過溝開采速度對(duì)淺埋煤層覆巖移動(dòng)變形的影響研究

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.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； 3.煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

陜北侏羅紀(jì)煤田煤層厚、層數(shù)多、埋藏淺、煤質(zhì)優(yōu)良、開采條件相對(duì)簡(jiǎn)單，為世界七大煤田之一。自陜北侏羅紀(jì)煤田大規(guī)模開發(fā)以來，煤炭生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量逐年增加，在溝谷地貌特征條件下，采煤會(huì)造成覆巖中的地下水嚴(yán)重滲漏，加劇地表水土流失，對(duì)地表生態(tài)環(huán)境影響巨大。侯恩科等采用物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)淺埋煤層過溝開采時(shí)，裂隙演化規(guī)律以及地表裂縫發(fā)育特征進(jìn)行了研究[1-3]。王皓等采用RFPA軟件建立過溝模型，對(duì)煤層開采覆巖破斷過程進(jìn)行分析[4]；李濤等基于采煤工作面產(chǎn)流-匯流-滲流充水模式，提出過溝開采正常和最大涌水量計(jì)算公式[5]。李建華等揭示了重復(fù)開采時(shí)覆巖裂隙發(fā)育的作用機(jī)制[6]。孫學(xué)陽等采用相似材料模擬和數(shù)值模擬的方法，模擬含煤巖系產(chǎn)狀和滑坡產(chǎn)狀相同條件下和相反條件下煤層井工開采對(duì)黃土滑坡的影響[7，8]。目前，許多學(xué)者采用數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，針對(duì)厚煤層、急傾斜煤層工作面推進(jìn)速度與工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，并指出隨著煤層開采速度越快，超前支承壓力峰值越高、煤壁的距離與峰值點(diǎn)越近，工作面的來壓步距越長(zhǎng)，工作面礦壓顯現(xiàn)更強(qiáng)[9-21]。陜北地區(qū)黃土溝壑發(fā)育，地表主要被風(fēng)積沙、第四紀(jì)黃土層所覆蓋，煤層過溝開采對(duì)地表生態(tài)環(huán)境影響劇烈，隨著陜北煤層在人機(jī)協(xié)同模式下開采，實(shí)現(xiàn)了智能、高效的掘進(jìn)生產(chǎn)作業(yè)，采煤速度越來越快。目前針對(duì)煤層過溝開采過程中，開采速度對(duì)覆巖及地表的影響規(guī)律研究較少。為此，本文采用數(shù)值模擬的手段，在過溝淺埋煤層條件下，以不同推進(jìn)速度對(duì)煤層進(jìn)行開采，研究其覆巖破壞特征規(guī)律，以期為過溝煤層安全高效開采提供參考依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

安山井田為典型的黃土梁峁地貌，地形復(fù)雜、溝壑縱橫，地勢(shì)中部高，東西部低。中部許家梁—磚場(chǎng)梁一線將安山井田西側(cè)的沙梁川與東側(cè)的清水川水系分開。井田內(nèi)水系較發(fā)育，井田西部有沙梁川河流，東北部還發(fā)育清水川、小南川溝、東南部木瓜川等黃河支流。沙梁川下游孤山川年徑流總量1.097×109m3。清水川下游年徑流總量0.52×109m3。區(qū)內(nèi)最低海拔為1075.9m、最高海拔為1364.5m。安山井田含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組第一至第四段[2]。

12503工作面回采穿越菜溝，在工作面以內(nèi)，菜溝主溝道長(zhǎng)約435m，寬15～100m，菜溝支溝長(zhǎng)約220m，寬15～50m，煤層最小埋深約41m，最大埋深約106m，溝谷最大深度為106m，跨度為260m。井田內(nèi)可采煤層共6層，2-2煤為主采煤層之一，以12503工作面2-2煤為研究對(duì)象，進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

收集研究區(qū)等高線數(shù)據(jù)，利用Rhino3DNURBS技術(shù)給定的精度和控制點(diǎn)源數(shù)據(jù)可生成地表插值-逼近擬合完整的NURBS擬合地表曲面[21]。將擬合曲面導(dǎo)入FLAC3D，構(gòu)建數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型z軸方向58～153m，y軸方向220m，x軸方向650m，共計(jì)163020個(gè)單元格，174570個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模擬地層總厚度約為153m，受地形影響，2-2煤層覆巖最大厚度為147.76m，覆巖最小厚度為41.76m，溝谷最大深度為106m，跨度為260m。

為了能夠更切實(shí)際地模擬工作面覆巖移動(dòng)變形情況，將煤層上方的網(wǎng)格進(jìn)行加密，對(duì)模型底面的垂向位移與水平位移進(jìn)行限制，模型上表面設(shè)置為自由邊界。對(duì)模型的計(jì)算域施加構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)，本數(shù)值模擬采用Mohr-Coulomb模型計(jì)算，所需要的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 開挖方案

