榆神礦區(qū)雙煤層開采錯(cuò)距方案優(yōu)化數(shù)值模擬

孫學(xué)陽，盧明皎，李 成，苗霖田

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054；2.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054；3.煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)的綠色采礦技術(shù)[1-2]應(yīng)運(yùn)而生。范立民[3]從系統(tǒng)論角度較為全面的闡述了保水采煤的概念和科學(xué)內(nèi)涵；孫學(xué)陽等[4]總結(jié)了實(shí)現(xiàn)保水采煤的措施和手段；錢鳴高等[5]提出了“關(guān)鍵層”理論；黃慶享[6]通過物理模擬和地裂縫實(shí)測分析，發(fā)現(xiàn)“上行裂隙”和“下行裂隙”的導(dǎo)通性決定著隔水巖組的隔水性，并了建立以隔水巖組厚度與采高之比(隔采比)為指標(biāo)的隔水巖組隔水性判據(jù)；孫建等[7]研究了底板傾斜隔水關(guān)鍵層的撓度特性、應(yīng)力分布及其破斷失穩(wěn)特征，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)控制工作面長度有利于保護(hù)底板復(fù)合隔水關(guān)鍵層進(jìn)而有利于控制底板突水；馬凱等[8]基于“下三帶”、“關(guān)鍵層”理論，簡化出局部高承壓水與底板隔水關(guān)鍵層的圓筒力學(xué)模型，并提出奧陶系頂部巖層作為隔水關(guān)鍵層剩余隔水能力的計(jì)算式；尚濤等[9]采用數(shù)值模擬分析了節(jié)地減損開采過程中水平應(yīng)力、自重應(yīng)力和穩(wěn)定性的變化規(guī)律，并對(duì)節(jié)地減損開采進(jìn)行分析優(yōu)化；潘瑞凱等[10]提出了近距離雙煤層開采綜合采厚的計(jì)算方法，揭示了淺埋雙厚煤層開采后地表-上采區(qū)-下采區(qū)的漏風(fēng)機(jī)制；侯恩科等[11]通過PFC 數(shù)值模擬手段，研究了雙煤層斜交開采地表裂縫發(fā)育特征；張志祥等[12]指出雙煤層采動(dòng)巖體裂隙變化規(guī)律與單煤層采動(dòng)明顯不同；文獻(xiàn)[13-15]分析了近距離雙煤層開采底板應(yīng)力受煤柱的影響程度，并提出確定回采巷道合理位置的方法以及優(yōu)化方案；程志恒等[16]采用相似模擬實(shí)驗(yàn)通過對(duì)近距離煤層群疊加開采研究，優(yōu)化了突出危險(xiǎn)煤層群瓦斯預(yù)抽方案,杜君武等[17]通過數(shù)值模擬和理論計(jì)算，建立了上、下煤層同采工作面穩(wěn)壓式和減壓式布置模型。上述研究表明：上下煤層合理的布置煤柱將有助于分散采空區(qū)上部荷載，減弱上下煤層的應(yīng)力疊加，減緩地表下沉和減輕地表裂縫[18-19]。主采煤層覆巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層破斷程度是決定覆巖變形和破環(huán)的關(guān)鍵因素，目前對(duì)多煤層錯(cuò)距開采對(duì)覆巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層影響的研究相對(duì)較少，多煤層錯(cuò)距布置與優(yōu)選對(duì)覆巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層影響機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。為此，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬手段對(duì)雙煤層不同錯(cuò)距情況進(jìn)行優(yōu)選，并分析不同錯(cuò)距對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層影響，為保水開采目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1 錯(cuò)距開采數(shù)值模擬方案

1.1 礦井地質(zhì)概況

榆神礦區(qū)某礦地表為黃土梁峁、風(fēng)沙灘地和沙丘沙地地貌，地質(zhì)構(gòu)造簡單。礦井主采2-2、3-12 層煤，其中2-2煤總體近于水平，平均厚3.75 m，煤層埋深266.3～286.5 m，其中基巖厚154～210 m，土層厚10～80 m。3-1煤總體近于水平，平均煤厚6.25 m，底板為細(xì)粒砂巖或粉砂巖，厚4.34～6.48 m。上下煤層間巖組為中粒砂巖、粉砂巖，平均厚37.5 m。

