贵州喀斯特条件下近距离煤层开采覆岩活动规律数值模拟研究

2020-06-24刘洁周上苑张成汪承亮商攀

绿色科技 2020年2期

刘洁　周上苑　张成　汪承亮　商攀

摘要：为了研究近距离煤层开采的覆岩活动规律，通过数值模拟计算，得出了近距离煤层开采中，煤层中间间距变化对采场围岩应力分布规律、位移变化及变形破坏特点。研究结果表明：近距离煤层不同煤层间距条件下，覆岩下沉变形量随着煤层间距的增大而减小，矿压显现随着煤层间距的减小而明显，该结论对于相关的煤炭开采工作具有重要参考意义。

关键词：近距离煤层;覆岩活动规律;数值模拟;矿压显现规律

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：16 74-9944（ 2020） 2-0193-03

1 引言

运用FLAC数值模拟研究的方法，分析了近距离煤层开采过程中地表和覆岩应力分布规律、位移变化及变形特征。近距离煤层在世界上非常普遍，在我国大多数矿区中，多数矿区的可采煤层都大于5层;提高煤的开采率，合理的使用煤炭资源对于煤炭资源的开采与抱回有着长远的意义。多年来的开采，很多地区浅埋煤田的主采煤层已经或即将采完，部分矿区已开始回采下一层主采煤层（下煤层）。特别是上下层垂直间距很小时，下煤层开采前顶板岩层受上煤层开采后的影响产生不同程度的损伤破坏，导致下煤层开采引起的覆岩运移、采动应力演化超过垂直距离远的远距离煤层。在近距离煤层开采中，相互之间的影响非常大，危险系数非常高。

相关学者对近距离煤层开采时覆岩裂隙变化与应力的分布等问题进行了研究，取得了一系列成果。李勇[1]等研究了对于近距离煤层开采时的覆岩裂缝发育和演化机理;郭建清[2]等针对地质条件，采用岩层钻孔探测仪，实测近距离煤层同采过程中覆岩的破坏分布规律;刘春波[3]等主要分析马兰矿近距离煤层开采围岩采动应力分布特征;王宗林[4]等探索了浅埋煤层开采覆岩下沉位移与应力分布特征;杜炜[5]等主要研究了在上分层破坏区条件下的工作面覆岩活动规律;周劲峰[6]等研究了极近距离煤层联合开采采场覆岩活动特征及矿压显现规律;孙力[7]、左卫华[10]等分析了近距离煤层群下行开采覆岩运移特征试验;杨军等[8]采用经验公式对近距离煤层开采覆岩导水裂隙带高度模拟进行了研究;张勋等[9]用相似模拟实验研究了纵深大区域煤层群开采覆岩活动规律相似模拟。

2 工程背景

贵州某矿位于毕节市，属溶蚀一侵蚀性中低山沟谷地貌，地貌起伏较大。可采煤层M7、M9两层，M7煤层已开采完毕，现主采煤层M9，由于在M7煤层开采过后，其覆岩发生较大的活动，且M7煤层和M9煤层上下垂直高度是15～20 m，本项目就该煤层近距离煤层开采覆岩活动规律进行数值和模拟研究。

3 建立模型

3.1 各岩层力学参数

各岩层力学参数见表1。

3.2 模型岩层范围确定

根据该矿的地层信息，以及此次所研究的主题，建立的模型中，考虑煤层的地理位置及M7和M9两煤层之间的岩层和岩性。根据需要建立模型如图1所示。

4 开挖模拟方案

为达到研究目的地，本课题采取5种开采方案，以数值模拟得出的覆岩活动规律和矿压显现规律。主要分析在竖直方向上的覆岩活动规律和矿压显现规律。开采方案如表2所示。

4.1 上层覆岩活动规律和矿压显现规律

先从不同间距的位移云图和不同间距的应力云图对近距离煤层开采中分析对上层覆岩活动规律和矿压显现规律。

4.1.1 位移云图分析

现对10 m和20 m位移云图进行分析，10 m位移云图如图2，20 m位移云图如图3。

从图2和图3可以看出：煤层开采后，其位移都产生较大的变化，下沉最大量在中部，10 m、20 m开采方案的最大下沉值分别为6. 602 m、6.223 m。所以图2的覆岩活动比图3更加明显，受到开采后的影响更大。