對(duì)2-2煤進(jìn)行開采，煤厚為2.1m，回采工作面走向長(zhǎng)度為480m，傾向長(zhǎng)度為120m，左右各留85m煤柱。為了監(jiān)測(cè)地表變形移動(dòng)，在工作面中心上方地表附近每隔40m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。通過改變模型開挖步數(shù)反映推進(jìn)速度的快慢，開挖步數(shù)越大代表推進(jìn)速度越慢，反之表示推進(jìn)速度越快，通過開挖步數(shù)的不同表示不同的推進(jìn)速度進(jìn)行研究，分析覆巖的破壞規(guī)律。目前陜北采煤實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、智能化開采，采煤速度大幅度提高，目前開采速度達(dá)到了6.4m/d，本文分別選取4m/d、6m/d、8m/d三種不同實(shí)際開挖速度對(duì)煤層進(jìn)行開采。為了與實(shí)際相對(duì)應(yīng)，開挖方案如下：

1)模型共開采48步，一步開采10m，對(duì)應(yīng)實(shí)際開挖速度4m/d。

2)模型共開采32步，一步開采15m，對(duì)應(yīng)實(shí)際開挖速度6m/d。

3)模型共開采24步，一步開采20m，對(duì)應(yīng)實(shí)際開挖速度8m/d。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置位置

3 模擬結(jié)果

3.1 塑性區(qū)發(fā)育特征

工作面開采過程中，采空區(qū)覆巖受拉應(yīng)力作用影響發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生豎直方向或橫向的裂紋為裂隙帶，裂隙帶的最大值與塑性區(qū)發(fā)育高度的最大值是相一致的。以三種不同速度開挖結(jié)束后的塑性區(qū)如圖2所示。

圖2 塑性區(qū)分布

以4m/d速度開挖結(jié)束后，塑性區(qū)高度發(fā)育至42.1m，溝谷左側(cè)坡體下方發(fā)生較大塑性區(qū)破壞，塑性區(qū)破壞高度大于右側(cè)坡體；以6m/d速度開挖結(jié)束后，塑性區(qū)高度發(fā)育至32.1m，導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)以溝谷為中心對(duì)稱分布；以8m/d速度開挖結(jié)束后，塑性區(qū)高度發(fā)育至30.2m，導(dǎo)水裂隙帶形態(tài)以溝谷為中心對(duì)稱分布，如圖2所示。隨著開采速度增加，塑性區(qū)破壞高度減小，導(dǎo)水裂隙帶高度也隨之減小。

3.2 垂向應(yīng)力分布特征

開挖結(jié)束后在模型中心處切片，進(jìn)行切片觀察，當(dāng)工作面分別以4m/d、6m/d、8m/d的速度開采至240m時(shí)，覆巖垂向拉應(yīng)力峰值已分別為0.66MPa、0.62MPa、0.56MPa，如圖3所示?？梢钥闯?，隨著工作面推進(jìn)速度的增加，覆巖垂向應(yīng)力值不斷減小。隨著工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層壓力在不斷增大，開挖速度慢使工作面老頂載荷逐漸上升，存在一定安全隱患，增大工作面的推進(jìn)速度有利于工作面圍巖控制。

圖3 垂向應(yīng)力分布(MPa)

3.3 覆巖下沉特征

開挖結(jié)束后提取地表13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在工作面推進(jìn)至120m、240m和480m時(shí)地表的下沉值，并繪制下沉曲線，如圖4所示。

圖4 不同速度開挖時(shí)地表下沉曲線

當(dāng)工作面推進(jìn)至120m時(shí)，工作面尚未推進(jìn)至溝谷，覆巖最大下沉值位于2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，位于溝谷左側(cè)，溝谷以及溝谷右側(cè)下沉較小。當(dāng)以4m/d速度開采時(shí)，2號(hào)點(diǎn)處下沉值為0.372m，以6m/d速度開采時(shí)，2號(hào)點(diǎn)處小下沉值為0.31m，以8m/d速度開采時(shí)，2號(hào)點(diǎn)處下沉值為0.27m。

當(dāng)工作面推進(jìn)至240m時(shí)，工作面推進(jìn)過溝谷，溝谷及溝谷右側(cè)坡體下沉值開始增大，最大下沉值位于6號(hào)點(diǎn)處，也就是溝谷中心處，左側(cè)坡體以及溝谷處下沉位移值增加，以4m/d速度開采時(shí)，6號(hào)點(diǎn)處下沉值為1.28m，以6m/d速度開采時(shí)，6號(hào)點(diǎn)處下沉值為1.07m，以8m/d速度開采時(shí)，6號(hào)點(diǎn)處下沉值為0.87m。

