淺埋煤層重復(fù)采動下覆巖運動及裂隙演化規(guī)律分析

白亞光

(山西古縣金谷煤業(yè)有限公司， 邢臺 河北 054000)

1 前言

煤層開采后，頂?shù)装鍘r層的原巖應(yīng)力遭到破壞，應(yīng)力隨著頂?shù)装鍘r層的移動和變形重新分布 ，相較于單一開采，重復(fù)采動造成的覆巖破壞、移動和變形更加復(fù)雜，因此也帶來更加難以解決的礦山壓力和瓦斯抽采等問題[1-4]；再加上貴州煤層賦存條件大都比較復(fù)雜，具有煤層厚度薄、瓦斯含量較大等特點[5]。

目前，對于重復(fù)采動下覆巖運動的主要研究有：楊濱濱等[6]通過相似模擬實驗、數(shù)字圖像處理技術(shù)對近距離煤層重復(fù)采動覆巖裂隙的時空演化特征進行分析；張磊等[7]使用自制的瓦斯測試儀對煤層群重復(fù)采動作用下被保護層的滲流特性進行分析；崔峰等[8-9]使用相似模擬、數(shù)值模擬、監(jiān)測設(shè)備等對緩傾斜沖擊傾向性頂板特厚煤層裂隙演化進行了分析；高林等[10]使用數(shù)值模擬對近距離煤層群重復(fù)采動下半煤巖上山圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力場與位移場的時空分布進行了分析；吳祥業(yè)等[11]通過理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測方法，分析了重復(fù)采動巷道圍巖塑性區(qū)及應(yīng)力時空演化規(guī)律，得出重復(fù)采動巷道塑性區(qū)變化的動- 靜組合機制；李金雨等[12]通過微震系統(tǒng)分析了爆破采動、煤體壓出和煤壁片幫的響應(yīng)特征；張永剛等[13]通過理論分析和數(shù)值模擬分析的方法分析了厚松散層薄基巖重復(fù)采動下的覆巖破壞高度；張明[14]通過關(guān)鍵層理論，研究了重復(fù)采動下關(guān)鍵層垮落特征。涂敏等[15]采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對保護層和被保護局間隔較遠情況下的下保護層開采過程中，被保護層的應(yīng)力變化規(guī)律以及卸壓變形規(guī)律，最后得出保護層開采對被保護層的卸壓保護范圍。高保彬等[16]以郭莊煤礦和寺河煤礦為工程背景，運用相似模擬試驗和礦井實地現(xiàn)場測定相結(jié)合的方法，對下保護煤層開采過程中上被保護煤層及底板透氣性變化進行分析，得出下保護層開采過程中國被保護層透氣性系數(shù)及瓦斯含量變化動態(tài)發(fā)展規(guī)律。高保彬等[17]以郭莊礦中遠距離下保護層煤層為工程實際背景，利用UDEC數(shù)值模擬軟件對該礦井開采條件中保護層開采過程期間上覆巖層裂隙演化和瓦斯?jié)B流規(guī)律進行模擬研究。通過現(xiàn)場驗證比較，得出該條件下的裂隙演化規(guī)律和瓦斯壓力變化規(guī)律。

以上研究往往只分析研究單一問題，缺乏對淺埋煤層和薄煤層重復(fù)采動覆巖運動及裂隙演化規(guī)律研究。本文通過使用UDEC數(shù)值模擬軟件對山西省煤礦進行重復(fù)采動下覆巖運動及裂隙演化規(guī)律研究分析，旨在能夠有效了解覆巖運動的內(nèi)在規(guī)律，降低煤礦事故的發(fā)生。

山西某煤礦礦區(qū)面積27.508 1 km2，地形切割適中?？刹擅簩泳幪枮镈。井田內(nèi)D煤層厚度0.60～2.91 m，平均1.32 m，為薄煤層。2#煤層平均煤層厚度1.8 m，1#、2#煤層間距為20 m左右。

