多煤層開采覆巖破壞規(guī)律數(shù)值模擬及工程實踐

鄭訓(xùn)臻，王 巖，趙海波，成之祥

（1.長春建筑學(xué)院 土木工程學(xué)院，吉林 長春 130607；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；4.同煤集團王村煤業(yè)公司 機掘四隊，山西 大同 037003）

煤炭往往以煤層群的形式賦存于地下，隨著礦井采深的逐漸增加，有些煤礦是在已采煤層之下、或在已采煤層之上再進行開采，這就形成了多煤層開采問題[1-5]。多煤層開采一般采用下行開采方式，上覆煤層開采引起采空區(qū)圍巖應(yīng)力重新分布，不僅導(dǎo)致采空區(qū)周圍的煤柱上易發(fā)生應(yīng)力集中，而且該應(yīng)力將向底板巖層進行傳遞，導(dǎo)致煤層底板結(jié)構(gòu)進一步破壞，下覆煤層開采時應(yīng)力演化更為復(fù)雜，工作面頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)更加破碎[6-10]。而上組煤層開采形成的采空區(qū)一般都存在積水現(xiàn)象，極大地影響下組煤的開采，需要對上覆巖層的破壞形態(tài)、導(dǎo)水通道發(fā)育規(guī)律進行研究[11]。因此分析導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度時需要考慮多煤層開采問題[12]。

1 礦井概況

安盛煤礦采用立井、單翼、多水平、多煤層開采，生產(chǎn)能力為110萬t/a，現(xiàn)主要有綜采和綜放2種采煤工藝。主要可采煤層從上至下為2煤、5煤和9煤層，總厚度平均為13.81 m。5煤層為穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角 4°～8°，平均 6°，煤層厚度 1.5～3.5 m，平均 2.5 m。5 煤層首采面為 8501工作面，走向長約580 m，傾向長約170 m，開采區(qū)域面積約為98 600 m2，工作面煤巖賦存分布圖如圖1。以深灰色泥巖與灰色細砂巖為主，其中直接頂為石灰?guī)r，基本頂為中砂巖，直接底為粉砂巖，基本底為泥巖。8501工作面上覆存在2煤層8201工作面采空區(qū)，8201工作面走向長300 m，傾向長140 m，厚度平均為1.8 m，埋深平均為130 m，頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)簡單、不含夾矸，頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板巖性為泥巖、粉砂巖。5煤層與2煤層層間距為77 m。

圖1 工作面煤巖賦存分布圖

根據(jù)安盛煤礦井田范圍內(nèi)瞬變電磁法探測結(jié)果可知，2煤層8201工作面開采后采空區(qū)積水嚴重，5煤層工作面開采時面臨頂水作業(yè)，因此需要對導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冗M行分析、確定并采取安全措施，從而確保下組煤層工作面安全回采。

2 單煤層開采覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨扔嬎?/h2>

工作面開采過程中，若覆巖中存在含水層，垮落帶和斷裂帶中貫通的裂隙就會形成導(dǎo)水通道，對下煤組工作面開采造成水害威脅。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)程》附表4-2中提到的經(jīng)驗公式，對單一煤層工作面開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度進行計算[13]。5煤層8501工作面頂板為石灰?guī)r，屬堅硬巖，計算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋?/p>

式中：Hli為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋琺；∑M為累計采厚，m。

為安全起見，式中參數(shù)選取最大值，采厚M取3.5 m，上述公式計算結(jié)果為65.35 m。而5煤層與2煤層之間的層間距為77 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ю碚摳叨染?煤層65.35 m，未觸及2煤層積水區(qū)。

3 多煤層開采覆巖破壞特征數(shù)值模擬

采用FLAC3D軟件對5煤8501工作面和2煤8201工作面開采過程進行模擬。根據(jù)工程地質(zhì)條件，確定模型材料參數(shù)見表1。考慮應(yīng)力邊界和位移邊界效應(yīng)，最終建立幾何模型尺寸為：走向方向1 000 m，傾向方向400 m，豎直方向230 m。邊界條件按模型所處位置應(yīng)力條件確定，在x、y方向施加水平移動約束邊界，對z方向底部邊界施加水平、垂直移動約束邊界，對z方向上邊界施加應(yīng)力邊界，按照每100 m產(chǎn)生2.5 MPa壓應(yīng)力計算，模型上部邊界施加應(yīng)力大小為2.5 MPa。計算模型采用理想彈塑性模型，破壞準則采用摩爾-庫倫模型。

為分析多煤層開采上部采空區(qū)對8501工作面的影響，本次模擬設(shè)計2種開采方案進行對比，方案1為對5煤層8501工作面單獨開采，方案2為在8201工作面開采結(jié)束的條件下，對8501工作面進行開采。其中，8201工作面開采尺寸為140 m×300 m，8501工作面開采尺寸為170 m×580 m，為模擬實際開采過程，對8501工作面模擬分4次進行開采，依次推進 100、200、340、580 m。

表1 8501工作面及其上覆煤巖材料參數(shù)

3.1 單煤層開采覆巖破壞規(guī)律

根據(jù)開采方案，得到的8501工作面單煤層開采過程中塑性區(qū)分布圖如圖2。

由圖2可以看出，8501工作面單獨開采時，采空區(qū)頂?shù)装寮皟蓚?cè)煤壁處產(chǎn)生塑性破壞區(qū)，關(guān)于采空區(qū)中心對稱分布且破壞范圍隨著工作面推進距離的增加而增加，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨燃s60～68 m，與單煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ю碚撚嬎阒递^接近。

