公路下开采工作面长度对上覆岩层的影响

2014-07-30陈光

山西焦煤科技 2014年10期

陈光

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024；2.煤炭工业太原设计研究院，山西太原 030001)

在煤矿开采过程中，为提高煤炭资源的回收率，当矿区地表存在较发达的公路系统时，工作面将不可避免地布置在高速公路下侧。为保证煤矿的安全高效生产以及高速公路的正常运行，工作面长度对上覆岩层的影响显得尤为重要。因此，本文以某矿1302工作面为研究对象，对此种情况下不同工作面长度对上覆岩层移动变形的影响进行数值模拟研究，为公路下开采工作面的布置提供了参考。

1 工作面概况

1302工作面位于长治南高速路口附近，其中工作面上部一侧靠近长晋高速公路，并有长临公路横穿部分工作面。1302工作面煤层底板等高线在560～570 m，地面标高在911～915.9 m，平均埋深357 m。3#煤层上覆岩层总厚度为347.8 m，其中表土层约为184 m，基岩层约163.8 m，表土层占整个上覆岩层的比例为52.9％，其上覆岩层属于厚松散层地层。3#煤层位于山西组下部，上距K8砂岩底36 m左右，下距K7细砂岩8 m左右，距太原组K6燧石灰岩17 m左右，距9#煤层68 m左右。煤层厚6.30～8.40 m，平均7.18 m，该煤层为厚煤层，普遍含0～2层炭质泥岩夹矸，结构简单，厚度大，属全区可采稳定煤层。顶板岩性为泥岩、砂质泥岩、各粒级砂岩，底板岩性为泥岩、砂质泥岩、砂岩。

2 数值模拟

2.1 模型的确定及力学参数选取

以1302工作面为研究对象，建立了基于FLAC3D程序的三维计算模型进行数值分析，数值模型见图1。为直观、系统地反映综放条件下上覆岩层的受力与变形情况，数值模型对1302工作面的地质采矿条件进行了适当简化，将由砂岩、泥岩、砂质泥岩等组成的基岩简化为一种岩性，数值模型的力学参数见表1。

图1 数值模型示意图

2.2 数值模拟方案

为了研究工作面长度对上覆岩层移动变形的影响，采用FLAC3D对工作面长度分别为150 m、200 m和250 m，走向长度540 m，煤层采厚7.0 m，采深357 m，松散层厚度180 m的工作面，进行了数值模拟研究。

表1 数值模型的力学参数表

2.2.1不同工作面长度下上覆岩层应力分析

工作面长度分别为150 m、200 m、250 m时煤层开采后倾向主剖面上的最大主应力云图见图2。

a) 工作面长度为150 m

b) 工作面长度为200 m

c) 工作面长度为250 m

从图2中可以看出，随着宽深比的变化，开采对岩层的扰动程度和方式呈现出不同的特征：采动程度比较小时，采空区顶板出现较小的断裂垮落，上覆岩层垮落后，大块岩石在应力作用下，出现岩块之间的相互咬合、挤压，并最终形成以砌体梁为主要承载体的平衡拱结构。该砌体拱结构将上部应力和荷载传递给采空区煤柱，并在其内部形成应力集中区，而砌体梁拱结构下部的岩体在其保护下不受上部荷载的作用，形成应力降低区。对于砌体拱结构上部的岩体在应力重新作用下逐渐恢复原始应力，上覆岩层和表土层在砌体拱结构和上覆关键岩层的共同保护作用下，将出现较小的变形和移动。随着工作面长度的增加，开采影响程度变大，砌体拱承受的作用力也变大，为重新达到应力平衡状态，上覆岩层垮落高度和垮落范围将发展扩大，最终造成了地表下沉量的增加。

2.2.2不同工作面长度下上覆岩层移动分析

工作面长度分别为150 m、200 m、250 m时煤层倾向主剖面上的竖直移动云图见图3。

a) 工作面长度为150 m

b) 工作面长度为200 m

c) 工作面长度为250 m

从图3可以看出，不同开采长度对上覆岩层的移动影响不同。一般来说，岩体垮落后在应力作用下都具有向新平衡发展的趋势，以保证上覆岩层的重新稳定。在工作面长度较小时，开采引起的开采空间也较小，上覆岩层垮落形成新平衡较容易，此时岩层的垮落对上覆表土层影响较小。当开采长度达到一定数值时，开采空间达到一定极限，上覆岩层要形成新的平衡较困难，新平衡的建立必须以大量上部岩层的垮落充填采空区为代价。这样就造成岩层垮落高度向地表方向扩展，并最终造成严重的地表开采沉陷，因此在设计工作面长度时，很有必要考虑长度对上覆表土层移动变形造成的影响。

2.2.3不同工作面长度下地表移动分析

工作面长度分别为150 m、200 m、250 m时煤层开采后地表下沉云图见图4。

a) 工作面长度为150 m

b) 工作面长度为200 m

c) 工作面长度为250 m

工作面不同采宽条件下地表沉陷情况见表2。

表2 不同工作面长度条件下煤层开采地表沉陷情况表

在这3种情况下，采宽与采深之比(即采动程度)分别为0.42、0.56、0.70。从图4可以看出，在其它地质采矿条件一定的情况下，工作面开采长度较小时，地表下沉不明显，地表影响范围也较小。随工作面长度的增加地表下沉影响范围不断扩大，下沉量也随之增加，这说明工作面开采长度(也即采动程度)对地表沉陷的影响较大。由模拟结果可得地表最大下沉值由2 122 mm增加到5 187 mm，它随着采动程度的变化而显著变化。

2.3 数值模拟结果

通过对不同工作面长度条件下上覆岩层及地表变形情况的数值模拟分析得出：

1) 从岩层内部应力云图可以看到，煤层开挖前，煤层和上覆岩层都处于稳定状态，应力平衡。随着工作面的推进，当长度达到一定数值时，上覆岩层平衡结构被破坏，而新平衡的建立必须经过上覆岩层的不断断裂、垮落、挤压、应力重分布等复杂的过程而最终形成。当宽深比增大时，采空区上覆岩层垮落空间明显扩大，垮落高度向地表方向发展，平衡结构处于动态变化过程。老平衡结构不断被破坏，新平衡结构不断向更大岩层范围发展，直到岩层最终平衡为止。这样就造成了上覆岩层的不断垮落，引起地表大范围的沉陷。

2) 应力平衡拱可有效控制上覆岩层的移动和变形，平衡拱高度与采动程度密切相关，采动程度越大，应力平衡拱越高。该拱结构一般分布在基岩中，当上覆岩层为薄基岩、厚表土层，应力平衡拱高度超过基岩，不能形成平衡拱结构，在这种情况下将造成严重的地表下沉。

3) 不同工作面长度条件下，随着工作面长度的增加，地表最大下沉量和下沉影响范围也随之增大。工作面长度为150 m时，其最大下沉量为2 000 mm。工作面长度达到200 m时，其最大下沉量为4 000 mm，工作面长度为250 m时，最大下沉量为5 000 mm。最大影响范围为200～270 m。