淺埋不同間距煤層群開采對地表沉陷的影響

邢宇祺 寧建國 徐國棟 牟舉文

(山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院)

淺埋不同間距煤層群開采對地表沉陷的影響

邢宇祺 寧建國 徐國棟 牟舉文

(山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院)

根據(jù)大柳塔煤礦地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行模擬分析，得到了10～ 40 m不同間距煤層群巖層垂直位移云圖及地表下沉曲線，探討了地表最大下沉值與煤層群間距的關(guān)系，分析了不同煤層群間距下的地表沉陷規(guī)律。結(jié)果表明：隨煤層群間距增加,對地表下沉的影響呈函數(shù)關(guān)系減小，同時地表下沉盆地邊緣收斂緩慢。為淺埋不同間距煤層群開采地表沉陷防治與治理提供了參考。

煤層淺埋 煤層群間距 地表沉陷 數(shù)值模擬

煤炭在我國能源戰(zhàn)略中占有主要的地位,是我國重要的一次性消費能源,作為不可再生資源,煤炭有限的資源儲量與社會持續(xù)高增長需求之間的矛盾日漸凸顯[1]。隨著煤炭資源產(chǎn)量的逐年增加，礦井高強度開采必然會引起地表的二次沉陷，進而影響位于下沉盆地范圍內(nèi)的房屋建筑、河流、鐵路、管道及其它構(gòu)筑物，迫使其改變原有狀態(tài),甚至破壞[2]。由于各種地質(zhì)原因造成煤層間距的連續(xù)變化，使得地表沉陷值隨之發(fā)生變化，因此不得不考慮不同煤層群間距開采對地表沉陷的影響。神華集團大柳塔礦區(qū)2-2煤層的開采就是在1-2已采煤層之下進行的[3]，由于兩層煤在采區(qū)內(nèi)的煤層間距不盡相同，導(dǎo)致采區(qū)地表最大沉陷值發(fā)生變化。本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，探討淺埋不同間距煤層群開采對地表沉陷的影響，為地表沉陷的防治提供參考。

1 大柳塔煤礦

大柳塔煤礦地處神府煤田西北部，礦區(qū)內(nèi)大部分屬風沙堆積地貌。礦區(qū)地層發(fā)育從新到老分別為三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系。其中侏羅系中的延安組發(fā)育有煤層，主要可采煤層共有5層，分別為1-2、2-2、3-1、4-2和5-2煤，目前開采1-2和2-2煤層。由于受沉積環(huán)境及后剝蝕作用，兩煤層間距在10～40 m內(nèi)變化[4]。

1-2和2-2煤層為淺埋煤層群下開采，該區(qū)北部為火燒邊界，西部為已采區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層近水平，平均傾角1°。上部1-2煤層采用房柱式采煤法，最大采高7.5 m，留設(shè)永久煤柱，煤層直接頂為砂巖，厚3.0 m，底板為砂質(zhì)泥巖，厚4.0 m，煤容重為1.27 t/m3；下部2-2煤層采用走向長壁采煤法，采高4.0 m，垮落法管理頂板，工作面設(shè)計長度220～250 m，平均235 m，走向長度2 000～5 000 m，平均3 500 m，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚20 m，底板為粉砂巖，厚10 m，煤容重為1.37 t/m3[3]。

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 FLAC3D程序特征

FLAC3D為三維有限差分程序，基本原理類似于離散元法和有限元法，能夠進行土質(zhì)、巖石材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬、塑性流動分析和解決邊界條件不規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問題。較以往的差分分析，F(xiàn)LAC3D在處理大變形和模擬軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動變形等問題上進行了較大改進。FLAC3D以其較低的硬件配置、強大的前后處理功能以及對不同材料和工況較高的適應(yīng)能力，在巖土工程及礦業(yè)工程領(lǐng)域得到廣泛運用[5]。

2.2 確定邊界條件

煤層的回采方向平行于X軸,與Y軸垂直，重力方向為Z軸，向上為正方向，向下為負方向。

模型x、y邊界水平位移為零；模型底部邊界水平、垂直位移為零；模型頂部為自由邊界。數(shù)值模型見圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型

2.3 力學模型和力學參數(shù)確定

各模型在開采前均計算達到原巖應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計采用理想的彈塑性模型，破壞準則選用摩爾-庫侖準則[6]。

計算模型中采用的各巖層力學參數(shù)經(jīng)由查詢資料[2-4]確定。巖石的體積模量(K)和剪切模量(G)為:

(1)

(2)

式中,E0為彈性模量；μ為泊松比。

各層巖石物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學參數(shù)

