陜北典型地質(zhì)條件下煤炭開(kāi)采方法的數(shù)值模擬研究

張 澤

(陜西匯森煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

0 引言

煤炭作為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的支柱，在過(guò)去的幾十年中，產(chǎn)量是其行業(yè)發(fā)展的主要衡量指標(biāo)。然而，以產(chǎn)量定輸贏的粗放型開(kāi)采模式造成了眾多環(huán)境及安全問(wèn)題。當(dāng)前，隨著社會(huì)的進(jìn)步，如何實(shí)現(xiàn)煤炭的綠色高效開(kāi)采對(duì)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要[1-2]。走向長(zhǎng)壁開(kāi)采作為近年來(lái)我國(guó)各大礦井最常應(yīng)用的開(kāi)采方法，能夠最大化地提升煤炭產(chǎn)量是其主要優(yōu)勢(shì)，但是由于其開(kāi)采方法近似是將地層中的煤炭進(jìn)行整層剝離，由此導(dǎo)致的地表沉陷、地下水?dāng)嗔骷暗乇碇脖粎T竭業(yè)已成為綠色開(kāi)采的桎梏所在[3-4]。

在國(guó)家既需要煤炭又需要煤炭開(kāi)采不破壞環(huán)境的大前提下，采用對(duì)環(huán)境破壞程度較小的條帶式采煤方法成為一種可行方式，而條帶采煤方法中煤柱的穩(wěn)定性是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。劉貴[5-7]運(yùn)用彈塑性理論優(yōu)化了A.H Wilson[8]計(jì)算公式，定量化地提出了條帶開(kāi)采的煤柱尺寸表達(dá)式并在現(xiàn)場(chǎng)中得到了檢驗(yàn)。郭惟嘉等[9-10]運(yùn)用物理相似模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式，研究了深井寬條帶開(kāi)采中的地表沉陷及煤柱穩(wěn)定性問(wèn)題。朱衛(wèi)兵等[11-13]通過(guò)運(yùn)用離散元數(shù)值模擬手段，分析了村莊下煤礦的條帶開(kāi)采方案，得出了條帶采寬與垂直支承應(yīng)力間的線性關(guān)系，從而為礦井的高效生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。

針對(duì)我國(guó)西部地區(qū)水資源匱乏的現(xiàn)狀，基于厚松散表土層及淺埋煤層這一陜北典型地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D，針對(duì)涼水井煤礦4-2煤層，對(duì)比分析條帶開(kāi)采與長(zhǎng)壁開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，并重點(diǎn)分析采用不同采、留寬參數(shù)條件下條帶煤柱的穩(wěn)定性，從而為類似礦井的綠色回采給予理論支撐。

1 礦井及工作面概況

涼水井煤礦位于陜西神木市境內(nèi)，其礦區(qū)地表為一巨厚松散層，平均厚度40 m。4-2煤層為礦井主采煤層，平均埋深110 m，均厚3.0 m，傾角0°～3°，為淺埋煤層?；卷斨饕獮榧?xì)粒砂巖及粉砂巖，巖性以粉砂巖—細(xì)粒砂巖為主，厚度0.55～26.72 m，平均7 m，偶見(jiàn)泥巖偽頂，屬于穩(wěn)定頂板。4-2煤層直接底巖性以粉砂巖為主，厚度0.51～24.03 m，平均12 m。

模擬研究42113工作面。工作面長(zhǎng)度310 m，走向長(zhǎng)度4 380 m。由于地表松散層較厚且煤層埋深較淺，在采用走向長(zhǎng)壁采煤法回采時(shí)，地表沉陷較為明顯并偶爾伴隨有潰沙現(xiàn)象，回采形成的覆巖裂縫已經(jīng)貫穿至地表，當(dāng)有地面降水時(shí)，由于此裂縫帶的存在，造成水土流失嚴(yán)重，雨水還會(huì)導(dǎo)入井下，造成水害。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

數(shù)值計(jì)算主要通過(guò)對(duì)比同一地質(zhì)條件下走向長(zhǎng)壁與條帶開(kāi)采的區(qū)別來(lái)展開(kāi)研究。模擬采用FLAC3D5.0有限元數(shù)值軟件。由于沿著回采方向，無(wú)論條帶開(kāi)采還是走向長(zhǎng)壁開(kāi)采均呈現(xiàn)周期性來(lái)壓特征，故所構(gòu)建模型可看作沿著工作面回采方向的剖面，如圖1(a)所示A-A剖面。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模型長(zhǎng)度300 m(沿工作面推進(jìn)方向)，高度140 m，模擬4-2煤層埋深110 m，如圖1(b)所示。根據(jù)相關(guān)鉆孔信息及巖石力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)各煤巖層進(jìn)行優(yōu)化賦參，煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

a-模型走向剖面位置示意圖；b-數(shù)值模型圖1 42113工作面地質(zhì)條件下模型構(gòu)建示意圖

2.2 約束條件

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，為保證模擬的合理有效，對(duì)模型兩側(cè)邊界進(jìn)行水平位移約束。在此地質(zhì)條件下，運(yùn)用走向長(zhǎng)壁開(kāi)采及條帶開(kāi)采2種不同模式進(jìn)行開(kāi)挖。

