浅埋不同间距煤层群开采对地表沉陷的影响

邢宇祺 宁建国 徐国栋 牟举文

(山东科技大学矿业与安全工程学院)

浅埋不同间距煤层群开采对地表沉陷的影响

邢宇祺 宁建国 徐国栋 牟举文

(山东科技大学矿业与安全工程学院)

根据大柳塔煤矿地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟分析，得到了10～ 40 m不同间距煤层群岩层垂直位移云图及地表下沉曲线，探讨了地表最大下沉值与煤层群间距的关系，分析了不同煤层群间距下的地表沉陷规律。结果表明：随煤层群间距增加,对地表下沉的影响呈函数关系减小，同时地表下沉盆地边缘收敛缓慢。为浅埋不同间距煤层群开采地表沉陷防治与治理提供了参考。

煤层浅埋 煤层群间距 地表沉陷 数值模拟

煤炭在我国能源战略中占有主要的地位,是我国重要的一次性消费能源,作为不可再生资源,煤炭有限的资源储量与社会持续高增长需求之间的矛盾日渐凸显[1]。随着煤炭资源产量的逐年增加，矿井高强度开采必然会引起地表的二次沉陷，进而影响位于下沉盆地范围内的房屋建筑、河流、铁路、管道及其它构筑物，迫使其改变原有状态,甚至破坏[2]。由于各种地质原因造成煤层间距的连续变化，使得地表沉陷值随之发生变化，因此不得不考虑不同煤层群间距开采对地表沉陷的影响。神华集团大柳塔矿区2-2煤层的开采就是在1-2已采煤层之下进行的[3]，由于两层煤在采区内的煤层间距不尽相同，导致采区地表最大沉陷值发生变化。本文采用FLAC3D数值模拟软件，探讨浅埋不同间距煤层群开采对地表沉陷的影响，为地表沉陷的防治提供参考。

1 大柳塔煤矿

大柳塔煤矿地处神府煤田西北部，矿区内大部分属风沙堆积地貌。矿区地层发育从新到老分别为三叠系、侏罗系、白垩系、第三系和第四系。其中侏罗系中的延安组发育有煤层，主要可采煤层共有5层，分别为1-2、2-2、3-1、4-2和5-2煤，目前开采1-2和2-2煤层。由于受沉积环境及后剥蚀作用，两煤层间距在10～40 m内变化[4]。

1-2和2-2煤层为浅埋煤层群下开采，该区北部为火烧边界，西部为已采区，区内地质构造简单，煤层近水平，平均倾角1°。上部1-2煤层采用房柱式采煤法，最大采高7.5 m，留设永久煤柱，煤层直接顶为砂岩，厚3.0 m，底板为砂质泥岩，厚4.0 m，煤容重为1.27 t/m3；下部2-2煤层采用走向长壁采煤法，采高4.0 m，垮落法管理顶板，工作面设计长度220～250 m，平均235 m，走向长度2 000～5 000 m，平均3 500 m，煤层直接顶为砂质泥岩，厚20 m，底板为粉砂岩，厚10 m，煤容重为1.37 t/m3[3]。

2 数值模拟及分析

2.1 FLAC3D程序特征

FLAC3D为三维有限差分程序，基本原理类似于离散元法和有限元法，能够进行土质、岩石材料的三维结构受力特性模拟、塑性流动分析和解决边界条件不规则区域的连续问题。较以往的差分分析，FLAC3D在处理大变形和模拟软弱结构面的滑动变形等问题上进行了较大改进。FLAC3D以其较低的硬件配置、强大的前后处理功能以及对不同材料和工况较高的适应能力，在岩土工程及矿业工程领域得到广泛运用[5]。

2.2 确定边界条件

煤层的回采方向平行于X轴,与Y轴垂直，重力方向为Z轴，向上为正方向，向下为负方向。

模型x、y边界水平位移为零；模型底部边界水平、垂直位移为零；模型顶部为自由边界。数值模型见图1。

图1 数值模拟模型

2.3 力学模型和力学参数确定

各模型在开采前均计算达到原岩应力状态，设计采用理想的弹塑性模型，破坏准则选用摩尔-库仑准则[6]。

计算模型中采用的各岩层力学参数经由查询资料[2-4]确定。岩石的体积模量(K)和剪切模量(G)为:

(1)

(2)

式中,E0为弹性模量；μ为泊松比。

各层岩石物理力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数

2.4 模拟方案

建立4个数值模拟模型，计算模型尺寸(长×宽×高)为700 m×300 m×125 m。1-2煤层为已采煤层，采深74 m，采厚10 m；2-2煤层采厚6 m，两煤层间距分别取10,20,30,40 m，剩余厚度的顶板岩层岩性不变，两采空区尺寸均为(长×宽)460 m×220 m。为了使各方案模拟结果具有可比性,各煤层和岩层设置相同的物理力学参数。计算沿煤层走向分步进行，将开挖空间变成空单元，使模拟尽量贴合开采实际。