2 淺埋煤層重復(fù)采動數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

由該煤礦的現(xiàn)場實測和其煤礦的基本賦存條件，依此可以建立一個尺寸長(x)×寬(y)=200 m×100 m的UDEC數(shù)值模擬模型，其中工作面傾向為長度方向，走向為寬度方向；模型中的塊使用莫爾- 庫侖準則來描述巖石材料的變形和失效過程，根據(jù)現(xiàn)場實測確定了各巖層的基本物理參數(shù)，并且建立了如圖1所示的模型，力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模擬計算模型

表1 煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

此外，本文著重研究和分析淺埋煤層重復(fù)采動下覆巖運動規(guī)律，因此布置2條橫向設(shè)置的測線來記錄工作面推進不同距離時的各數(shù)值的變化，2條測線分別位于1#煤和2#煤上覆巖層位置(直接頂)。

2.2 單層煤開采覆巖運動模擬分析

選取1#煤層開采過程中具有代表性的四個階段，具體如圖2所示。對比分析如下：當(dāng)工作面推進30 m時，此時基本頂發(fā)生折斷和垮落，并且直接頂產(chǎn)生離層破壞，即為初次來壓，并且采空區(qū)周圍巖層發(fā)生彎曲變形，裂隙不斷發(fā)育；工作面推進至50 m時，裂隙帶高度約為10 m；工作面推進至80 m時，裂隙帶高度約為15 m，工作面推進至140 m時，裂隙帶高度約為20 m；隨著工作面的不斷推進，發(fā)現(xiàn)工作面每次向前推進約10 m，基本頂均會發(fā)生周期性破壞，周期來壓步距為10 m左右，1#煤層開采完畢后裂隙帶高度約為20 m，垮落帶為5 m左右。

圖2 1#煤層工作面推進不同距離覆巖運動情況

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中可以得知，本煤礦1#煤層上覆巖層為泥巖，覆巖特性為軟弱，其冒落帶高度和裂隙帶高度可使用以下計算公式[18-19]：

式中，Hk為冒落帶高度，Hli為裂隙帶高度，∑M為累計采厚，單層采厚1～3 m，累計采厚不超過15 m，±為誤差；代入數(shù)據(jù)采厚1.3 m可得為4.70～9.70 m，裂隙帶高度為6.46～19.46 m。

通過開始設(shè)置在1#煤層的觀測線，對1#煤層工作面推進不同距離直接頂位移情況進行分析，如圖3所示。當(dāng)工作面推進至20 m時，上覆巖層的最大位移量在0.5 m左右，此時覆巖的運動并不劇烈；當(dāng)工作面推進至30 m時，此時為初次來壓，上覆巖層最大位移量為1.2 m左右，位移變化與之前相比有著很大的變化；隨著工作面的不斷推進，上覆巖層位移量也在不斷最大，當(dāng)1#煤層開挖完畢時，上覆巖層位移量最大，約為1.6 m左右。

圖3 1#煤層工作面推進不同距離覆巖位移情況

2.3 重復(fù)采動覆巖運動模擬分析

對2#煤層模擬開采不同距離時采空區(qū)覆巖運動情況進行分析，選取開采過程中具有代表性的四個階段，如圖4所示，當(dāng)2#煤層工作面推進至40 m時，基頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿煤壁發(fā)生折斷和垮落，即為初次來壓；工作面推進至50 m時，裂隙帶高度約為40 m；工作面推進至80 m時，裂隙帶高度約為60 m，工作面推進至140 m時，裂隙帶高度約為73.5 m；隨著工作面的不斷推進，發(fā)現(xiàn)工作面每次向前推進約10 m，基本頂均會發(fā)生周期性破壞，周期來壓步距為10 m左右，2#煤層開采完畢后裂隙帶高度約為73.5 m，垮落帶為15 m左右。