走向長(zhǎng)壁法開(kāi)采：模型開(kāi)挖步距為4 m，開(kāi)挖一步運(yùn)算一步，運(yùn)算平衡標(biāo)準(zhǔn)為最大不平衡力小于10-3N，共連續(xù)開(kāi)挖60步，開(kāi)挖總步距240 m，最終開(kāi)挖運(yùn)算完成如圖3(a)所示。

表1 各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

條帶開(kāi)采：如圖2(b)所示，采20 m留10 m，開(kāi)采20 m運(yùn)算一次至平衡，然后隔10 m再開(kāi)采20 m，以此為一個(gè)周期共運(yùn)算8次，開(kāi)采加留設(shè)總長(zhǎng)度240 m；如圖2(c)所示，采12 m留8 m，開(kāi)采12 m運(yùn)算一次至平衡，然后隔8 m再開(kāi)采12 m，以此為一個(gè)周期共運(yùn)算12次，開(kāi)采加留設(shè)總長(zhǎng)度240 m；如圖2(d)所示，采10 m留10 m，開(kāi)采10 m運(yùn)算一次至平衡，然后隔10m再開(kāi)采10 m，以此為一個(gè)周期共運(yùn)算12次，開(kāi)采加留設(shè)總長(zhǎng)度240 m。

a-走向長(zhǎng)壁開(kāi)采；b-采20 m留10 m；c-采12 m留8 m；d-采10 m留10 m圖2 不同開(kāi)采條件下模型開(kāi)挖運(yùn)算至平衡圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模型建立的合理準(zhǔn)確性

圖3為未開(kāi)采時(shí)的煤巖層賦參至平衡垂直應(yīng)力云圖。由圖3可知，在數(shù)值模型建立以后，各煤巖層受力狀態(tài)均勻，垂直應(yīng)力等值線呈近似直線狀態(tài)分布，表明模型中沒(méi)有未耦合點(diǎn)導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，巖層應(yīng)力逐層傳遞，從而可知模型建立的科學(xué)合理，人為因素的建模誤差極小。

圖3 未開(kāi)采條件下煤巖層賦參后運(yùn)算平衡垂直應(yīng)力云圖

3.2 垂直應(yīng)力分布規(guī)律

應(yīng)力場(chǎng)的變化是覆巖結(jié)構(gòu)變化以及裂隙帶產(chǎn)生的根源，因此，要分析走向長(zhǎng)壁與條帶開(kāi)采的本質(zhì)區(qū)別，必須掌握二者應(yīng)力場(chǎng)的分布特征及其同異點(diǎn)。

圖4為不同開(kāi)采條件下煤巖垂直應(yīng)力分布云圖。表明工作面無(wú)論以何種方式回采，由于其開(kāi)采擾動(dòng)，必然產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。2種開(kāi)采模式中，均為采空區(qū)頂、底板中部區(qū)域所受應(yīng)力最小，兩支承點(diǎn)所受應(yīng)力最大。

走向長(zhǎng)壁開(kāi)采中的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出駝峰狀的特征，兩支承點(diǎn)最大受力區(qū)域達(dá)6 m寬，最大受力區(qū)域的垂向應(yīng)力在21.2～20.0 MPa之間。除此之外，將圖4(a)與圖3對(duì)比，采空區(qū)上方覆巖的受力也不再有均勻的等值線，表明開(kāi)采對(duì)上覆巖層的受力狀態(tài)影響明顯。而條帶開(kāi)采中，采空區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)呈現(xiàn)出周期性的拱形分布，類似于橋下的孔洞，這與條帶開(kāi)采后的圍巖結(jié)構(gòu)及其覆巖支撐密切相關(guān)。由于覆巖有多個(gè)窄條帶煤柱進(jìn)行支承，因此，雖然各支承點(diǎn)的應(yīng)力分布明顯大于未開(kāi)采區(qū)域，但與長(zhǎng)壁開(kāi)采要小很多，其最大垂向應(yīng)力在6.48～8.5 MPa之間，其支承應(yīng)力僅為長(zhǎng)壁開(kāi)采的32.4%～40.1%。圖4(b)～(d)與圖3對(duì)比表明，位于采空區(qū)上方50 m及以上位置，依然有明顯的近似直線的應(yīng)力等值線存在，表明松散層及最上部的基巖僅僅受到極小的開(kāi)采擾動(dòng)的影響。

將條帶開(kāi)采中的單個(gè)煤柱取出，對(duì)比分析3種條帶開(kāi)采參數(shù)下煤柱的受力特征如圖5所示。采20 m留10 m的煤柱內(nèi)部受力明顯呈現(xiàn)出駝峰狀特征，最大應(yīng)力達(dá)8.5 MPa，表明煤柱兩側(cè)受力相對(duì)較大。采12 m留8 m與采10 m留10 m煤柱內(nèi)部受力狀態(tài)類似于梯形。采12 m留8 m煤柱內(nèi)部應(yīng)力最小，僅為4 MPa。因此，從受力角度分析，采12 m留8 m=采10 m留10 m>采20 m留10 m。