4.1.2 应力云图分析

现对10 m云图进行分析，10 m应力云图如图4，20m应力云图如图5。

从图4和图5可以看出煤层开采后都是两侧的垂直应力最大，10 m、20 m的最大矿压值分别为34. 29MPa、28. 86 MPa。所以图4的矿压显现比图五的矿压显现更加明显。开采后的影响更大。

4.2 煤层不同间距的位置

4.2.1 煤层不同间距竖直方向位移模拟结果

煤层不同间距坚直方向位移变化如图6所示。

4.2.2 煤层不同间距y方向应力模拟结果

煤层不同间距y方向应力变化如图7所示。

4.3 方案结果与分析

4.3.1 位移模拟结果与分析

从图6可知，近距离煤层不同煤层间距条件下，覆岩下沉变形规律大致相同，都呈现下凹形状曲线，但最大下沉量略有不同，5m、10 m、15 m、20 m、25 m分別为6. 912 m、6.602 m、6.379 m、6.223 m、6.109 m。覆岩最大下沉量一般发生在工作面的中部。随着煤层距离的增加，覆岩最大下沉量会加大，煤层间距越小，覆岩活动越大，对工作影响越大。

4.3.2 应力模拟结果与分析

从图7可知，近距离煤层不同煤层间距条件下，覆岩矿压显现规律大致相同，都呈现下凹形状曲线，但最大下沉量略有不同，5m、10 m、15 m、20 m、25 m分别为40. 68 MPa、34. 29 MPa、31. 56 MPa、28. 86 MPa、27. 27 MPa。覆岩最大矿压值一般发生在工作面的两侧，随着煤层距离的增加，煤层开采的最大矿压值逐渐减小。由此证明，煤层间距越小，矿压显现越明显，对安全开采的影响更大。

5 结论

（1）近距离煤层不同煤层间距条件下，煤层开采的覆岩下沉量和矿压显现值会出现较大的变化，顶板控制的难度有较大差异，对安全工作产生了较大的安全隐患，影响开采工作。

（2）本文针对该矿实施了5m、10 m、15 m、20 m、25m的开采方案，基于FLAC数值模拟软件、结合力学特性，对近距离煤层不同煤层间距条件下进行模拟模型计算。

（3）结合数据结果可知，在近距离煤层的开采下，当煤层之间的间距越小，其最大覆岩下沉量越大;煤层之间的间距越小，矿山覆岩最大压力值越大。对开采工作的影响越大。

参考文献：

[1]李勇.近距离煤层开采覆岩裂缝发育演化机理[J].内蒙古煤炭经济，2018（19）：134 -135.

[2]郭建清.近距离煤层同采覆岩破坏规律研究[J].山西焦煤科技，2011（9）：4～6.

[3]刘春波.马兰矿近距离煤层开采围岩采动应力分布特征分析[J].煤炭工程，2017，7（49）：68-71.

[4]王宗林，武占超，梁冰，等，浅埋煤层开采覆岩运动规律模拟与试验研究[J].安全与环境学报，201 7·6（17）：2140～2146.

[5]杜炜.上分层破坏区下工作面覆岩活动规律研究[J].能源技术与管理，2019，1（44）：130-132

[6]周劲锋，刘长友，鲁岩，极近距离煤层联合开采采场覆岩活动特征及矿压显现规律[J].煤炭技术，2015，2（34）：80—82.

[7]孙力，杨科，闫书缘，等.近距离煤层群下行开采覆岩运移特征试验分析[J].地下空间与工程学报，2014，5 （10）：1158-1163.