陕北典型地质条件下煤炭开采方法的数值模拟研究

2018-07-30张泽

陕西煤炭 2018年3期

张泽

(陕西汇森煤业开发有限责任公司，陕西西安 710065)

0 引言

煤炭作为我国工业发展的支柱，在过去的几十年中，产量是其行业发展的主要衡量指标。然而，以产量定输赢的粗放型开采模式造成了众多环境及安全问题。当前，随着社会的进步，如何实现煤炭的绿色高效开采对于我国国民经济的发展至关重要[1-2]。走向长壁开采作为近年来我国各大矿井最常应用的开采方法，能够最大化地提升煤炭产量是其主要优势，但是由于其开采方法近似是将地层中的煤炭进行整层剥离，由此导致的地表沉陷、地下水断流及地表植被匮竭业已成为绿色开采的桎梏所在[3-4]。

在国家既需要煤炭又需要煤炭开采不破坏环境的大前提下，采用对环境破坏程度较小的条带式采煤方法成为一种可行方式，而条带采煤方法中煤柱的稳定性是学者们研究的重点。刘贵[5-7]运用弹塑性理论优化了A.H Wilson[8]计算公式，定量化地提出了条带开采的煤柱尺寸表达式并在现场中得到了检验。郭惟嘉等[9-10]运用物理相似模拟及现场实测的方式，研究了深井宽条带开采中的地表沉陷及煤柱稳定性问题。朱卫兵等[11-13]通过运用离散元数值模拟手段，分析了村庄下煤矿的条带开采方案，得出了条带采宽与垂直支承应力间的线性关系，从而为矿井的高效生产提供了技术支撑。

针对我国西部地区水资源匮乏的现状，基于厚松散表土层及浅埋煤层这一陕北典型地质条件为基础，运用有限元数值计算软件FLAC3D，针对凉水井煤矿4-2煤层，对比分析条带开采与长壁开采覆岩结构的演化规律，并重点分析采用不同采、留宽参数条件下条带煤柱的稳定性，从而为类似矿井的绿色回采给予理论支撑。

1 矿井及工作面概况

凉水井煤矿位于陕西神木市境内，其矿区地表为一巨厚松散层，平均厚度40 m。4-2煤层为矿井主采煤层，平均埋深110 m，均厚3.0 m，倾角0°～3°，为浅埋煤层。基本顶主要为细粒砂岩及粉砂岩，岩性以粉砂岩—细粒砂岩为主，厚度0.55～26.72 m，平均7 m，偶见泥岩伪顶，属于稳定顶板。4-2煤层直接底岩性以粉砂岩为主，厚度0.51～24.03 m，平均12 m。

模拟研究42113工作面。工作面长度310 m，走向长度4 380 m。由于地表松散层较厚且煤层埋深较浅，在采用走向长壁采煤法回采时，地表沉陷较为明显并偶尔伴随有溃沙现象，回采形成的覆岩裂缝已经贯穿至地表，当有地面降水时，由于此裂缝带的存在，造成水土流失严重，雨水还会导入井下，造成水害。

2 模型构建

2.1 模型构建及参数选取

数值计算主要通过对比同一地质条件下走向长壁与条带开采的区别来展开研究。模拟采用FLAC3D5.0有限元数值软件。由于沿着回采方向，无论条带开采还是走向长壁开采均呈现周期性来压特征，故所构建模型可看作沿着工作面回采方向的剖面，如图1(a)所示A-A剖面。实验设计模型长度300 m(沿工作面推进方向)，高度140 m，模拟4-2煤层埋深110 m，如图1(b)所示。根据相关钻孔信息及岩石力学试验，对各煤岩层进行优化赋参，煤岩层的物理力学参数见表1。

a-模型走向剖面位置示意图；b-数值模型图1 42113工作面地质条件下模型构建示意图

2.2 约束条件

针对现场地质情况，为保证模拟的合理有效，对模型两侧边界进行水平位移约束。在此地质条件下，运用走向长壁开采及条带开采2种不同模式进行开挖。

走向长壁法开采：模型开挖步距为4 m，开挖一步运算一步，运算平衡标准为最大不平衡力小于10-3N，共连续开挖60步，开挖总步距240 m，最终开挖运算完成如图3(a)所示。

表1 各煤岩层物理力学参数

条带开采：如图2(b)所示，采20 m留10 m，开采20 m运算一次至平衡，然后隔10 m再开采20 m，以此为一个周期共运算8次，开采加留设总长度240 m；如图2(c)所示，采12 m留8 m，开采12 m运算一次至平衡，然后隔8 m再开采12 m，以此为一个周期共运算12次，开采加留设总长度240 m；如图2(d)所示，采10 m留10 m，开采10 m运算一次至平衡，然后隔10m再开采10 m，以此为一个周期共运算12次，开采加留设总长度240 m。

a-走向长壁开采；b-采20 m留10 m；c-采12 m留8 m；d-采10 m留10 m图2 不同开采条件下模型开挖运算至平衡图

3 模拟结果分析

3.1 模型建立的合理准确性

图3为未开采时的煤岩层赋参至平衡垂直应力云图。由图3可知，在数值模型建立以后，各煤岩层受力状态均匀，垂直应力等值线呈近似直线状态分布，表明模型中没有未耦合点导致的应力集中现象出现，岩层应力逐层传递，从而可知模型建立的科学合理，人为因素的建模误差极小。

