条带开采下近距离煤层开采覆岩应力变化规律数值模拟研究

2017-11-10 19:20赵晔杨盛皓周裕如杨军许猛堂

绿色科技 2017年20期

赵晔　杨盛皓　周裕如　杨军　许猛堂

摘要：指出了山西某矿2煤开采采用条带开采，2煤层和2下煤层相距3.5 m，为进行近距离煤层开采，通过建立数值模型，研究了2煤层工作面条带开采后对2下煤层工作面开采覆岩应力的影响规律，分析得出了2下煤层工作面矿山压力受影响的范围，为2下煤层工作面开采奠定了基础。

关键词：条带开采；近距离煤层；覆岩应力变化

中图分类号：TD325

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）20014904

1工程概况

近年来，由于资源开采力度增大，矿山开采的安全事故也与日俱增，近距离煤层的开采一直是煤炭开采的难点之一，且近距离煤层开采，层理、节理发育，稳定性差，掘进和回采时顶板不易维护，易发生事故。

由于控制地表沉陷，山西某矿2煤开采采用条带开采，2煤层与2煤下相距3.5 m，属于近距离煤层。在2煤开采过程中将会对覆岩造成集中应力，对将来2煤下开采造成影响。两煤层的具体情况如下。

（1）2号煤层。该煤层位于山西组中部，距山西组底砂岩（K7）约1.3～9.7 m，平均3.4 m。煤层厚度稳定，局部受河道砂岩的冲刷（建造内冲刷）形成NE向的厚度变薄带，西部因风化剥蚀厚度变薄乃至尖灭。煤层稳定，厚1.80～4.31 m，平均3.37 m，煤层结构较复杂，含夹石0～3层，夹石厚0.05～0.5 m，为富含碳质泥岩或粉砂质泥岩，全区可采。

（2）2煤下。该煤层位于山西组中下部，距山西组底砂岩（K7）约4.3～13.7 m，平均7.4 m。煤层厚度不够稳定，且上层泥岩抗压强度较小，不够稳定，且倾角相对2煤较大，因此开采覆岩应力变化反应应比2煤较为剧烈。煤层不稳定，厚0.89～1.81 m，平均1.5 m。

2模型建立

2.1实验原型

以山西某矿为实验原型，煤2煤层和煤2下煤层为近距离煤层开采，根据规划的两层煤工作面布置，煤层为水平煤层。

2.2数值模拟方案

为充分考虑2煤层条带开采对2煤下工作面开采的影响，共提出2种开采方案，见表1。表中的条带开采方案针对不同的采出率进行模拟，从而得出在不影响社会关系条件下选择经济效益最大化的最佳方案。

2.3模型建立

计算机数值模拟是目前研究矿山采场覆岩移动规律的重要方法之一。建立模型如图1所示，

在岩层移动数值模拟中，限于数值模拟软件可运行单元数的限制或为了节约机时，通常采用与相似材料模拟实验相类似的简化方法。根据切眼所处的地质条件，建立切眼剖面—平面应变模型。模型两侧面为滑动支承，底部为固定支承。

2.4各岩层力学参数确定

各岩层力学参数如表2所示。

3对比分析

3.1地表沉陷分析

（1）采高3.2 m，采40 m留70 m的模拟结果如图2所示。

（2）采高3.2 m，采50 m留70 m的模拟结果如图3所示。

两种方案的地表变形指标极值如表3所示，砖泥结构建筑物损坏等级表见表4。

3.2分析结果

（1）在2煤采高3.2 m的条件下，两种方案皆可行，但是明显第二种采50 m留70 m的方案采出率明显高于第一种采40 m留70 m的方案，方案一达到了建筑物损坏的I级标准，采出率为36.4%，从经济方面考虑的话，方案一采出率较低，方案二根据模拟结果显示地表变形的各指标值在建筑物损坏Ⅱ级标准以内，虽然第二种方案的建筑物破坏程度高于第一种方案的，但是两者之间的破坏程度都是在可接受范围之内，从经济方面考虑的话，第二种方案高于第一种方案（第二种方案采出率为41.7%），根據建筑物损坏等级和采出率方面考虑，较为优的选择方案为采50 m留70 m。

损坏地表变形值

等级建筑物损坏程度水平变形ε/（mm/m）曲率K/（10-3/m）倾斜i/（mm/m）损坏分类结构处理

Ⅰ 自然间砖墙上出现宽度1～2 mm的裂缝。≤2.0≤0.2≤3.0极轻微损坏不修

自然间砖墙上出现宽度小于4 mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于10 mm。轻微损坏简单维修

Ⅱ 自然间砖墙上出现宽度小于15 mm的裂缝，多条裂缝总宽度小于30 mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20 mm；砖柱上出现水平裂缝，缝长大于1/2截面边长；门窗略有歪斜。≤4.0≤0.4≤6.0轻度损坏小修

Ⅲ 自然间砖墙上出现宽度小于30 mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于50 mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50 mm；砖柱上出现小于5 mm的水平错动；门窗严重变形。≤6.0≤0.6≤10.0中度损坏中修

Ⅳ 自然间砖墙上出现宽度大于30 mm的裂缝；多条裂缝总宽度大于50 mm；梁端抽出小于60 mm；砖柱出现小于25 mm的水平错动。>6.0

>0.6>10.0严重损坏大修

自然间砖墙出现严重交叉裂缝、上下贯通裂缝，以及墙体严重外鼓、歪斜；钢筋混凝土梁、柱裂缝沿截面贯通；梁端抽出大于60mm；砖柱出现大于25mm的水平错动；有倒塌危险。极度严重损坏拆建

（2）2下煤层工作面向2煤层工作面接近，两煤层工作面的覆岩应力变化剧烈，其矿压显现也越剧烈。根据建立模型数据分析如图2所示采40 m，留70 m条带开采方法，图中所示数据：在2煤开采的影响下，2煤下的覆岩应力的最大垂直应力为19.50 MPa，采50 m留70 m的模拟结果所示在2煤开采的影响下覆岩应力变化如图3所示，2煤下的覆岩应力的最大垂直应力为17.65 MPa.所以根据两种方案最大垂直应力选择第二种方案较优。endprint

综上所述，综合多方面考虑因素，选择第二种方案较为优。

参考文献：

[1]

钱鸣高，缪协兴，许家林。岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]钱鸣高，石平五.岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，200.

[3]朱拴成，尹希文.寺河矿采场覆岩结构及运动规律数值模拟研究[ J ].煤炭工程，2009（1）：80～83.

[4]刘兆明，尉瑞，马震. 近距离煤层群底层开采覆岩结构及运动规律研究[J].中州煤炭，2010（11）：9～12.

[5]張向阳，涂敏，窦怡川.深部近距离煤层上行开采覆岩运动及应力分布试验研究[J].中国案例生产科学技术，2015，11（5）：18～25.

[6]丛利，石建军，刘洪涛.近距离煤层开采矿山压力规律数值模拟研究[J].中国煤炭，2010，36（2）：49～51.

[7]赵启峰，张农，韩昌良. 浅埋薄基岩含水层下煤层开采突水溃砂相似模拟实验研究[J]. 采矿与安全工程学报，2017，34（3）：444～451.

[8]李江涛，杨宏伟. 深部煤层开采采场覆岩变形相似模拟实验[J]. 煤矿安全，2013，44（7）：41～43.

[9]张志祥，张永波，赵志怀. 多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究[J]. 水文地质工程地质，2011，38（4）：130～134.