當(dāng)工作面推進(jìn)至480m時(shí)，煤層已開挖結(jié)束，其下沉曲線形態(tài)呈“碗”狀，最大下沉值位于6號(hào)點(diǎn)處，溝谷處下沉值最大，溝谷兩側(cè)坡體下沉值小，這是由于溝谷處煤層覆巖高度小，破壞高度大。當(dāng)以4m/d速度開采時(shí)，6號(hào)點(diǎn)處下沉值為1.71m，以6m/d速度開采時(shí)，6號(hào)點(diǎn)處下沉值為1.54m，以8m/d速度開采時(shí)，6號(hào)點(diǎn)處下沉值為1.3m。對(duì)比得出，當(dāng)煤層以8m/d的速度進(jìn)行開挖時(shí)，地表下沉值最小。由于開采速度加快，地表變形時(shí)間縮短，地表受應(yīng)力擾動(dòng)范圍和擾動(dòng)程度減小，因此加快開采速度，地表垂向位移值有所減小。

3.4 水平移動(dòng)特征

過溝開采結(jié)束后，兩側(cè)坡體覆巖向溝谷推擠，位移值為正代表巖體向右水平移動(dòng)，位移值為負(fù)代表巖體水平向左移動(dòng)。不同開采速度下地表水平位移如圖5示，隨著工作面逐漸向前推進(jìn)通過溝谷直至開采結(jié)束，可以看出隨著開采速度加快，水平位移值越小。當(dāng)工作面以4m/d的速度開采至480m時(shí)，溝谷處地表最大水平移動(dòng)值為0.2m；當(dāng)工作面以6m/d的速度開采至480m時(shí)，溝谷處地表最大水平移動(dòng)值為0.18m；當(dāng)工作面以8m/d的速度開采至480m時(shí)，溝谷處地表最大水平移動(dòng)值為0.15m，兩側(cè)坡體水平移動(dòng)值較大，溝谷兩側(cè)坡體大致以位于溝谷處的4號(hào)點(diǎn)為中心，向溝谷中心堆積。

圖5 不同速度開采至480m水平位移

隨著工作面推進(jìn)速度增加，模擬煤層開挖結(jié)束后覆巖變形值見表2。開挖結(jié)束時(shí)，以4m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為42.1m，當(dāng)以6m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為32.1m，當(dāng)以8m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為30.2m。8m/d的速度相對(duì)于以4m/d的速度進(jìn)行開挖時(shí)，其導(dǎo)水裂隙帶高度減小了28%。當(dāng)以4m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，地表下沉值為1.71m，當(dāng)以6m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，地表下沉值為1.54m，當(dāng)以8m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，地表下沉值為1.3m。8m/d的速度相對(duì)于以4m/d的速度進(jìn)行開挖時(shí)，其地表下沉值減小了24%。當(dāng)以4m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，地表水平移動(dòng)值為0.2m，當(dāng)以6m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，地表水平移動(dòng)值為0.18m，當(dāng)以8m/d的速度對(duì)煤層進(jìn)行開挖時(shí)，地表水平移動(dòng)值為0.15m。8m/d的速度相對(duì)于以4m/d的速度進(jìn)行開挖時(shí)，其地表水平移動(dòng)值減小了25%。

目前安山煤礦開采速度為6.4m/d，通過數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)煤礦分別以4m/d、6m/d和8m/d的速度進(jìn)行開挖時(shí)，其中以8m/d的速度開挖完成后，所造成地表沉降量、覆巖水平移動(dòng)量以及裂隙帶高度均最小，因此煤礦可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加工作面推進(jìn)速度，可以減輕采動(dòng)過程中產(chǎn)生的地表損害。

表2 開挖結(jié)束后覆巖變形對(duì)比

4 結(jié) 論

1)分別以4m/d、6m/d和8m/d速度開挖結(jié)束后，導(dǎo)水裂隙帶最終高度分別發(fā)育至42.1m、32.1m和30.2m。以8m/d的速度開挖相對(duì)于以4m/d的速度開挖導(dǎo)水裂隙帶高度減小了28%。

2)在過溝開采條件下，開挖速度對(duì)覆巖移動(dòng)的影響范圍不同。開挖結(jié)束后，溝谷處地表下沉值最大，以8m/d的速度開挖相對(duì)于以4m/d的速度開挖地表水平移動(dòng)值減少了24%；地表水平移動(dòng)值在溝谷兩側(cè)坡體較大，兩側(cè)坡向溝谷中心堆積，以8m/d的速度開挖相對(duì)于以4m/d的速度開挖，地表水平移動(dòng)值減少了25%。

3)過溝開采煤層推進(jìn)速度對(duì)煤層開采過程中覆巖移動(dòng)有一定的影響。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，煤層開采速度與開采后覆巖所產(chǎn)生的水平移動(dòng)量、地表沉降量以及導(dǎo)水裂隙帶高度呈反相關(guān)。因此為了減少覆巖移動(dòng)變形的影響，在煤礦生產(chǎn)過程中，可根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)增加煤層推進(jìn)速度。