煤層群開采合理工作面煤柱錯(cuò)距數(shù)值計(jì)算

劉 輝，陳 菲，馮 雄

(陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

淺埋煤層群開采時(shí)上煤層區(qū)段煤柱形成集中應(yīng)力，造成下區(qū)段巷道支護(hù)困難，影響生產(chǎn)安全[1-3]。此外，煤層群開采導(dǎo)致地表裂隙發(fā)育，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境[4-6]。相關(guān)研究表明：地表拉裂隙主要源于遺留煤柱造成的非均勻沉降，而非均勻沉降將導(dǎo)致出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，形成拉裂縫及集中應(yīng)力[7-9]。

為了揭示煤層群開采煤柱集中應(yīng)力與地表下沉破壞的耦合控制關(guān)系，文中以檸條塔煤礦淺埋煤層群開采為背景，采用UDEC軟件計(jì)算確定工作面區(qū)段煤柱合理錯(cuò)距和同采工作面合理錯(cuò)距。

1 工作面條件

研究區(qū)域位于檸條塔煤礦北翼東區(qū)的北翼盤區(qū)，主采煤層3層，分別為1-2煤層、2-2煤層和3-1煤層。礦井目前開采1-2煤層和2-2煤層，下部3-1煤層暫未開采。北翼盤區(qū)1-2煤層的厚度為0.85～2.16 m，平均1.64 m，采用一次采全高綜采設(shè)備開采，工作面采用兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行支護(hù)。1-2煤層綜采工作面日產(chǎn)量5 000 t左右。北翼盤區(qū)2-2煤層厚度為1.00～6.47 m，平均4.51 m，采用一次采全高大采高設(shè)備開采，選用綜采設(shè)備最大采高為5.8 m。工作面采用兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行支護(hù)。2-2煤層綜采工作面日產(chǎn)量在15 000 t左右。

1-2煤與2-2煤層平均間距35 m，1-2煤層埋藏深度110 m左右，薄基巖厚度70 m，松散土層厚度40 m。礦井多煤層的地層結(jié)構(gòu)簡單，近水平，埋藏淺，薄基巖，厚松散層，屬于典型淺埋煤層群[10]。

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)檸條塔煤礦北翼東區(qū)鉆孔綜合數(shù)據(jù)，采用Mohr-Coulomb模型建立數(shù)值模型，主要煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。模型為630 m×260 m的平面應(yīng)變模型。根據(jù)煤巖力學(xué)參數(shù)構(gòu)建模型并賦值，模型計(jì)算平衡后原巖應(yīng)力，如圖1所示。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

圖1 計(jì)算平衡后原巖應(yīng)力

3 1-2煤層與2-2煤層合理區(qū)段煤柱錯(cuò)距

3.1 模型的開挖

先開采1-2煤層，左邊留設(shè)邊界煤柱60 m，開挖左側(cè)工作面，每步開挖4 m，開挖長度為245 m。留設(shè)20 m煤柱后，進(jìn)行右側(cè)工作面的開采，工作面長度為245 m。

1-2煤層開采結(jié)束后，進(jìn)行2-2煤層的開采，左側(cè)留設(shè)邊界煤柱60 m，進(jìn)行左側(cè)工作面的開采。為研究不同區(qū)段煤柱錯(cuò)距下覆巖垮落規(guī)律和地表移動(dòng)規(guī)律，在保證地表達(dá)到充分采動(dòng)的前提下，進(jìn)行2-2煤層的回采，采高為5 m，分別模擬2-2煤層區(qū)段煤柱與1-2煤層區(qū)段煤柱重疊布置、錯(cuò)距0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m布置。記錄對(duì)比不同錯(cuò)距下煤柱垂直應(yīng)力分布、覆巖破壞特征、地表移動(dòng)規(guī)律。

3.2 不同區(qū)段煤柱錯(cuò)距覆巖垮落及煤柱破壞特征

通過UDEC數(shù)值模擬得出不同煤柱錯(cuò)距的破壞區(qū)，如圖2所示?？梢缘贸觯寒?dāng)上下煤柱錯(cuò)距小于20 m時(shí)，下煤層區(qū)段煤柱處于上煤層煤柱增壓區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致上煤層煤柱與下煤層煤柱出現(xiàn)貫通破壞區(qū)，下煤層煤柱破壞嚴(yán)重，巷道支護(hù)困難。上下煤柱錯(cuò)距在30～40 m時(shí)，隨煤柱錯(cuò)距增加，上煤層煤柱底板破壞區(qū)與下煤層煤柱頂板破壞區(qū)逐漸分離，應(yīng)力疊加區(qū)域逐漸減小。當(dāng)錯(cuò)距為40 m時(shí)，下煤層頂板垮落，巷道處于減壓區(qū)，煤柱穩(wěn)定和巷道穩(wěn)定。當(dāng)上下區(qū)段煤柱錯(cuò)距達(dá)到50 m時(shí)，下煤層區(qū)段煤柱處于上煤層采空區(qū)的壓實(shí)區(qū)中，下煤層區(qū)段煤柱集中應(yīng)力上升，煤柱穩(wěn)定性變差。

