分层方式对煤层开采覆岩活动的影响研究

2020-09-02张缓缓叶永芳

山东煤炭科技 2020年8期

张缓缓叶永芳

（江西省煤田地质局二二四地质队，江西南昌 330002）

在厚～巨厚煤层条件下，煤层一次采全厚和分层开采对覆岩活动的影响是否一致，若不一致，哪种开采对覆岩活动产生的影响大，不同的分层方式又会有什么不同。论文拟围绕上述问题，依据FLAC3D数值模拟软件，以淮南潘二矿11223工作面3煤开采为理论研究对象，以期建立较为完整的厚煤层多分层开采覆岩活动规律，为该地区或类似地区厚乃至巨厚煤层开采提供一定的理论指导。

1 研究工作面概况

11223 工作面位于潘二矿东一采区，工作面走向长度1400m，倾斜长180m，回风巷标高为-464～-496m，运输巷标高为-521～ -556m。区内可采煤层3煤厚3.0～8.4m，平均厚度为5.5m；1煤厚3.1～4.8m，平均厚度为3.53m。3煤顶板由泥岩、砂岩及中细砂岩组成，岩性变化大，厚度不稳定，属于不稳定～中等稳定顶板；1煤底板岩性也为砂泥岩层，煤层赋存较稳定。地质构造为一单斜构造，煤层倾向北。

2 数值模拟研究

2.1 数值模型建立原则

由于岩体及其结构的复杂性，在使所建模型尽可能反映原始地质条件的情况下，对其作了一定的假设和简化，以利于数学计算。本次模拟作了如下假设：

（1）由于松散层与上部岩层厚度大，在一定范围内可用补偿荷载来代替；（2）岩土层在岩组内为均匀连续介质；（3）采用自重应力场为原始应力场。

2.2 数值模拟分析研究

根据实勘及井下资料，结合11223工作面工程地质条件，选取-550m水平为背景，以3煤层为特征煤层，嵌入地质模型，岩层厚度根据实勘钻孔数据资料近似取整，各层模拟厚见表1。依据岩石力学相近的原则将模型材料参数分为五大类，即泥岩、灰岩、砂质泥岩、细粒砂岩和煤层，数据来源于安徽理工大学承担的《淮南矿区深部A组煤底板构造及采动变形破坏规律探测研究》项目。

表1 模型参数

模型形状：长270 m，宽125 m，高222 m。模型底部荷载15.776MPa，平均密度2562kg/m3。模型边界条件设置：底部全固定，四周水平方向限制，顶部自由边界，并施加上覆岩土荷载。煤层沿走向分三种方式进行开采模拟：（1）一次采全高；（2）分2层进行开采；（3）分3层开采。其模型见图1。

图1 计算模型

2.2.1 一次采全高模拟

分别模拟开采50～135m和135～220m两种情况，即工作面分别推进85m和170m。根据莫尔库仑理论，采用迭代法并利用 FALC3D计算出3煤层开采后顶板岩层的采动变形破坏特征，获得岩层屈服破坏特征图、应力云图和位移图，见图2。

图2 一次采全厚模拟覆岩变化图

结果分析：

（1）应力重分布特征

随工作面推进，工作面两端煤壁出现应力集中现象，最大垂直应力为17.827MPa。这是由于开切眼和工作面煤壁处支撑顶板，使得此处形成应力增高区。而采空区顶、底板由于上覆岩层垮落，应力减小，且卸载范围逐渐增大，垂直应力呈现“两端大，中间小”的盆状形态，如图2（a）所示。

（2）岩层位移变化特征

随工作面推进，底板岩层卸荷回弹量逐渐增大，影响深度也逐渐增加，顶板岩层下沉量同样在逐渐增大，如图2（b）所示。工作面推进170m时对应的顶板最大下沉量为26.506cm，对应的底板岩层最大卸荷回弹量为22.639cm。

（3）塑性破坏特征

随工作面推进，顶、底板破坏范围沿走向加大，破坏深度增加的并不明显，如图2（c）所示。当工作面推进170m时，其顶板破坏深度为16.0m，底板破坏深度为16.0m。