圖4 2#煤層工作面推進不同距離覆巖運動情況

通過開始設(shè)置在1#、2#煤層直接頂(煤層上方2 m處)的觀測線，對2#煤層工作面推進不同距離直接頂位移情況進行分析，如圖5、圖6所示，當(dāng)2#煤層工作面推進至30 m時，1#煤層直接頂?shù)淖畲笪灰屏吭? m左右，2#煤層直接頂?shù)淖畲笪灰屏吭?.7 m左右，此時覆巖的運動并不劇烈；當(dāng)2#煤層工作面推進至40 m時，此時為初次來壓，1#煤層直接頂最大位移量為2.5 m左右，2#煤層直接頂?shù)淖畲笪灰屏吭?.7 m左右，位移變化與之前相比有著很大的變化；隨著工作面的不斷推進，上覆巖層位移量也在不斷增加，當(dāng)2#煤層開挖完畢時，1#煤層直接頂位移量最大，約為3.2 m左右，2#煤層直接頂位移量最大為1.8 m左右，與初次來壓相比增加量不大，主要是因為2#煤層直接頂也受到1#煤層開采的卸壓作用。

圖5 2#煤層工作面推進不同距離1#煤覆巖位移情況

圖6 2#煤層工作面推進不同距離2#煤覆巖位移情況

3 相似模擬實驗

為了進一步驗證淺埋煤層采動下工作面頂?shù)装甯矌r運動及裂隙演化情況，本文采用相似模擬實驗來對覆巖運動情況進行分析與研究。

根據(jù)實驗要求以及實驗室設(shè)備限制，結(jié)合具體煤礦要求，實驗臺的煤巖層根據(jù)現(xiàn)場煤巖層物理力學(xué)參數(shù)沿煤層走向進行鋪設(shè)，最終做出長度1.2 m，寬0.5 m，高1.3 m，兩側(cè)分別預(yù)留10 cm煤柱保護，具體參數(shù)見表2。

表2 相似模擬實驗材料配比

本文主要模擬了保護層受開采影響時覆巖移動變化的規(guī)律。如果選用高滲透性的相似材料，則會對實驗結(jié)果造成較大影響，故選用低滲透性的相似材料。在實驗過程中，選擇石膏作為膠凝劑，相似材料為砂、石膏、膩子粉和水，選用的材料按比例混合，建立實驗室二維相似模擬實驗?zāi)Ｐ烷_挖完畢后得到如圖7所示的開切眼模擬圖和圖8所示的相似模擬實驗圖。

圖7 相似模擬實驗?zāi)M開切眼

圖8 二維相似物理實驗?zāi)Ｐ?/p>

由上圖可以看出煤層上方覆巖移動時明顯出現(xiàn)“三帶”分布，即彎曲帶、斷裂帶、垮落帶。通過觀察可以看出，垮落帶高度為5 m左右，斷裂帶的高度為10 m左右。與數(shù)值模擬分析結(jié)果一致，故可證明實驗的準確性。但由于之后操作不當(dāng)導(dǎo)致2#煤層開采失敗，故本次相似模擬實驗只有單層煤開采數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文使用了UDEC數(shù)值模擬對該煤礦進行重復(fù)采動覆巖運動及裂隙演化規(guī)律進行分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)1#煤層開采后，工作面初次來壓步距為30 m，大約每開挖10 m形成一次周期來壓，周期來壓步距約為10 m；2#煤層開采后，工作面初次來壓步距為40 m，大約每開挖10 m形成一次周期來壓，周期來壓步距約為10 m，可見， 2#煤層工作面初次來壓步距大于工作面初次來壓步距。

(2)2#煤層開采完畢后，1#煤層直接頂最大位移量為1.6 m，裂隙帶高度約為20 m，垮落帶為5 m左右；2#煤層開采完畢后，1#煤層直接頂最大位移量為3.2 m，2#煤層直接頂最大位移量為1.8 m，裂隙帶高度約為73.5 m，垮落帶為15 m左右。