3.2 多煤層開采覆巖破壞規(guī)律

多煤層開采塑性區(qū)分布圖如圖3。由圖3可以看出，多煤層開采條件下，8501工作面開采至100 m時，塑性區(qū)分布在頂?shù)装逄?，破壞范圍較小；開采至200 m時，工作面左側(cè)塑性區(qū)范圍明顯比右側(cè)更大，塑性區(qū)貫通了2號煤層與5號煤層間的巖體；隨著工作面繼續(xù)推進，貫通塑性區(qū)范圍逐漸增大，導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨却笥?0 m，超過層間距。

圖2 單煤層開采塑性區(qū)分布圖

整體而言，8501工作面單獨開采時塑性破壞區(qū)范圍較小，僅在采空區(qū)頂?shù)装寮皟蓚?cè)煤壁處產(chǎn)生破壞；多煤層開采條件下，8501工作面推進過程中破壞范圍明顯增大，且產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)貫通了層間巖體，說明8501工作面受到了8201采空區(qū)的影響，開采過程中會產(chǎn)生足夠長的導(dǎo)水通道，將積水導(dǎo)入8501工作面，造成水害威脅。

覆巖破壞與圍巖應(yīng)力場分布情況息息相關(guān)，8501工作面推進至200 m時，多煤層開采條件下采空區(qū)邊界處產(chǎn)生大范圍塑性區(qū)，因此對推進200 m時圍巖應(yīng)力場進行分析。在8501工作面頂板布置垂直應(yīng)力監(jiān)測線，得到的垂直應(yīng)力、垂直位移曲線如圖 4、圖 5。

1）8501工作面單獨開采時，頂板垂直應(yīng)力曲線均對稱分布，而多煤層開采條件下工作面左邊界處垂直應(yīng)力較低，其峰值約為6.2 MPa，較單獨開采時減小了32.6%，且沿著工作面推進方向有先減小后增大的趨勢。

圖3 多煤層開采塑性區(qū)分布圖

圖4 8501工作面推進200 m垂直應(yīng)力曲線

圖5 8501工作面推進200 m垂直位移曲線

2）多煤層開采條件下，8501工作面左側(cè)部分巖體發(fā)生向上的位移，采空區(qū)中心區(qū)域頂板變形最大，峰值為0.71 m，較單獨開采時增大了11.2%，且沿著工作面推進方向有先增大后減小的趨勢。

針對整體而言，多煤層開采與單獨開采條件下，覆巖塑性破壞范圍、垂直應(yīng)力、垂直位移都隨著工作面推進距離的增大而增大，但工作面推進至200 m后，多煤層開采覆巖破壞范圍大于單獨開采，在上層工作面和下層工作面交界處產(chǎn)生大面積塑性區(qū)及低應(yīng)力區(qū)，貫通層間巖體，遠遠大于單一煤層開采時的破壞高度，覆巖破壞產(chǎn)生的導(dǎo)水通道高度大于其單獨開采導(dǎo)水通道高度。必須進行積水疏放。

4 工程應(yīng)用

安盛煤礦主采5煤層，當(dāng)前對5煤層8501工作面進行回采，8501工作面上覆存在2煤層8201工作面采空區(qū)，并存在采空積水。5煤層與上覆2煤層層間距為77 m。

為確保多煤層開采安全完成，8501工作面開采前，對上覆2煤層采空區(qū)積水進行疏放，采用ZDY3200SA全液壓坑道鉆機，鉆場內(nèi)設(shè)計12個鉆孔，均施工在巷道頂板上，12個鉆孔均按設(shè)計要求打透2號煤層采空區(qū)。通過對2號煤層采空區(qū)積水打鉆疏放后，進行回采作業(yè)，根據(jù)8501工作面回采總結(jié)可知，從2017年2月開始回采，至2017年11月完成收尾工作。工作面回采過程中，未出現(xiàn)明顯的涌水現(xiàn)象，已安全完成回采工作任務(wù)。

5 結(jié)論

1）理論計算結(jié)果可知，5號煤層覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨葹?5.35 m，而5號煤層與2號煤層之間的層間距為77 m，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ю碚摳叨葹閷娱g距的84.87%，未觸及2號煤層積水區(qū)。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，多煤層開采與單煤層開采塑性區(qū)范圍都隨著工作面推進距離的增大而增大，但多煤層開采時層間巖體破壞情況更加復(fù)雜，采寬超過200 m時，在兩工作面交界處產(chǎn)生大面積塑性破壞區(qū)和低應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域垂直應(yīng)力峰值約為6.2 MPa，較單獨開采減小了32.6%。

3）模擬分析表明，多煤層開采覆巖發(fā)生破壞將產(chǎn)生足夠長的導(dǎo)水通道，足以使8201采空區(qū)積水導(dǎo)入8501工作面，設(shè)計并實施積水疏放方案后對工作面進行回采作業(yè)，工程應(yīng)用證明，對8201采空區(qū)積水進行疏放后，8501工作面現(xiàn)已安全完成回采作業(yè)，已完全消除了上覆采空區(qū)積水對下層工作面開采的水害隱患。