通過對(duì)2-2煤122106 工作面內(nèi)K5 鉆孔資料及巖層柱狀結(jié)構(gòu)分析，采用關(guān)鍵層判別對(duì)所取巖層柱狀進(jìn)行覆巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層層位判別[6,20-21]，覆巖埋深171.0 m 處細(xì)粒砂巖為覆巖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層，主要巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 主要巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of main rock

1.2 三維建模方案

雙煤層開采錯(cuò)距是指上層煤區(qū)段煤柱右側(cè)邊界與下煤層區(qū)段煤柱左側(cè)邊界之間的距離。本次設(shè)定的開采錯(cuò)距分別為0、20、40、60、80 m 等5 種類型。模擬方案其他條件均相同，僅改變開采錯(cuò)距。數(shù)值模擬方案表見表2。

表2 數(shù)值模擬方案Table 2 Numerical simulation scheme

以榆神礦區(qū)某礦地質(zhì)資料為背景建模，模型尺寸長（y）×寬（x）×高（z）=800 m×420 m×310 m，共208 120 節(jié)點(diǎn)，161 280 單元。每個(gè)煤層各布置2 個(gè)開采工作面，采用FLAC3D模擬雙煤層錯(cuò)距開采，研究覆巖應(yīng)力場變化規(guī)律，比選錯(cuò)距開采最優(yōu)方案。

2 雙煤層錯(cuò)距優(yōu)選分析

最優(yōu)錯(cuò)距開采是綜合考慮上下煤層的平均間距、覆巖厚度、巖石力學(xué)參數(shù)、應(yīng)力傳遞角度等因素耦合的作用，使上層煤開采后下層煤煤柱應(yīng)力峰值最小，下層煤工作面、煤柱有效的避開上層煤的應(yīng)力集中區(qū)時(shí)上下煤層區(qū)段煤柱之間錯(cuò)開的距離。由模擬雙煤層錯(cuò)距開采得出的雙煤層開采拉應(yīng)力分布云圖如圖1。圖中中間透明區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，同層煤采空區(qū)間為區(qū)段煤柱。

圖1 上下煤層不同錯(cuò)距拉應(yīng)力切片圖Fig.1 Tension stress slice of different offsets between upper and lower coal seams

當(dāng)雙層煤開采煤柱錯(cuò)距為0 m 時(shí)，3-1煤柱處于2-2煤柱形成的增壓區(qū)內(nèi)，錯(cuò)距煤柱間出現(xiàn)近乎連通的拉應(yīng)力影響區(qū)，3-1煤柱破壞嚴(yán)重，巷道支護(hù)困難。錯(cuò)距煤柱間拉應(yīng)力影響區(qū)峰值應(yīng)力為4.0 MPa，應(yīng)力云圖如圖1（a）。

隨煤柱錯(cuò)距增加，2-2煤柱底板破壞區(qū)與3-1煤柱頂板破壞區(qū)逐漸分離，當(dāng)錯(cuò)距為20 m 時(shí)，上下煤層工作面主應(yīng)力在錯(cuò)距煤柱中心應(yīng)力集中區(qū)范圍減小，煤柱間拉應(yīng)力影響區(qū)趨于分離。錯(cuò)距煤柱間拉應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力過渡均勻，應(yīng)力云圖如圖1（b）。

錯(cuò)距為40 m 時(shí)上下煤層工作面在錯(cuò)距煤柱處已完全分離，互不影響。錯(cuò)距煤柱間拉應(yīng)力影響區(qū)進(jìn)一步縮小，應(yīng)力峰值下降至1.75 MPa，應(yīng)力云圖如圖1（c）。

錯(cuò)距為60 m 時(shí)3-1煤左側(cè)工作面處于2-2煤柱應(yīng)力釋放區(qū)，應(yīng)力呈現(xiàn)疊加，且3-1煤柱逐漸進(jìn)入2-2煤邊界煤柱應(yīng)力影響區(qū)，煤柱間拉應(yīng)力影響區(qū)向右側(cè)偏移。拉應(yīng)力峰值增加至2.75 MPa，應(yīng)力云圖如圖1（d）。