图3 未开采条件下煤岩层赋参后运算平衡垂直应力云图

3.2 垂直应力分布规律

应力场的变化是覆岩结构变化以及裂隙带产生的根源，因此，要分析走向长壁与条带开采的本质区别，必须掌握二者应力场的分布特征及其同异点。

图4为不同开采条件下煤岩垂直应力分布云图。表明工作面无论以何种方式回采，由于其开采扰动，必然产生应力集中现象。2种开采模式中，均为采空区顶、底板中部区域所受应力最小，两支承点所受应力最大。

走向长壁开采中的应力分布呈现出驼峰状的特征，两支承点最大受力区域达6 m宽，最大受力区域的垂向应力在21.2～20.0 MPa之间。除此之外，将图4(a)与图3对比，采空区上方覆岩的受力也不再有均匀的等值线，表明开采对上覆岩层的受力状态影响明显。而条带开采中，采空区的应力分布状态呈现出周期性的拱形分布，类似于桥下的孔洞，这与条带开采后的围岩结构及其覆岩支撑密切相关。由于覆岩有多个窄条带煤柱进行支承，因此，虽然各支承点的应力分布明显大于未开采区域，但与长壁开采要小很多，其最大垂向应力在6.48～8.5 MPa之间，其支承应力仅为长壁开采的32.4%～40.1%。图4(b)～(d)与图3对比表明，位于采空区上方50 m及以上位置，依然有明显的近似直线的应力等值线存在，表明松散层及最上部的基岩仅仅受到极小的开采扰动的影响。

将条带开采中的单个煤柱取出，对比分析3种条带开采参数下煤柱的受力特征如图5所示。采20 m留10 m的煤柱内部受力明显呈现出驼峰状特征，最大应力达8.5 MPa，表明煤柱两侧受力相对较大。采12 m留8 m与采10 m留10 m煤柱内部受力状态类似于梯形。采12 m留8 m煤柱内部应力最小，仅为4 MPa。因此，从受力角度分析，采12 m留8 m=采10 m留10 m>采20 m留10 m。

3.3 覆岩变形及地表下沉规律

位移场的变化是覆岩运移以及地表下沉最直接的体现，地表下沉位移量越小，则地面产生沉陷进而导致水土流失的可能性也越小。因此，分析不同开采方法下的位移场变化特征对于保障绿色开采极为关键。

a-走向长壁开采；b-采20 m留10 m；c-采12 m留8 m；d-采10 m留10 m图4 不同开采条件下垂直应力分布云图

图6为不同开采条件下位移分布云图。由图6可知，走向长壁开采平衡后，其位移等值线图呈现出明显的急倾斜特征，其中采空区中部甚至已经接近垂直，表明厚表土松散层及浅埋煤层条件下，长壁开采后的覆岩顶板会产生周期性的切落，表现出台阶下沉现象，因此才会出现采空区上覆直接顶的位移与地表位移一致的现象。在此基础上结合图4(a)可知，其支撑区域应力极大正是由于这种台阶下沉式的切落导致的，这是由于采空区覆岩所形成的短砌体梁铰接结构的稳定性较小导致覆岩整体下沉。因此，虽说为浅埋煤层，在此地质条件下运用走向长壁法开采也极有可能出现明显的动压现象。由图7也可以看出，走向长壁的地表位移量远远大于条带开采的位移量，以二者最大位移量的比值来看，走向长壁的地表下沉是条带开采最大下沉量的6.428倍。

条带开采中，采空区覆岩的位移分布状态越往浅部越呈现出周期性近似直线的弧线形分布(图6(b)～(d))，其中，采20 m留10 m的最大下沉为28 mm，采12 m留8 m最大下沉为25 mm，采10 m留10 m最大下沉为23 mm(如图7)。尤其是采10 m留10 m的方式，地表下沉曲线已经极为类似于一条直线，这表明条带开采能够极为有效地遏制地表沉陷，而且其覆岩依旧存在极为稳定的结构，松散层未明显受到开采扰动的影响。

3.4 综合分析

在凉水井煤矿现采地质条件基础上，综合覆岩变形及应力变化特征，条带开采能够有效地防治岩层移动导致的地表沉陷现象，从而防止水土流失，实现绿色开采。而就采12 m留8 m、采10 m留10 m、采20 m留10 m这3种开采方式而言，采20 m留10 m与采12 m留8 m的经济效益最好，采12 m留8 m的煤柱稳定性最好，采10 m留10 m与采12 m留8 m的地表下沉程度最轻，故综合考虑，推荐采12 m留8 m的条带开采方式。