3.3 覆巖變形及地表下沉規(guī)律

位移場(chǎng)的變化是覆巖運(yùn)移以及地表下沉最直接的體現(xiàn)，地表下沉位移量越小，則地面產(chǎn)生沉陷進(jìn)而導(dǎo)致水土流失的可能性也越小。因此，分析不同開(kāi)采方法下的位移場(chǎng)變化特征對(duì)于保障綠色開(kāi)采極為關(guān)鍵。

a-走向長(zhǎng)壁開(kāi)采；b-采20 m留10 m；c-采12 m留8 m；d-采10 m留10 m圖4 不同開(kāi)采條件下垂直應(yīng)力分布云圖

圖6為不同開(kāi)采條件下位移分布云圖。由圖6可知，走向長(zhǎng)壁開(kāi)采平衡后，其位移等值線圖呈現(xiàn)出明顯的急傾斜特征，其中采空區(qū)中部甚至已經(jīng)接近垂直，表明厚表土松散層及淺埋煤層條件下，長(zhǎng)壁開(kāi)采后的覆巖頂板會(huì)產(chǎn)生周期性的切落，表現(xiàn)出臺(tái)階下沉現(xiàn)象，因此才會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)上覆直接頂?shù)奈灰婆c地表位移一致的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上結(jié)合圖4(a)可知，其支撐區(qū)域應(yīng)力極大正是由于這種臺(tái)階下沉式的切落導(dǎo)致的，這是由于采空區(qū)覆巖所形成的短砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較小導(dǎo)致覆巖整體下沉。因此，雖說(shuō)為淺埋煤層，在此地質(zhì)條件下運(yùn)用走向長(zhǎng)壁法開(kāi)采也極有可能出現(xiàn)明顯的動(dòng)壓現(xiàn)象。由圖7也可以看出，走向長(zhǎng)壁的地表位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于條帶開(kāi)采的位移量，以二者最大位移量的比值來(lái)看，走向長(zhǎng)壁的地表下沉是條帶開(kāi)采最大下沉量的6.428倍。

條帶開(kāi)采中，采空區(qū)覆巖的位移分布狀態(tài)越往淺部越呈現(xiàn)出周期性近似直線的弧線形分布(圖6(b)～(d))，其中，采20 m留10 m的最大下沉為28 mm，采12 m留8 m最大下沉為25 mm，采10 m留10 m最大下沉為23 mm(如圖7)。尤其是采10 m留10 m的方式，地表下沉曲線已經(jīng)極為類似于一條直線，這表明條帶開(kāi)采能夠極為有效地遏制地表沉陷，而且其覆巖依舊存在極為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，松散層未明顯受到開(kāi)采擾動(dòng)的影響。

3.4 綜合分析

在涼水井煤礦現(xiàn)采地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，綜合覆巖變形及應(yīng)力變化特征，條帶開(kāi)采能夠有效地防治巖層移動(dòng)導(dǎo)致的地表沉陷現(xiàn)象，從而防止水土流失，實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采。而就采12 m留8 m、采10 m留10 m、采20 m留10 m這3種開(kāi)采方式而言，采20 m留10 m與采12 m留8 m的經(jīng)濟(jì)效益最好，采12 m留8 m的煤柱穩(wěn)定性最好，采10 m留10 m與采12 m留8 m的地表下沉程度最輕，故綜合考慮，推薦采12 m留8 m的條帶開(kāi)采方式。

a-走向長(zhǎng)壁開(kāi)采；b-采20 m留10 m；c-采12 m留8 m；d-采10 m留10 m圖6 不同開(kāi)采條件下垂直應(yīng)力分布云圖

圖7 不同開(kāi)采方法下地表位移分布云圖

4 結(jié)論

(1)在厚表土松散層及淺埋煤層條件進(jìn)行長(zhǎng)壁開(kāi)采，采空區(qū)上覆直接頂?shù)奈灰婆c地表位移極為相近，原因是采空區(qū)覆巖所形成的短砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差導(dǎo)致的覆巖周期性的切落，從而極易發(fā)生明顯的地表沉陷及工作面動(dòng)壓顯現(xiàn)。

(2)條帶開(kāi)采能有效遏制地表下沉，采空區(qū)上覆巖層在條帶開(kāi)采條件下支撐點(diǎn)較多，覆巖依然能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)表土基巖層影響極小。

(3)通過(guò)對(duì)采12 m留8 m、采10 m留10 m、采20 m留10 m 3種不同條帶開(kāi)采參數(shù)方式下的經(jīng)濟(jì)、安全及環(huán)保因素綜合考慮，涼水井煤礦若采用條帶開(kāi)采方法，運(yùn)用采12 m留8 m的條帶開(kāi)采參數(shù)最為合適，從而為涼水井煤礦及類似礦井開(kāi)展綠色可持續(xù)開(kāi)采提供一定的理論支撐。