錯(cuò)距為80 m 時(shí)，3-1煤左側(cè)工作面處于2-2煤層右側(cè)工作面采空壓實(shí)區(qū)下方，3-1煤柱受2-2煤邊界煤柱應(yīng)力影響變大，拉應(yīng)力峰值躍升至3.75 MPa，拉應(yīng)力影響區(qū)域加深，3-1煤柱穩(wěn)定性變差，應(yīng)力云圖如圖1（e）。

由于煤柱對(duì)煤層頂板的支撐作用以及采空區(qū)卸荷、垮落的影響，煤層覆巖應(yīng)力向煤柱轉(zhuǎn)移，因此在錯(cuò)距開采過程中，煤柱中心應(yīng)力值最大、下沉值最小。提取3-1煤柱中心左右各3 倍寬度范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力和下沉值，對(duì)比分析該煤柱的穩(wěn)定性。

不同錯(cuò)距最大主應(yīng)力曲線如圖2。由圖2 可知，最大主應(yīng)力曲線呈“平峰”狀分布，煤柱中心出現(xiàn)最大主應(yīng)力峰值，錯(cuò)距煤柱邊緣應(yīng)力出現(xiàn)跳躍式下降，其寬度范圍內(nèi)最大主應(yīng)力是兩側(cè)卸壓區(qū)的3～5 倍，煤柱兩側(cè)易產(chǎn)生破斷、發(fā)育裂隙。當(dāng)煤層錯(cuò)距0、20、40、60、80 m 時(shí)，煤柱最大主應(yīng)力峰值依次為13.27、11.04、10.37、11.65、12.45 MPa。最大主應(yīng)力經(jīng)歷“由大到小再增大”的過程。

圖2 不同錯(cuò)距最大主應(yīng)力曲線Fig.2 Maximum principal stress curves with different offsets

不同錯(cuò)距下沉曲線如圖3。由圖3 可知，不同錯(cuò)距下沉值呈現(xiàn)“尖峰”狀分布，煤柱中心下沉值最小，煤柱寬度范圍外下沉值逐漸增大，煤柱寬度范圍下沉值不足兩側(cè)采空區(qū)的1/2～1/3。當(dāng)煤層錯(cuò)距0、20、40、60、80 m 時(shí)，煤柱中心下沉值分別為0.160、0.079、0.076、0.099、0.113 m。最大下沉值也呈現(xiàn)出“由大到小再增大”的趨勢。

圖3 不同錯(cuò)距下沉曲線Fig.3 Subsidence curves with different offsets

由上述可得，當(dāng)開采錯(cuò)距為40 m 時(shí)，煤柱中心出現(xiàn)應(yīng)力峰值的最小值，對(duì)應(yīng)的煤柱中心下沉值最小，此種情況下煤柱最安全，為最優(yōu)錯(cuò)距。

3 錯(cuò)距開采對(duì)覆巖關(guān)鍵層影響

回采工作面在推進(jìn)過程中，采空區(qū)頂板會(huì)逐漸垮落、卸荷、應(yīng)力重分布，上部覆巖的主要荷載轉(zhuǎn)移到煤柱。因此2-2煤柱上方出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)而左右兩側(cè)采空區(qū)上方呈現(xiàn)低應(yīng)力區(qū)。在上層煤工作面上方拉應(yīng)力呈現(xiàn)“谷-峰-谷”形分布。

通過提取模型中關(guān)鍵層上隨著開采的進(jìn)行最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布情況，研究不同錯(cuò)距下，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層受開采擾動(dòng)的影響情況。

覆巖關(guān)鍵層主應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化曲線如圖4。

圖4 覆巖關(guān)鍵層主應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化曲線Fig.4 The curves of the principal stress of the key layer with the advance of the working face

當(dāng)雙煤層開采錯(cuò)距變化，隨之結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層最大主應(yīng)力（σ1）整體呈“凹”狀分布，自上而下可分為2部分：錯(cuò)距20、40、60 m 位于下部，該部分結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層位置應(yīng)力值較小分布集中，其中錯(cuò)距40 m 時(shí)應(yīng)力值最小；錯(cuò)距0 m 和80 m 位于上部，此時(shí)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層處應(yīng)力值較大且與下部應(yīng)力值有較明顯差異，σ1最大主應(yīng)力圖如圖4（a）。結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層最小主應(yīng)力σ3整體呈“駝峰”狀分布，5 種錯(cuò)距情況應(yīng)力分布較集中，其中錯(cuò)距0 m 時(shí)σ3值最大，σ3最小主應(yīng)力圖如圖4（b）。