2.4 模擬方案

建立4個數(shù)值模擬模型，計算模型尺寸(長×寬×高)為700 m×300 m×125 m。1-2煤層為已采煤層，采深74 m，采厚10 m；2-2煤層采厚6 m，兩煤層間距分別取10,20,30,40 m，剩余厚度的頂板巖層巖性不變，兩采空區(qū)尺寸均為(長×寬)460 m×220 m。為了使各方案模擬結(jié)果具有可比性,各煤層和巖層設(shè)置相同的物理力學參數(shù)。計算沿煤層走向分步進行，將開挖空間變成空單元，使模擬盡量貼合開采實際。

2.5 計算結(jié)果及分析

通過對上述各數(shù)值模型進行模擬計算，得出了各方案不同煤層群間距與地表豎向位移云圖見圖2。

由圖2可知，僅開采1-2煤層時，采空區(qū)上方巖層發(fā)生劇烈的垂直位移，而遠離采空區(qū)的巖層垂直位移較??；當兩煤層間距為10 m時，垂直位移主要集中在采空區(qū)中央位置，2-2煤層的開采對上覆巖層的垂直位移影響較大，地表沉陷盆地平底面積較?。粌擅簩娱g距從10 m增大到40 m的過程中，巖層發(fā)生垂直位移的范圍逐漸增大，而垂直位移值減小，2-2煤層的開采對上覆巖層的垂直位移影響減小，地表沉陷盆地平底面積逐漸增大。

根據(jù)模擬計算結(jié)果得到煤層群不同間距條件下的地表下沉曲線，從而得到煤層群不同間距時的地表最大下沉值W，見表2。

根據(jù)上述模擬結(jié)果，得出地表最大下沉值W與煤層群不同間距之間的關(guān)系,如圖3所示。

圖4、圖5顯示了隨煤層開采步長增加，煤層間距為10,30 m時，地表下沉曲線隨步長的變化曲線。

分析上述模擬計算結(jié)果可知：①煤層群間距越大，地表的最大下沉值呈函數(shù)關(guān)系緩慢減小，并逐漸向僅開采1-2煤層時地表的最大下沉值收斂;②隨著煤層群間距地增加，地表下沉盆地邊緣緩慢收斂，地表移動盆地趨于平緩，平底面積增大，2-2煤層的開采對地表沉陷的影響逐漸減小;③地表移動盆地的中央?yún)^(qū)域，變形集中，最大下沉值就出現(xiàn)在該位置;④當下部2-2煤層工作面推進距離較小時，地表沉陷主要受到上部1-2煤層開采的影響。隨著長壁工作面推進距離的逐漸增加，地表移動主要受長壁工作面開采影響，同時地表垂直下沉量逐漸增加，地表垂直下沉曲線的對稱性更加明顯。

圖2 不同煤層群間距時巖層與地表垂直位移云圖

表2 煤層群不同間距時地表最大下沉值

圖3 煤層群間距與地表下沉關(guān)系

圖4 煤層間距為10 m時地表下沉隨步長的變化曲線

圖5 煤層間距為30 m時地表下沉隨步長的變化曲線

3 結(jié) 論

(1) 隨煤層群間距增加，地表最大下沉值呈二次函數(shù)關(guān)系減小，當煤層間距足夠大時(40 m以上)，地表最大下沉值與僅開采1-2煤層時地表的最大下沉值基本相當，同時地表遭受破壞的范圍擴大，地表沉陷盆地邊緣緩慢收斂，2-2煤層的開采對地表沉陷的影響逐漸減小。

(2) 地表移動盆地的中央位置，為地表沉陷集中區(qū)，并出現(xiàn)最大下沉值。

(3) 隨著下部長壁工作面推進，地表垂直下沉量逐漸增加，地表垂直下沉曲線的對稱性更加明顯。

[1] 仲叢明.垮落法殘采區(qū)上行開采層間巖層移動變形規(guī)律數(shù)值模擬研究[D].山西:太原理工大學,2011.

[2] 秦大亮.近水平煤層群開采地表移動規(guī)律的研究[D].重慶:重慶大學,2002.

[3] 王明立.房柱式采煤法煤柱穩(wěn)定性及覆巖破壞規(guī)律研究[D].北京:煤炭科學研究總院,1999.

[4] 武 強,王 龍,魏學勇,等.榆神府礦區(qū)大柳塔井田煤層群采地面沉陷可視化數(shù)值模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2003,46(6):37-39.

[5] 郭玉芳,孟凡迪,陳俊杰.厚松散層開采條件下地表沉陷數(shù)值模擬分析[J].煤炭工程,2014,46(6):103-105.

[6] 華 樂,趙 濤,武 振,等.急傾斜多煤層開采地表沉陷數(shù)值模擬[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 山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號。