圖2 不同煤柱錯(cuò)距時(shí)破壞區(qū)

3.3 不同煤柱錯(cuò)距煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律

煤柱重疊布置或錯(cuò)距小于0 m時(shí)，上下煤柱出現(xiàn)疊加應(yīng)力，導(dǎo)致下煤層工作面巷道圍巖難以控制。煤柱集中應(yīng)力水平分布范圍達(dá)到8 m時(shí)，應(yīng)力達(dá)到20 MPa以上。隨著錯(cuò)距的增大，下煤層煤柱垂直應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)錯(cuò)距為40 m時(shí)，煤柱應(yīng)力大于20 MPa的范圍減小為3 m左右，煤柱應(yīng)力分布均勻，有利于巷道維護(hù)。當(dāng)錯(cuò)距為50 m時(shí)，下煤層區(qū)段煤柱處于上煤層開采的壓實(shí)區(qū)中，下煤層煤柱的垂直應(yīng)力有所升高，高應(yīng)力范圍增大，如圖3所示。

圖3 不同錯(cuò)距煤柱上的垂直應(yīng)力分布規(guī)律

隨著煤柱錯(cuò)距的變化，下煤層煤柱垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)先降低、后升高的變化特征，存在最佳區(qū)間。受上煤層煤柱疊加應(yīng)力的影響，當(dāng)煤柱重疊布置時(shí)，下煤層應(yīng)力峰值最大；隨著水平錯(cuò)距的增加，下煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值不斷減??；當(dāng)煤柱中心距為40 m時(shí)，下煤層煤柱應(yīng)力峰值最小。煤柱錯(cuò)距為50 m時(shí)，下煤層區(qū)段煤柱處于上煤層采空區(qū)壓實(shí)區(qū)，應(yīng)力峰值又開始升高，如圖4所示。

圖4 不同煤柱錯(cuò)距下層煤煤柱的垂直應(yīng)力峰值

綜上所述，上下煤柱布置存在合理的錯(cuò)距。煤柱錯(cuò)距主要與煤層間距和上煤層煤柱集中應(yīng)力傳遞角(巖層垮落角)有關(guān)，上下煤層煤柱錯(cuò)距保持40 m左右較為合適。

3.4 不同煤柱錯(cuò)距地表沉降規(guī)律及合理煤柱錯(cuò)距確定

開采1-2煤層時(shí)，地表下沉最大值位于工作面中部，最小下沉量位于煤柱正上方；最大下沉量為1.6 m，最小下沉量為0.5 m，形成W型下沉曲線，如圖5所示。當(dāng)2-2煤層工作面重疊布置或煤柱錯(cuò)距0 m時(shí)，地表下沉量為5.9 m，煤柱左右地表下沉起伏和擾度最大，煤柱兩側(cè)地表拉裂縫集中，呈現(xiàn)明顯的W型下沉盆地。隨著錯(cuò)距的增加，地表盆地的下沉梯度(撓度)逐步減小，當(dāng)煤柱錯(cuò)距大于40 m后，2-2煤層開采后地表下沉落差減小，地表均勻下沉。當(dāng)煤柱錯(cuò)距為40 m時(shí)，1-2煤層與2-2煤層煤柱開采地表下沉比較平緩，可有效地減緩地表破壞程度；同時(shí)，煤柱應(yīng)力也處于最佳狀態(tài)，存在一致性，最佳煤柱錯(cuò)距為40 m。

圖5 不同煤柱錯(cuò)距時(shí)地表下沉量

綜上所述，通過合理的煤柱錯(cuò)距布置，可以實(shí)現(xiàn)覆巖與地表均勻沉降，達(dá)到減緩煤柱集中應(yīng)力與減輕地表裂隙的協(xié)同控制。

4 1-2煤與2-2煤煤層同采工作面合理走向錯(cuò)距確定

4.1 模型的開挖

1-2煤和2-2煤左側(cè)邊界煤柱寬度為100 m，分別模擬1-2煤與2-2煤同采工作面走向錯(cuò)距100 m、80 m、70 m、60 m、50 m、40 m、30 m、20 m、10 m和0 m時(shí)的開采情況，對(duì)比不同錯(cuò)距下2-2煤層工作面圍巖應(yīng)力分布、覆巖破壞特征及地表移動(dòng)規(guī)律。

