沈永炬，黃 遠(yuǎn)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤系地層可分為單一煤層和煤層群等地層。目前礦業(yè)界的研究主要集中在單一煤層開采的礦山壓力顯現(xiàn)及其控制上[1-2]，對(duì)煤層群開采過程中沉陷特點(diǎn)及相互影響規(guī)律的研究還相對(duì)較少，特別是近距離多煤層開采相互間具有顯著影響。隨著煤炭企業(yè)的開采強(qiáng)度逐年增大，礦井平均采深增加，有些煤礦的開采是在已采煤層之下再進(jìn)行開采，或者實(shí)行上下兩煤層聯(lián)合開采，形成了多煤層開采問題[3-4]；多煤層開采上覆巖土層的運(yùn)移規(guī)律、下煤層開采時(shí)上覆巖層的破壞形態(tài)等問題有待深入研究。

1 研究區(qū)地層條件特征

山西柳林某煤田揭露的地層有第四系、第三系、二疊系山西組等。第四系平均厚度在35.05m，主要為亞黏土、亞砂土，夾有鈣質(zhì)結(jié)核，石英顆粒成分較多，黏土質(zhì)較少，也可稱微粒砂質(zhì)亞黏土。第三系平均厚度53.39m，底部為洪積相，為半膠結(jié)狀砂礫層，礫石成分主要為石灰?guī)r、石英巖；中、上部為洪積相、湖泊相，主要為砂質(zhì)黏土、亞黏土及黏土，與下伏地層呈角度不整合接觸。含煤地層二疊系山西組揭露平均厚度為60.80m，其變化為東南、西北部較厚，中部較薄。巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中～細(xì)粒砂巖，含煤5～10層，在礦區(qū)北部，3、4號(hào)煤合并，稱為3+4號(hào)煤。礦區(qū)內(nèi)以3、4、5號(hào)煤層發(fā)育最佳。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

影響多煤層上覆巖層的移動(dòng)不僅和煤層間距有關(guān)，還和煤層的開采方式、上下煤層條帶等多因素有關(guān)。為主要進(jìn)行研究不同煤層間距對(duì)巖層的影響，將其他的因素理想化，模型中上下煤層的巷道互相對(duì)齊，且采取開采寬度相同。用有限差分法對(duì)煤層開采和巖層的沉陷進(jìn)行模擬，模型采用彈塑性材料模型，參數(shù)取值依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆孔資料和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果。為消除邊界效應(yīng)，三維模型的長(zhǎng)度200m，寬度200m，上部煤層開采高度4m,下部煤層開采高度3m,上部煤層頂板厚度103m，下部煤層底板底部巖層厚度為14m，模型兩邊各取60m 的邊界。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底面限制垂直移動(dòng)，上部施加上部巖層的自重應(yīng)力。煤層間距分別取6m、15m、30m。

2.2 模擬分析

當(dāng)煤層開采時(shí)，周圍巖層失去平衡，在應(yīng)力重分布的作用下產(chǎn)生變形和移動(dòng)。整個(gè)過程一般與開采深度、開采厚度、開采方式、頂板管理方法及巖石物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)采煤結(jié)束后，地表移動(dòng)還將持續(xù)一段時(shí)間，隨著時(shí)間的推移，最終達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

由煤層間距分別為6m、15m、30m的垂向位移中可以看到不同間距煤層開采時(shí)覆巖在豎直方向位移的變化情況。對(duì)比分析，煤層間距6m時(shí)，上部煤層頂板受到的影響范圍明顯比15m和30m的間距要大。根據(jù)對(duì)兩煤層間巖層的模擬監(jiān)測(cè)，6m間距時(shí)，巷道上部覆巖層的垂直位移量最小值為3.016m，大于下部煤層的厚度3m，煤層間巖層垮落。

為不同間距煤層開采水平位移量，可看出水平位移曲線關(guān)于中心成對(duì)稱，模擬監(jiān)測(cè)水平位移動(dòng)最大值分別約為1.501m、1.443m、1.412m，水平位移受多種因素控制，煤層上方的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育存在應(yīng)力拱現(xiàn)象可會(huì)對(duì)水平位移產(chǎn)生影響，由模擬觀測(cè)，水平位移呈現(xiàn)隨煤層間距增大而減小的特點(diǎn)。不同間距水平位移可見，距上部煤層頂板11～13m水平位移明顯變化，判定為上部煤層垮落帶高度，且水平位移在上部煤層垮落帶形成時(shí)達(dá)到最大值。

3 不同間距多煤層開采水平變形

覆巖層的水平移動(dòng)量沿走向呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢(shì)，6m、15m、30m煤層間距的覆巖層水平移動(dòng)量整體上關(guān)于中心對(duì)稱，見圖1。覆巖層中心的水平移動(dòng)量分別為0.566m、0.262m、0.097m，當(dāng)超出變形影響的一定范圍時(shí)，覆巖近似不發(fā)生水平移動(dòng)。圖2為反應(yīng)覆巖層的水平移動(dòng)與煤層間距的關(guān)系曲線。