2.2.2 分2层开采模拟

此时，分三种不同的开采方案，具体如下：

（1）第一种方案：先开采上分层2m，再开挖下分层的4m。

模拟方法同一次采全高，对应的特征图见图3。

图3 第一种方案（分2层）模拟覆岩变化图

结果分析：

① 应力重分布特征：变化规律与一次采全厚类似，如图3（a）。最大垂直应力为17.685MPa。

② 岩层位移变化特征：变化规律与一次采全厚类似，如图3（b）。此时，顶板最大下沉量为26.042cm，底板岩层最大卸荷回弹量为20.143cm。

③ 塑性破坏特征：变化规律与一次采全厚类似，如图3（c）。顶底板破坏深度分别为16.0m、13.0m。

（2）第二种方案：3m/层模拟。

模拟方法同一次采全高，对应的特征图见图4。

图4 第二种方案（分2层）模拟覆岩变化

结果分析：

① 应力重分布特征：变化规律与一次采全厚类似，如图4（a）所示。最大应力值有所差异，此时，最大应力为17.924MPa。

② 岩层位移变化特征：变化规律与一次采全厚类似，如图4（b）所示。此时，顶板最大下沉量为25.915cm，对应的底板岩层最大卸荷回弹量为20.034cm。

③ 塑性破坏特征：变化规律与一次采全厚类似，如图4（c）所示。顶板破坏深度为16.0m，底板破坏深度为13.0m。

（3）第三种方案：先开采上分层4m，再开挖下分层的2m。

模拟方法同一次采全高，对应的特征图见图5。

图5 第三种方案（分2层）模拟覆岩变化

结果分析：

① 应力重分布特征：变化规律与一次采全厚类似，如图5（a）所示。最大应力值有所差异，此时对应的最大应力为17.98MPa。

② 岩层位移变化特征：变化规律与一次采全厚类似，如图5（b）所示。此时的顶板最大下沉量为25.688cm，对应的底板岩层最大卸荷回弹量为19.982cm。

③ 塑性破坏特征：变化规律与一次采全厚一样，如图5（c）所示。顶板破坏深度为16.0m，底板破坏深度为13.0m。

2.2.3 分3层开采模拟

将3煤层平分为3层进行开采，每分层2m。模拟方法同一次采全高，对应的特征图见图6。

图6 分3层开采模拟覆岩变化图

结果分析：

（1）应力重分布特征：变化规律与一次采全厚类似，如图6（a）所示。最大应力值有所差异，此时对应的最大应力为17.833MPa。

（2）岩层位移变化特征：变化规律与一次采全厚类似，如图6（b）所示。此时的顶板最大下沉量为27.251cm，对应的底板岩层最大卸荷回弹量为19.401cm。

（3）塑性破坏特征：变化规律与一次采全厚类似，如图6（c）所示。顶板破坏深度分别为16.0m，底板破坏深度分别为13.0m。

3 模拟结果对比分析

根据前文模拟结果，工作面推进完全时对应的应力最大值、顶底板位移量、塑性破坏深度见表2。

表2 各模拟结果最大值统计

从表2可以得出：（1）分层开采时，整体上煤壁两端应力集中的最大值比一次采全厚时均要大。这是因为在上分层开采完后，采煤已造成了覆岩的破坏，重复开采下，应力重新分布，使得应力进一步增加。除分3层顶板下沉量大于一次采全厚外，其他情况下的开采顶板岩层下沉量均小于一次采全厚时的下沉量。（2）分2层开采与分3层开采对比分析可知，在累积采厚相同的条件下，分3层开采时，应力最大值相对较小，但是顶板覆岩下沉量较大，此时，不利于顶板的控制。由此可以推断，分层越多，在多次重复采动下，对地表的损伤较大，容易引起地表沉陷。（3）分2层开采时，三种方案相比，上分层越薄，对应的应力值越小，而顶底板岩层位移随着上分层的厚度增加而减小。（4）顶板塑性破坏大小基本一致，整体上来看，分层开采的情况下，底板塑性破坏范围小。另外，从图及数据还可以看出，当顶板垮落，采空区充填后，顶、底板破坏深度是趋于稳定的。