根據(jù)Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則：

式中：c 為巖層黏聚力，MPa；φ 為巖層內(nèi)摩擦角，（°）；k 為中間參量；σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；f 為強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷條件，當(dāng)f=0 時(shí)巖體處于臨界狀態(tài)，當(dāng)f<0 時(shí)巖體處于塑性、斷裂變形階段，當(dāng)f>0 時(shí)巖體處于彈性變形階段。

由Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則判別條件、巖石力學(xué)參數(shù)及數(shù)值模擬覆巖關(guān)鍵層主應(yīng)力分布規(guī)律可得：不同開采錯(cuò)距覆巖關(guān)鍵層處最小主應(yīng)力分布集中，數(shù)值分布較接近；而最大主應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯差異，錯(cuò)距0 m 與80 m 顯著大于錯(cuò)距20、40、60 m，因此結(jié)合式（2）覆巖關(guān)鍵層是否發(fā)生塑性變形與破斷在該工況條件下主要取決于關(guān)鍵層位置最大主應(yīng)力分布。通過分析覆巖關(guān)鍵層最大主應(yīng)力圖（圖4（a）），錯(cuò)距20、40、60 m 時(shí)覆巖關(guān)鍵層大部分將處于彈性變形階段，與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)的覆巖關(guān)鍵層落在“谷-峰-谷”形卸壓區(qū)兩側(cè)的高拉應(yīng)力區(qū)面積較小的情況基本吻合，采空區(qū)兩側(cè)豎向裂隙穿透關(guān)鍵層區(qū)域較少。錯(cuò)距40 m 時(shí)，覆巖關(guān)鍵層最大主應(yīng)力最小，關(guān)鍵層最穩(wěn)定、完整，即為最優(yōu)錯(cuò)距；錯(cuò)距0 m和80 m 時(shí)關(guān)鍵層大部分將處于塑性和斷裂變形階段，對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果覆巖關(guān)鍵層落在“谷-峰-谷”形卸壓區(qū)兩側(cè)的高拉應(yīng)力區(qū)面積較大，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層較破碎，地表沉陷、覆巖變形較大。錯(cuò)距0 m 時(shí)，覆巖關(guān)鍵層最大主應(yīng)力最大，關(guān)鍵層最破碎，即為最不利錯(cuò)距。

4 結(jié) 論

1）雙層煤錯(cuò)距開采，錯(cuò)距煤柱影響范圍內(nèi)最大主應(yīng)力呈“平峰”狀分布，下沉值呈“尖峰”狀分布，錯(cuò)距煤柱中心出現(xiàn)主應(yīng)力峰值和下沉最小值；隨著錯(cuò)距的增加，錯(cuò)距煤柱拉應(yīng)力分布特征、煤柱最大主應(yīng)力和下沉值均經(jīng)歷“由大到小再增大”的規(guī)律。

2）綜合考慮煤柱最大主應(yīng)力峰值、煤柱中心下沉值、覆巖關(guān)鍵層落于高拉應(yīng)力區(qū)面積及破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則，當(dāng)開采錯(cuò)距0 m 時(shí)，煤柱最大主應(yīng)力峰值、煤柱中心下沉值、覆巖關(guān)鍵層落于高拉應(yīng)力區(qū)面積均出現(xiàn)最大值與范圍；而錯(cuò)距40 m 時(shí)，煤柱最大主應(yīng)力峰值、煤柱中心下沉值、覆巖關(guān)鍵層落于高拉應(yīng)力區(qū)面積均出現(xiàn)最小值與范圍。通過不同錯(cuò)距方案對(duì)比分析，雙煤層開采最優(yōu)錯(cuò)距為40 m，最不利錯(cuò)距為0 m。

3）最優(yōu)的錯(cuò)距開采可有效減少結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層的損傷和破斷，覆巖變形較??；而最不利的錯(cuò)距開采將加劇結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層破斷范圍大，加劇地表沉陷，增大覆巖破壞范圍。