīng)力集中范圍更大，圖中紅色區(qū)域更大，即留設(shè)20 m煤柱的開采方式下，煤層覆巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯。

圖6 雙層煤開采后最大主應(yīng)力

3 對比分析

由數(shù)值模擬各巖層應(yīng)力變化情況可知，留煤柱開采會(huì)影響工作面覆巖拉應(yīng)力的分布，3-1號煤開采完成時(shí)，由于煤層中心留設(shè)煤柱的支撐作用，工作面覆巖拉應(yīng)力分布呈現(xiàn)“W”型(圖5)，對應(yīng)相似材料實(shí)驗(yàn)中煤層頂板覆巖下沉曲線形態(tài)呈現(xiàn)“W”型(圖3)。模型一、模型二中的3號煤、3-1號煤全部開采完成后，兩者應(yīng)力集中現(xiàn)象皆基本趨于穩(wěn)定，對應(yīng)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)開采完成時(shí)煤層覆巖的垮落現(xiàn)象，即采空區(qū)內(nèi)部空間已經(jīng)被基本壓實(shí)。其中，模型一應(yīng)力作用相比于模型二較大，在數(shù)值模擬中表現(xiàn)為采空區(qū)上方應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)紅色區(qū)域范圍的擴(kuò)大。

相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，在留設(shè)20 m煤柱時(shí)，覆巖裂隙帶發(fā)育高度為61.25 m，垮落帶高度為26.25 m；留設(shè)40 m煤柱時(shí)，裂隙帶高度為53.25 m，垮落帶高度為24.5 m。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在留設(shè)煤柱為20 m時(shí)，裂隙帶高度為65.5 m，煤層覆巖垮落帶高度為29.7 m；留設(shè)40 m煤柱時(shí)，裂隙帶高度為55.25 m，垮落帶高度為28.6 m。通過兩種方法得到的垮落帶高度與裂隙帶高度結(jié)果基本一致。

雙煤層在留煤柱開采時(shí)，煤柱留設(shè)寬度越小，兩煤層的疊置區(qū)域越大，壓力差越大，煤層開采后覆巖的破壞范圍越大，覆巖下沉值就越大。因此，在布置工作面時(shí)，適當(dāng)增大留設(shè)煤柱的寬度，可以減緩覆巖移動(dòng)破壞范圍和破壞程度。

4 結(jié) 論

1)在雙煤層開采過程中，隨著留設(shè)煤柱寬度的增大，煤層頂板上覆巖層下沉量減小，且下沉曲線形態(tài)呈現(xiàn)出“W”型，垮落帶高度與裂隙帶高度也隨之減小。

2)數(shù)值模擬過程表明，在煤層開采過程中，工作面上覆巖出現(xiàn)應(yīng)力變化，主要以拉張應(yīng)力為主，使得工作面上覆巖出現(xiàn)移動(dòng)變形，隨著留設(shè)煤柱寬度的增加，煤柱上方的應(yīng)力持續(xù)減小，采空區(qū)正上方應(yīng)力值，隨著煤柱寬度的增加而減小。