煤層開采對上覆巖層破壞規(guī)律研究

成軍

摘 要：本文通過相關(guān)規(guī)程、規(guī)范中煤柱計算和利用三維有限差分計算軟件—FLAC3D對導(dǎo)水裂縫帶高度進行數(shù)值模擬以及實際施工的導(dǎo)高鉆孔測量成果，綜合討論不同計算方法中松散含水層下煤層開采對上覆巖層破壞規(guī)律，對巨厚松散含水層覆蓋下煤炭資源回收和煤礦的安全生產(chǎn)都具有重大的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：煤礦；防治水；導(dǎo)水裂縫帶；多煤層開采

中圖分類號：TD327 文獻標志碼：A

唐山礦岳胥隱伏露頭區(qū)5煤頂板以上為堅硬砂巖，中間存在若干煤線，5煤層厚度約2.9m，傾角32°～35°；5煤與9煤間距約30m，巖性以砂巖為主，中間存在若干煤線或炭質(zhì)泥巖夾層，9煤層厚度8.5m～9.3 m，平均厚度8.9m，傾角32°～35°。根據(jù)工程銜接安排首先開采5煤層，然后對9煤層進行分層開采，先開采上部3m部分，形成9煤層頂板巖層移動，并對上部5煤層形成的三帶有一次重復(fù)采動影響；再開采下部6m厚煤時，再一次對9煤層頂板以及5煤層頂板巖層移動帶造成重復(fù)采動破壞。

1 規(guī)范公式法

目前根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶計算公式：

（1）開采5煤時垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況，當(dāng)5煤層開采厚度為3m時，中硬（單向抗壓強度20MPa～40MPa）覆巖“兩帶”高度和防水安全煤（巖）柱計算如下：

煤柱留設(shè)高度：Hsh=44.6+9=53.6（m）

（2）開采9煤時垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育情況，當(dāng)9煤層累計開采厚度為9m時，中硬（單向抗壓強度20MPa～40MPa）覆巖“兩帶”高度和防水安全煤（巖）柱計算如下：

2 數(shù)值模擬計算

通過FLAC3D建模參照岳胥區(qū)地層及巖性結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模擬計算網(wǎng)格剖分圖可知，工作面采用走向長壁布置，煤層及巖層傾角為33°，煤層沿著傾向方向，基巖厚度逐漸變大，模型長500m，寬100m，高300m，整個模型共劃分為127050個單元，141592個節(jié)點。模型邊界條件以邊界水平位移為零，底部邊界水平、垂直位移均為零，模型頂部以自由邊界為準。模型中各含煤巖層的力學(xué)參數(shù)以現(xiàn)場提供資料，取樣的煤、巖塊體物理力學(xué)實驗結(jié)果。煤層頂板破壞后自上而下分別為未破壞區(qū)域、剪切破壞區(qū)域、拉伸裂縫區(qū)域和拉伸破壞4個區(qū)域，將拉伸破壞區(qū)作為垮落帶，拉伸裂縫區(qū)作為裂縫帶。數(shù)值模擬計算將根據(jù)拉伸破壞區(qū)和拉伸裂縫區(qū)發(fā)育高度的上限值來分別確定垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的高度。

通過工作面上覆巖層塑性破壞區(qū)云圖模擬結(jié)果可以看出5煤層工作面頂?shù)装寮懊罕谇胺胶凸ぷ髅婧蠓骄a(chǎn)生明顯的破壞區(qū)域，煤層頂板以上依次發(fā)育拉伸破壞和剪切破壞，破壞范圍大致呈現(xiàn)反“廠”型。破壞區(qū)域隨著開采面積增大而逐漸擴大，垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度也不斷增加，最后趨于穩(wěn)定，達到充分采動。在臨近煤層頂板區(qū)域主要是拉應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)拉應(yīng)力區(qū)有微裂縫時，在裂縫的端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于巖石抗拉強度很低，該區(qū)域巖石極易垮落，形成垮落帶。通過圍巖應(yīng)力模擬，煤層頂板圍巖存在3個完整的“拋物線”狀應(yīng)力區(qū)域，自下往上應(yīng)力由拉變壓，由小變大，漸漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力狀態(tài)?？拷敯宓谝粋€ “拋物線”狀應(yīng)力區(qū)域與塑性破壞區(qū)相對應(yīng)，該區(qū)域先后經(jīng)歷了剪破壞和拉破壞，形成垮落帶。第二個“拋物線”狀應(yīng)力區(qū)域垂向覆巖的作用力減小，對應(yīng)為裂縫帶。

9煤層開采對上覆巖層破壞與5煤層規(guī)律相似，但9煤工作面開采時上下端頭集中應(yīng)力增大。5煤層與9煤層間距約30m，5煤開采對其底板巖層產(chǎn)生一定破壞，下部9煤開采時頂板容易垮落，導(dǎo)致9煤垮落帶范圍變大。

3 導(dǎo)高孔測試結(jié)果

為實測煤層開采對上覆巖層的破壞程度，為以后礦井防隔水煤柱留設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，唐山礦分別在Y252和Y292工作面回采結(jié)束后施工導(dǎo)高孔對該區(qū)域的的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶進行實測。各種計算方法得出的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度結(jié)果見表1。

結(jié)論

通過對比發(fā)現(xiàn)規(guī)范公式法和數(shù)值模擬法在計算單一煤層垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的結(jié)果相似，但數(shù)值模擬法計算結(jié)果偏大，分析可能與巖層工程力學(xué)參數(shù)選取或取值保守有關(guān)。但規(guī)范公式法和數(shù)值模擬法在計算多煤層中下部煤層和綜放開采時垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的結(jié)果差距很大，規(guī)范公式法沒有考慮上部煤層開采對下部煤層對上覆巖層的影響以及開采方式的影響，因此不適用于綜放開采等情況。5煤層隨著開采范圍增大塑性破壞區(qū)范圍相應(yīng)變大，最后趨于穩(wěn)定，達到充分采動；而9煤層垮落帶與裂縫帶的變化幅度進行比較，發(fā)現(xiàn)垮落帶的變化幅度大于裂縫帶變化幅度；由于5煤采動過程中底板發(fā)生破壞，而5煤底板正位于9煤破壞區(qū)范圍內(nèi)，故受采動影響容易發(fā)生垮落，煤層頂板破壞區(qū)容易達到穩(wěn)定。

參考文獻

[1]劉偉.巖體移動的相似模擬研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版，2009（2）：89.

[2]張靜，吳侃，敖劍鋒.采場上覆巖層動態(tài)移動規(guī)律研究[J].煤礦開采，2012，17（2）：34-40.