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

摘 要：為了研究工作面的布置方式對采煤沉陷的影響，以安山煤礦為例，采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究手段，在3-1號煤中布置面間煤柱寬度分別為20 m和40 m的2個(gè)工作面，在3-1號煤的下方3號煤中布置一個(gè)工作面，且使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。研究結(jié)果表明，留設(shè)不同寬度的煤柱，采用數(shù)值模擬和相似材料模擬得到的覆巖破壞變形特征基本一致。煤層重復(fù)采動(dòng)工作面布置方式使工作面上覆巖層下沉形態(tài)呈現(xiàn)“W”型。工作面留設(shè)的煤柱越寬，煤柱上方覆巖下沉范圍顯著減小，對于覆巖的支撐效果越好，越能抵抗覆巖的移動(dòng)變形，采煤沉陷越不明顯。通過對結(jié)果的分析，在布置工作面時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾用褐鶎挾龋梢杂行p緩采煤沉陷，為科學(xué)預(yù)防采煤沉陷災(zāi)害的發(fā)生提供了參考。關(guān)鍵詞：雙煤層;相似材料模擬;數(shù)值模擬;覆巖破壞;采煤沉陷

中圖分類號：TD 323??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）01-0099-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0114開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

The influence of mining layout of double coal

seam faces on coal mining subsidence

SUN Xueyang1，2，3，LI Linghua1，2，3，LI Cheng1，3，MIAO Lintian4

（1.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，Xi’an 710054，China;

3.Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control，Xi’an 710054，China;

4.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization，Xi’an 710021，China）

Abstract：

Anshan Coal Mine in northern Shaanxi is taken as the research object to explore

the influence of working face layout on coal mining subsidence.

Similar material simulation experiments and numerical simulation and other research methods

are carried out to arrange two working faces with the width of coal pillars

20 m and 40 m respectively.One working face is arranged in the No.3 coal below the No.3-1? coal，and the center of the working face coincides with the center of the coal pillar set in the upper coal to form a two layout methods of double coal seam working face.The research results show that the failure and deformation characteristics of the overburden rock obtained by numerical simulation and similar material simulation are basically the same after leaving coal pillars of different widths.The layout of the repeated mining face of the coal seam causes the overlying strata of the face to present the? shape of “W”.The wider the coal pillars left in the working face，the lower the subsidence range of the overlying rock above the coal pillars，the better the supporting effect of the overlying rock，the more resistant to the movement and deformation of the overlying rock，and the less obvious coal mining subsidence.

An analysis of the results shows that a proper increase in

the width of the coal pillars can effectively slow down the coal mining subsidence，a reference for scientific prevention of the occurrence of coal mining subsidence disasters.Key words：double coal seams;simulation of similar materials;numerical simulation;overburden failure;coal mining subsidence

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?；诖?，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。

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）。

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））。

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。

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。

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?。▓D3）。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。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小;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）。

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。

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。

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