岩溶条件下浅埋近距离煤层开采的数值模拟研究

2021-05-10杜学领

矿业安全与环保 2021年2期

杜学领

(贵州理工学院矿业工程学院，贵州贵阳 550003)

贵州地区岩溶地貌发育，岩溶地貌与土地石漠化现象的关系已被广泛研究[1]。除地表的峰丛、峰林、溶丘等直接可视地貌外，岩溶地质还造成贵州地区洞穴较为发育，地下水的分布和赋存也受到岩溶地质的影响，溶洞类空场引发的塌陷、震害已引起部分学者关注[2-4]。与洞穴相对零散、随机、非均匀的分布相比，地下矿产资源开采所形成的采空区往往是连续的、大面积的空场空间，开采扰动诱发的围岩运动、顶板裂隙发育等问题已被研究多年[5-6]，岩溶陷落柱、岩溶水问题，以及井田的岩溶条件等已引起学者们关注[7-9]。尽管贵州是我国西南地区的煤炭主产区，煤炭开采主要集中于六盘水、毕节等地[10]，贵州西部、北部区域性开采扰动效应明显，但以往的研究多聚焦于岩溶水赋存、岩溶生态等方面，对开采扰动与岩溶结构的关注显得不足。笔者结合贵州青龙煤矿的条件，建立包含溶洞结构的数值模拟分析模型，并探究岩溶条件下近距离煤层开采扰动问题。

1 研究背景及方案

青龙煤矿位于毕节黔西县谷里镇，井田构造以格老寨背斜、大冲背斜为主，主要开采16、18煤，二者平均层间距仅为24.38 m[11]。2009年11月，该矿曾发生顶板突水事故，淹没长约130 m巷道，尽管地表为低山丘陵且无地表水体，但因地下岩溶发育，16煤上部的夜郎组玉龙山段、长兴组均为岩溶裂隙含水层，突水时观察到水体含黄色悬浮物，也被认为与上部岩溶水有关[12]。以往的研究主要聚焦于导水断裂带高度方面[13]，未考虑上覆岩层中的岩溶发育情况及后续18煤的近距离煤层开采问题。

结合青龙煤矿的地质条件和已有研究成果[11-19]，建立如图1所示的简化模型。该模型中，地层倾角取12°，为背斜一翼的单斜构造分布，16煤上覆顶板含有2层不规则溶洞结构。其中距离地表较近的夜郎组岩溶结构普遍发育，位于y=120～270 m；距离16煤较近的一层岩溶结构局部发育，位于y=180～193 m。为模拟岩溶条件下岩体的性能劣化，对夜郎组石灰岩岩溶结构向外20 m范围的岩体参数进行劣化处理。初始最大水平应力取17.53 MPa，最小水平应力取12.53 MPa，垂直主应力为12.89 MPa，重力加速度取9.81 m/s2。模型顶部直达地表，16、18煤厚度分别简化为2.8、3.0 m，模型四周留设宽20 m煤柱，工作面长度为160 m，自煤柱边缘开始开采。

图1 岩溶条件下浅埋近距离煤层开采数值模拟模型

测点布置及编号：在地层中布置的测点位置如图2所示。各测点编号中前面的字母或数字表示图1 中相应地层代号，后面的字母及数字表示图2中在每一地层内的测点具体位置编号，例如测点编号YA、16B等。

图2 地层中测点布置位置示意图

在上述条件下，研究16煤开采的采动影响、16煤开采速度的影响、18煤开采方向的影响。其中16煤开采的采动影响以5 m作为一次开挖的步距，每次开挖后运行500时步，然后继续开挖5 m，累计开挖长度为360 m；16煤开采速度的影响分别改变每次开挖步距为10、15 m；18煤开采方向的影响主要考虑后退式开采和前进式开采的差异，开采步距均为10 m，由此可观察不同开挖时序的影响。

2 浅埋近距离煤层开采的采动效应

以16煤开采步距为5 m的模拟结果，分析煤层开采后所产生的采动效应。

2.1 开采扰动对岩溶顶板的影响

16煤开采后顶板夜郎组石灰岩中的应力演化曲线如图3所示。

图3 16煤开采后顶板夜郎组石灰岩中的应力演化曲线

由图3可知：

1)开采扰动诱发的顶板应力重新分布主要分为 3个阶段：第一阶段为应力增高阶段，初期快速增加，中后期缓慢增加至峰值；第二阶段为应力降低阶段，此阶段垂直应力以波动下降为主；第三阶段为稳定阶段，此阶段应力的量级整体变化不大，意味着开采扰动后新的稳态已基本形成，开挖时间越早，一般稳态形成也越早。

2)岩溶结构造成顶板应力突变。YA～YC测点的应力表现为渐次增加，但YD测点位置垂直应力增量甚至超过YE测点。这说明工作面经过岩溶影响区时，该位置的应力突变影响较大，甚至大于后续的岩溶区域应力(YE测点同样处于岩溶区域)。

3)尽管岩溶结构位于近地表岩层中，但这些岩层在开采后依然存在支承压力效应，某一位置的应力峰值点在正下方开采之前就已形成，当工作面经过该区域时，一般顶板垂直应力已处于三阶段中的应力降低阶段。