2.5 计算结果及分析

通过对上述各数值模型进行模拟计算，得出了各方案不同煤层群间距与地表竖向位移云图见图2。

由图2可知，仅开采1-2煤层时，采空区上方岩层发生剧烈的垂直位移，而远离采空区的岩层垂直位移较小；当两煤层间距为10 m时，垂直位移主要集中在采空区中央位置，2-2煤层的开采对上覆岩层的垂直位移影响较大，地表沉陷盆地平底面积较小；两煤层间距从10 m增大到40 m的过程中，岩层发生垂直位移的范围逐渐增大，而垂直位移值减小，2-2煤层的开采对上覆岩层的垂直位移影响减小，地表沉陷盆地平底面积逐渐增大。

根据模拟计算结果得到煤层群不同间距条件下的地表下沉曲线，从而得到煤层群不同间距时的地表最大下沉值W，见表2。

根据上述模拟结果，得出地表最大下沉值W与煤层群不同间距之间的关系,如图3所示。

图4、图5显示了随煤层开采步长增加，煤层间距为10,30 m时，地表下沉曲线随步长的变化曲线。

分析上述模拟计算结果可知：①煤层群间距越大，地表的最大下沉值呈函数关系缓慢减小，并逐渐向仅开采1-2煤层时地表的最大下沉值收敛;②随着煤层群间距地增加，地表下沉盆地边缘缓慢收敛，地表移动盆地趋于平缓，平底面积增大，2-2煤层的开采对地表沉陷的影响逐渐减小;③地表移动盆地的中央区域，变形集中，最大下沉值就出现在该位置;④当下部2-2煤层工作面推进距离较小时，地表沉陷主要受到上部1-2煤层开采的影响。随着长壁工作面推进距离的逐渐增加，地表移动主要受长壁工作面开采影响，同时地表垂直下沉量逐渐增加，地表垂直下沉曲线的对称性更加明显。

图2 不同煤层群间距时岩层与地表垂直位移云图

表2 煤层群不同间距时地表最大下沉值

图3 煤层群间距与地表下沉关系

图4 煤层间距为10 m时地表下沉随步长的变化曲线

图5 煤层间距为30 m时地表下沉随步长的变化曲线

3 结 论

(1) 随煤层群间距增加，地表最大下沉值呈二次函数关系减小，当煤层间距足够大时(40 m以上)，地表最大下沉值与仅开采1-2煤层时地表的最大下沉值基本相当，同时地表遭受破坏的范围扩大，地表沉陷盆地边缘缓慢收敛，2-2煤层的开采对地表沉陷的影响逐渐减小。

(2) 地表移动盆地的中央位置，为地表沉陷集中区，并出现最大下沉值。

(3) 随着下部长壁工作面推进，地表垂直下沉量逐渐增加，地表垂直下沉曲线的对称性更加明显。

[1] 仲丛明.垮落法残采区上行开采层间岩层移动变形规律数值模拟研究[D].山西:太原理工大学,2011.

[2] 秦大亮.近水平煤层群开采地表移动规律的研究[D].重庆:重庆大学,2002.

[3] 王明立.房柱式采煤法煤柱稳定性及覆岩破坏规律研究[D].北京:煤炭科学研究总院,1999.

[4] 武 强,王 龙,魏学勇,等.榆神府矿区大柳塔井田煤层群采地面沉陷可视化数值模拟[J].水文地质工程地质,2003,46(6):37-39.

[5] 郭玉芳,孟凡迪,陈俊杰.厚松散层开采条件下地表沉陷数值模拟分析[J].煤炭工程,2014,46(6):103-105.

[6] 华 乐,赵 涛,武 振,等.急倾斜多煤层开采地表沉陷数值模拟[J].中州煤炭,2014,35(1):1-3.

Influence of the Mining of Coal Seam Group with Different Spacing in a Shallow Depth to Surface Subsidence

Xing Yuqi Ning Jianguo Xu Guodong Mou Juwen

(School of Resource and Environment, Shandong University of Science and Technology)

coal seam group mining, the surface subsidence value changes with the difference of the coal seam group spacing.According to the geological conditions,based on the FLAC3Dnumerical software, the vertical displacement cloud diagram and subsidence curve of the coal seam group with spacing from 10 m to 40 m, besides that,the surface subsidence law of the coal seam group with different spacing is analyzed. The research results show that, the influence of surface subsidence decreases by function relation as the coal seam group spacing increase, meanwhile,the edge of land subsidence basin with slow convergent speed.The above research results can provide reference for prevention and treatment of surface subsidence of the coal seam group with different spacing under the similar conditions.

Shallow buried of coal seam, Coal seam group spacing, Surface subsidence, Numerical simulation

2015-02-10)

邢宇祺(1993—)，男，266590 山东省青岛市黄岛区前湾港路579号。