模擬中簡(jiǎn)化處理煤層的開采方式、上下煤層的設(shè)置及布置等因素，直接反應(yīng)間距的變化對(duì)煤層的影響，開采沉陷穩(wěn)定后覆巖層的沉陷特征如圖3所示。不同煤層間距下，覆巖層同一位置的相對(duì)下沉量呈現(xiàn)隨著間距的增大而增大的特點(diǎn)，如圖4所示。分析可知，當(dāng)上下煤層間的巖層厚度增大，巖體的自重應(yīng)力也會(huì)隨之增大，在開采條件相同的情況下，巖層會(huì)形成相對(duì)較大的垮落帶，對(duì)上覆巖層沉陷量的影響會(huì)隨之增加。

圖1 上部覆巖層的水平變形曲線

圖2 上部覆巖層最大水平移動(dòng)量與煤層間距關(guān)系

圖3 上部覆巖層垂向變形曲線

圖4 上部覆巖層最大下沉量與煤層間距的關(guān)系

4 不同間距多煤層開采垂向變化

既定條件下，多煤層的開采對(duì)上覆巖層的垂向位移、水平移動(dòng)、沉降速度等較單一煤層的開采影響程度明顯加大，圖5為不同間距巖層的下沉量與深度的關(guān)系曲線。多煤層開采，上部煤層的上覆巖體具有沉陷連續(xù)性，隨深度的沉降量在較小范圍內(nèi)漸變，深度達(dá)到上下煤層的中間巖層時(shí)沉陷發(fā)生突變，煤層的開采和應(yīng)力場(chǎng)的綜合影響下，使煤層間的巖層沉陷、坍塌，不具有和上覆巖體沉陷連續(xù)性的特征。模擬監(jiān)測(cè)隨著煤層間距的增大，上下煤層間巖層的最大沉陷值分別為5.112m、6.553m、7.642m。

圖5 下沉量隨深度的變化情況

5 工程實(shí)例

研究區(qū)某礦井在建筑物下的多煤層試采工作面煤層間距15m，上部煤層采高4m,下部煤層采高3m,根據(jù)地表巖移觀測(cè)站測(cè)的數(shù)據(jù)分析得到,上部覆巖的最大水平變形為0.242mm,最大沉陷為6.12m,比數(shù)值模擬預(yù)計(jì)的偏差不大。理論與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，也證實(shí)了利用數(shù)值模擬方法預(yù)計(jì)地表沉陷變形的可行性。

6 結(jié)論

1) 數(shù)值模擬能較直觀呈現(xiàn)開采過程中覆巖的移動(dòng)變形情況，與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)比也證明了數(shù)值模擬預(yù)計(jì)覆巖破壞的可行性，如果能反映工程環(huán)境的客觀條件，就能更準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)開采引起的覆巖破壞。

2) 僅討論煤層間距對(duì)開采沉陷影響的條件下，6m的煤層間距在上覆巖層有較大的影響范圍，且在一定的間距范圍內(nèi)，上覆巖層垂向移動(dòng)量有隨煤層間距增大而增大的趨勢(shì)。

3) 多煤層開采水平移動(dòng)采空區(qū)中心對(duì)稱，上覆巖層的水平移動(dòng)量沿走向呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢(shì)。模擬中，采空區(qū)中心上方上覆巖層的水平移動(dòng)量隨煤層間距的增大而減小的特點(diǎn)，移動(dòng)量分別為0.566m、0.262m、0.097m。

4) 上部煤層的上覆巖體隨深度增加其下沉量的變化比較緩和，上下煤層的中間巖層與上覆巖體不具有下沉連續(xù)性，下沉量明顯變大。

[1]張俊英.多煤層條帶開采模擬理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào).2006,25(增刊):67-70.

[2]李全生,張忠溫,南培珠.多煤層開采相互采動(dòng)的影響規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào).2006,31(4):425-428.

[3]YANG Weifeng,JI Yubing,SHEN Dingyi,et al.Discrete Element Numerical Simulation of Crack Evolution in Multi-Coal Seam Mining.The 2010 International Conference on Computer Application and System Modeling,2010,14:383-385.

[4]YANG Wei-feng,SUI Wang-hua,XIA Xiao-hong.Model test of the overburden deformation and failure law in close distance multi-seam mining[J].Journal of coal science & engineering (China),2008,14(2):181-185.

[5]楊偉峰，隋旺華.薄基巖條帶開采覆巖與地表移動(dòng)數(shù)值模擬研究[J].煤田地質(zhì)與勘探.2004,32(3):18-20.

[6]趙成喜，李文平，孫如華，等.巨厚火成巖下多煤層疊加開采頂板變形破壞特征[J].煤礦安全，2010(9)：119-122.

[7]魏好，鄧喀中.受斷層影響多煤層條帶開采地表移動(dòng)規(guī)律研究[J].煤礦安全，2010(1)：8-11.