2.2 开采扰动对本煤层应力场的影响

开采后16煤内垂直应力的演化曲线如图4 所示。

(a)推进方向

(b)倾斜方向

由图4可知：

1)采动影响前，煤层内的应力整体处于较低水平，约为3～4 MPa。

2)受采动影响后，沿推进方向上，超前支承压力具有非稳定增加特点，垂直应力最大峰值出现在开采80 m的16B位置，最小峰值出现在16C位置，从16C开始沿推进方向的垂直应力再次逐渐增加。由此可知，开采煤层内的垂直应力增加与顶板中的岩溶结构所在地层呈凹陷形特点有关，进入岩溶结构正下方的16D位置应力相对较小，而16D周围的16B、16E位置则要明显高于16D处。因此，应在到达岩溶结构正下方以前就须做好防灾准备。

3)沿倾斜方向上，开采扰动前的应力表现为埋深越大、垂直应力相对越大的特点，当工作面接近开采位置时，工作面中部偏下的位置应力增加更为明显，两端的应力增加则要小于中部。

2.3 近距离煤层开采的保护层效应

16煤开采后，可对18煤形成保护层效应。16煤开采过程中18煤内各测点的应力演化曲线如图5所示。

图5 开采16煤过程中18煤内各测点的应力演化曲线

由图5可知：

1)16煤开采对18煤起到了较好的卸压作用，如18B～18E测点初始垂直应力约为4 MPa，经过 16煤开采后，其应力降低至约为1 MPa，卸压效果显著。

2)16煤开采对18煤的增透效果较为有限。16煤采动造成18煤内应力增高的峰值不超过6 MPa，与原岩应力相比应力增量相对较小。特别是对于浅埋煤层而言，由于上覆岩层厚度有限，覆岩自重应力的效果就要弱于深埋煤层。被保护层煤层的解吸效果在一定程度上与被保护层内应力增加的量级和持续时间有关，高应力、长时间更有利于被保护层实现增透目的。因此，保护层开采技术在卸压和增透之间存在技术平衡点，对于高瓦斯煤层而言，合理的保护层开采技术应实现卸压和增透的双赢效果，合理的增透效果要求应力既要维持在较高水平，又不至于过高而使得被保护层开采时过于破碎。

3 开采速度及开采方向的影响

3.1 开采速度的影响

不同开采速度时夜郎组石灰岩内的峰值垂直应力情况如图6所示。

图6 不同开采速度时夜郎组石灰岩内峰值垂直应力

由图6可知，开采速度提高以后，不同顶板位置的应力演化趋势和应力分布形态几乎是相同的，顶板夜郎组石灰岩内的峰值应力有逐渐降低的趋势，但降幅并不大。若岩溶结构含水，为了避免顶板高应力导致导水断裂带贯通而发生矿井水害，则适当提高开采速度有助于缓解顶板的高应力状态，从而降低工作面发生岩溶突水的可能性。赵鹏翔等对推进速度的物理实验研究表明，提高推进速度可降低“三带”高度[20]。若煤层上方直接顶较为坚硬，有可能开采后顶板长悬不垮，则易引发高能量切顶事故。因此，适当提高推进速度对于相对软弱的顶板条件更为适宜。

由模拟结果可知，开采速度提高以后，被保护层内的垂直应力也出现一定下降，由此造成下部被保护层增透效果减弱。对于高瓦斯、低渗透性煤层而言，提高开采速度不利于下部煤层的瓦斯解吸。此时应注意的问题是：第一，要综合考虑开采经济效益，以及对上覆岩层岩溶结构的影响、对下部煤层瓦斯解吸的影响等因素，根据收益最大化选择合理的开采速度；第二，对于高瓦斯矿井而言，若当顺序式自上而下的保护层开采依然没有达到预期卸压增透目的时，则可考虑在保护层开采的同时辅以其他卸压增透手段，如二氧化碳致裂、水力致裂等技术，并根据实际瓦斯抽采情况动态调整相关技术参数。

3.2 开采方向的影响

16煤采用后退式开采，18煤采用后退式和前进式开采。16煤开采后，18煤不同开采方向时各测点的垂直应力演化曲线如图7所示。

(a)后退式开采

(b)前进式开采

由图7可知，在16煤开采后，18煤卸压后的应力一般要低于其原岩应力。但18煤采用与16煤相同的后退式开采，或相反的前进式开采顺序，18煤内的应力量级和应力分布并不相同。18煤后退式开采时，二次开采扰动影响整体相对较小，其中18A～18E测点位置的最大峰值应力均小于原岩应力，仅有18E测点位置的应力接近原岩应力。而当18煤采用前进式开采时，18D、18A两测点位置的峰值应力均超过原岩应力，其中18A测点位置的峰值应力甚至高于16煤开采所引起的18煤中应力调整的峰值应力。而且，当采用前进式开采时，18A测点位置处于开采的尽头边界，此时煤体作为承载体的范围较小，越靠近终采线，则煤体内的采动应力可能更高。因此，18煤采用与16煤相同的开采方向，相对而言安全性更高。