不同间距多煤层开采覆岩破坏特征的数值模拟

沈永炬，黄 远

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

煤系地层可分为单一煤层和煤层群等地层。目前矿业界的研究主要集中在单一煤层开采的矿山压力显现及其控制上[1-2]，对煤层群开采过程中沉陷特点及相互影响规律的研究还相对较少，特别是近距离多煤层开采相互间具有显著影响。随着煤炭企业的开采强度逐年增大，矿井平均采深增加，有些煤矿的开采是在已采煤层之下再进行开采，或者实行上下两煤层联合开采，形成了多煤层开采问题[3-4]；多煤层开采上覆岩土层的运移规律、下煤层开采时上覆岩层的破坏形态等问题有待深入研究。

1 研究区地层条件特征

山西柳林某煤田揭露的地层有第四系、第三系、二叠系山西组等。第四系平均厚度在35.05m，主要为亚黏土、亚砂土，夹有钙质结核，石英颗粒成分较多，黏土质较少，也可称微粒砂质亚黏土。第三系平均厚度53.39m，底部为洪积相，为半胶结状砂砾层，砾石成分主要为石灰岩、石英岩；中、上部为洪积相、湖泊相，主要为砂质黏土、亚黏土及黏土，与下伏地层呈角度不整合接触。含煤地层二叠系山西组揭露平均厚度为60.80m，其变化为东南、西北部较厚，中部较薄。岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、中～细粒砂岩，含煤5～10层，在矿区北部，3、4号煤合并，称为3+4号煤。矿区内以3、4、5号煤层发育最佳。

2 数值模拟

2.1 模型建立

影响多煤层上覆岩层的移动不仅和煤层间距有关，还和煤层的开采方式、上下煤层条带等多因素有关。为主要进行研究不同煤层间距对岩层的影响，将其他的因素理想化，模型中上下煤层的巷道互相对齐，且采取开采宽度相同。用有限差分法对煤层开采和岩层的沉陷进行模拟，模型采用弹塑性材料模型，参数取值依据现场地质钻孔资料和岩石力学试验结果。为消除边界效应，三维模型的长度200m，宽度200m，上部煤层开采高度4m,下部煤层开采高度3m,上部煤层顶板厚度103m，下部煤层底板底部岩层厚度为14m，模型两边各取60m 的边界。模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移动，上部施加上部岩层的自重应力。煤层间距分别取6m、15m、30m。

2.2 模拟分析

当煤层开采时，周围岩层失去平衡，在应力重分布的作用下产生变形和移动。整个过程一般与开采深度、开采厚度、开采方式、顶板管理方法及岩石物理力学性质有关。当采煤结束后，地表移动还将持续一段时间，随着时间的推移，最终达到基本稳定状态。

由煤层间距分别为6m、15m、30m的垂向位移中可以看到不同间距煤层开采时覆岩在竖直方向位移的变化情况。对比分析，煤层间距6m时，上部煤层顶板受到的影响范围明显比15m和30m的间距要大。根据对两煤层间岩层的模拟监测，6m间距时，巷道上部覆岩层的垂直位移量最小值为3.016m，大于下部煤层的厚度3m，煤层间岩层垮落。

为不同间距煤层开采水平位移量，可看出水平位移曲线关于中心成对称，模拟监测水平位移动最大值分别约为1.501m、1.443m、1.412m，水平位移受多种因素控制，煤层上方的导水裂隙带发育存在应力拱现象可会对水平位移产生影响，由模拟观测，水平位移呈现随煤层间距增大而减小的特点。不同间距水平位移可见，距上部煤层顶板11～13m水平位移明显变化，判定为上部煤层垮落带高度，且水平位移在上部煤层垮落带形成时达到最大值。

3 不同间距多煤层开采水平变形

覆岩层的水平移动量沿走向呈现先增大后变小的趋势，6m、15m、30m煤层间距的覆岩层水平移动量整体上关于中心对称，见图1。覆岩层中心的水平移动量分别为0.566m、0.262m、0.097m，当超出变形影响的一定范围时，覆岩近似不发生水平移动。图2为反应覆岩层的水平移动与煤层间距的关系曲线。

模拟中简化处理煤层的开采方式、上下煤层的设置及布置等因素，直接反应间距的变化对煤层的影响，开采沉陷稳定后覆岩层的沉陷特征如图3所示。不同煤层间距下，覆岩层同一位置的相对下沉量呈现随着间距的增大而增大的特点，如图4所示。分析可知，当上下煤层间的岩层厚度增大，岩体的自重应力也会随之增大，在开采条件相同的情况下，岩层会形成相对较大的垮落带，对上覆岩层沉陷量的影响会随之增加。

图1 上部覆岩层的水平变形曲线

图2 上部覆岩层最大水平移动量与煤层间距关系

图3 上部覆岩层垂向变形曲线

图4 上部覆岩层最大下沉量与煤层间距的关系

4 不同间距多煤层开采垂向变化

既定条件下，多煤层的开采对上覆岩层的垂向位移、水平移动、沉降速度等较单一煤层的开采影响程度明显加大，图5为不同间距岩层的下沉量与深度的关系曲线。多煤层开采，上部煤层的上覆岩体具有沉陷连续性，随深度的沉降量在较小范围内渐变，深度达到上下煤层的中间岩层时沉陷发生突变，煤层的开采和应力场的综合影响下，使煤层间的岩层沉陷、坍塌，不具有和上覆岩体沉陷连续性的特征。模拟监测随着煤层间距的增大，上下煤层间岩层的最大沉陷值分别为5.112m、6.553m、7.642m。

图5 下沉量随深度的变化情况

5 工程实例

研究区某矿井在建筑物下的多煤层试采工作面煤层间距15m，上部煤层采高4m,下部煤层采高3m,根据地表岩移观测站测的数据分析得到,上部覆岩的最大水平变形为0.242mm,最大沉陷为6.12m,比数值模拟预计的偏差不大。理论与实测数据的对比，也证实了利用数值模拟方法预计地表沉陷变形的可行性。

6 结论

1) 数值模拟能较直观呈现开采过程中覆岩的移动变形情况，与现场的数据对比也证明了数值模拟预计覆岩破坏的可行性，如果能反映工程环境的客观条件，就能更准确的预计开采引起的覆岩破坏。

2) 仅讨论煤层间距对开采沉陷影响的条件下，6m的煤层间距在上覆岩层有较大的影响范围，且在一定的间距范围内，上覆岩层垂向移动量有随煤层间距增大而增大的趋势。

3) 多煤层开采水平移动采空区中心对称，上覆岩层的水平移动量沿走向呈现先增大后变小的趋势。模拟中，采空区中心上方上覆岩层的水平移动量随煤层间距的增大而减小的特点，移动量分别为0.566m、0.262m、0.097m。

4) 上部煤层的上覆岩体随深度增加其下沉量的变化比较缓和，上下煤层的中间岩层与上覆岩体不具有下沉连续性，下沉量明显变大。

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