4.2 不同錯(cuò)距2-2煤層工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

1-2煤層工作面開采后，圍巖應(yīng)力重新分布，工作面煤壁附近形成應(yīng)力增高區(qū)，該區(qū)域垂直應(yīng)力通過煤層傳遞至底板巖層，對(duì)底板巖層的影響成正“八”字分布。隨著工作面走向錯(cuò)距減小，2-2煤層工作面受1-2煤層工作面采動(dòng)影響越來越明顯。由于1-2煤層工作面開采后100 m的采空區(qū)已經(jīng)壓實(shí)，2-2煤層工作面滯后100 m開采基本不受1-2煤層采動(dòng)應(yīng)力影響。工作面錯(cuò)距減小為60～70 m時(shí)，2-2煤層工作面圍巖應(yīng)力開始增大。當(dāng)走向錯(cuò)距小于30 m時(shí)，2-2煤層與1-2煤層圍巖應(yīng)力疊加，上下煤層工作面相互影響嚴(yán)重，礦壓顯現(xiàn)劇烈。隨著工作面錯(cuò)距的減小，2-2煤層工作面超前支承壓力峰值不斷增大，如圖6所示。

圖6 2-2煤層工作面超前支承壓力峰值曲線

綜上所述，結(jié)合2-2煤層、1-2煤層工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和2-2煤層工作面超前支承壓力峰值規(guī)律，從避免上下煤層同時(shí)開采互相影響和實(shí)現(xiàn)安全高產(chǎn)高效開采的角度出發(fā)，2-2煤層工作面與1-2煤層工作面同時(shí)開采時(shí)錯(cuò)距應(yīng)該大于70 m。

4.3 不同走向錯(cuò)距地表走向沉降規(guī)律及合理錯(cuò)距確定

數(shù)值計(jì)算得出，2-2煤層工作面與1-2煤同采工作面走向錯(cuò)距分別為0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m和100 m時(shí)的地表下沉曲線，如圖7所示。

圖7 同采工作面走向不同錯(cuò)距的地表下沉曲線

當(dāng)2-2煤層和1-2煤層工作面達(dá)到充分采動(dòng)的情況下，不同走向錯(cuò)距的地表最大下沉量基本相同，平均為5.1 m左右。不同走向錯(cuò)距條件下，推進(jìn)方向地表下沉盆地邊緣的下沉曲線撓度差別較大，即地表平行裂隙的發(fā)育程度不同。

當(dāng)工作面走向錯(cuò)距小于40 m時(shí)，地表下沉曲線撓度較大，下降梯度平均為4.15 cm/m，地表受集中拉應(yīng)力影響較大，地表平行裂縫最大。當(dāng)走向錯(cuò)距為 50～70 m時(shí)，地表下沉曲線撓度有所減緩，下沉梯度為3.75 cm/m。當(dāng)走向錯(cuò)距為 80～100 m時(shí)，地表下沉曲線撓度很小，下沉梯度平均2.63 cm/m。

因此，當(dāng)2-2煤層工作面與1-2煤層工作面走向錯(cuò)距大于80 m時(shí)，能夠有效減小采空區(qū)平行裂縫發(fā)育程度。

5 結(jié)論

(1)2-2煤層煤柱垂直應(yīng)力隨傾向錯(cuò)距的增加，出現(xiàn)V型分布，存在最佳區(qū)間。當(dāng)煤柱重疊布置時(shí)，下煤層應(yīng)力峰值最大；當(dāng)煤柱錯(cuò)距40 m時(shí)，下煤層煤柱應(yīng)力峰值最??；煤柱錯(cuò)距大于50 m后，下煤層煤柱處于上煤層采空區(qū)壓實(shí)區(qū)，應(yīng)力峰值又開始升高。

(2)當(dāng)2-2煤層與1-2煤層工作面區(qū)段煤柱錯(cuò)距大于40 m時(shí)，煤柱上方地表下沉撓度較小，可以避免地表邊界裂隙(縫)發(fā)育，有利于減緩地表破壞程度。因此，基于兼顧避免地下煤柱應(yīng)力集中和減緩地表裂隙原則，區(qū)段煤柱錯(cuò)距40 m左右最佳。

(3)2-2煤層與1-2煤層同采工作面隨著走向錯(cuò)距增大，上下工作面互相影響減小。當(dāng)工作面走向錯(cuò)距大于70 m時(shí)互相影響較小，當(dāng)走向錯(cuò)距小于30 m時(shí)應(yīng)力疊加影響嚴(yán)重。

(4)2-2煤層和1-2煤層工作面充分采動(dòng)時(shí)，不同走向錯(cuò)距的地表最大下沉量相同，為5.1 m。但不同走向錯(cuò)距下，煤壁上方的地表下沉撓度不同，地表平行裂隙發(fā)育程度不同。當(dāng)工作面走向錯(cuò)距小于40 m時(shí)，地表下沉撓度最大，當(dāng)工作面走向錯(cuò)距大于80 m時(shí)地表下沉曲線平緩。因此，2-2煤層工作面與1-2煤層工作面走向錯(cuò)距應(yīng)大于80 m。