王 冰 郭廣禮 朱曉峻 王 炯

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

多煤層開采條帶錯動程度對巖層控制的影響

王 冰1,2,3郭廣禮1,2,3朱曉峻1,2,3王 炯1,2,3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

針對我國多煤層條帶開采的實際情況，提出了煤層錯動系數(shù)的概念。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，系統(tǒng)地研究了多煤層條帶開采時，上下煤層錯動系數(shù)的大小對上下條帶保護(hù)煤柱應(yīng)力、中間巖體應(yīng)力以及地表移動變形的影響規(guī)律，分別給出了相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，并指出了在實際多煤層條帶開采時，極限煤層錯動系數(shù)的求取方法。研究成果對于指導(dǎo)多煤層條帶開采工作面設(shè)計具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。

FLAC3D數(shù)值模擬 多煤層條帶開采 煤層錯動系數(shù)

條帶開采技術(shù)是解決“三下”采煤問題的重要開采技術(shù)之一，因其能有效地控制巖層及地表的下沉與變形，且生產(chǎn)管理簡單，被我國煤礦區(qū)廣泛利用[1]。針對條帶開采，近年來國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果[2-6]，但大多數(shù)僅僅是針對單煤層條帶開采的研究，對于多煤層條帶開采研究不多。鄧喀中教授[7-8]采用彈塑性有限單元模擬法得到了上下煤柱空間位置與巖層及地表移動間的關(guān)系，并進(jìn)一步提出了煤柱穩(wěn)定性的評價方法；張俊英[9-10]采用相似材料模型實驗與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究方法，揭示了多煤層條帶過程中的開采覆巖破壞和地表移動變形規(guī)律；胡炳南[11]從地質(zhì)采礦因素對開采沉陷的影響程度出發(fā),提出了煤層群條帶開采中選擇開采煤層的最小采動影響原則、條帶布置的層間距和層間條帶煤柱的對齊原則以及條帶參數(shù)計算的“小變形”準(zhǔn)則等新內(nèi)容。

在研究上下煤層空間位置對巖層以及地表移動變形的影響機理時，大部分文獻(xiàn)只是將上下條帶工作面的位置關(guān)系簡單地分為“對齊”、“半對齊”以及“完全錯開”3種情況或是簡單地分為錯開10、20 m等具體數(shù)值。這種對上下條帶工作面空間位置的分類過于簡單，往往達(dá)不到研究的目的，或者會因引入條帶開采的采寬面干擾對工作面空間位置影響的研究?；谝陨先秉c，本研究考慮利用煤層錯動系數(shù)來說明多煤層條帶開采時上下條帶工作面的位置關(guān)系對巖層及地表下沉、變形的影響機理，煤層錯動系數(shù)的定義為上下煤層錯動距離與上煤層條帶采寬的比值。從定義中可以看出，煤層錯動系數(shù)很好地將條帶采寬這一因素排除在外，實現(xiàn)了研究影響因素的單一性。

FLAC3D是一種以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ)、以各巖層以及表土層的物理力學(xué)參數(shù)和地層的構(gòu)造特性為基本計算依據(jù)的數(shù)值模擬方法，它可以靈活有效地表現(xiàn)出各種不同煤層開挖情況下引起的地表或巖體內(nèi)部的移動變形情況。因此，為了得到煤層錯動系數(shù)與巖層及地表下沉變形的關(guān)系，本研究結(jié)合某礦地質(zhì)采礦條件背景，采用FLAC3D有限差分軟件建立了不同方案的數(shù)值模型，討論了煤層錯動系數(shù)變化時，地表移動下沉、煤層間巖體的應(yīng)力以及上下條帶開采煤柱的應(yīng)力變化規(guī)律。

1 上下煤層條帶開采模擬方案

1.1 模型的建立以及邊界條件

某礦區(qū)可采煤層從上到下分別有5、8這2個煤層,平均厚度分別為3、4 m，層間距為32 m，底板厚30 m，礦區(qū)整體煤層平均傾角僅為3°，可按水平煤層考慮。設(shè)計上下煤層開采寬度為60 m，留寬90 m，采出率為40%，上下均開采3個條帶工作面。模擬巖層總厚度為501 m，走向長度為1 000 m，傾向?qū)挾葹?00 m。模型共392 000個單元，482 679個節(jié)點。為方便研究，x方向和y方向均為每10 m 1個單元格，幾何模型如圖1所示。整體模型均采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)模型[12]，根據(jù)現(xiàn)場實際條件，選取的模擬參數(shù)見表1。

圖1 開采煤層幾何模型Fig.1 Geometric model of coal seam mining

在模型左右邊界，固定x方向位移為零；在模型前后邊界，固定y方向位移為零；在模型下邊界，固定x、y方向位移均為零；模型上邊界為自由變形邊界。在分析計算過程中,不考慮構(gòu)造應(yīng)力對原巖應(yīng)力的影響,僅考慮巖體自重引起的應(yīng)力。巖體內(nèi)部初始應(yīng)力狀態(tài)取決于上覆巖層的重力和性質(zhì)。

表1 模擬礦區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters in simulated mining area

1.2 數(shù)值模擬方案

為研究煤層錯動系數(shù)這一單因素對巖層及地表下沉的影響，本研究在固定上下煤層采留寬為60和90 m即采出率均為40%、采深432 m、層間距32 m的基礎(chǔ)上，每次模擬時，上煤層條帶開采位置保持不變，下煤層條帶開采工作面距離上煤層條帶工作面錯開距離依次為10、20、30、40、50、60 m(此時為完全錯開)，即算上工作面對齊共7個模擬方案。根據(jù)定義可算出各方案煤層錯動系數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬方案Table 2 The numerical simulation program

注：其他影響因素為采留寬60 m和90 m、采深432 m、層間距32 m。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 煤層錯動系數(shù)對上下條帶煤柱的影響

由條帶開采的理論可知，中間留設(shè)的煤柱受力最大，因此本次研究以中間的條帶煤柱為例進(jìn)行分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明：上、下煤層留設(shè)的條帶煤柱所受應(yīng)力兩端較大，向中間逐漸減小并趨于穩(wěn)定，呈馬鞍狀分布。中間條帶煤柱的最大壓應(yīng)力值與錯動系數(shù)呈二次函數(shù)關(guān)系(如圖2)，隨著煤層錯動系數(shù)的增加，兩煤層中間條帶煤柱壓應(yīng)力均增加，最后趨于某一穩(wěn)定值。當(dāng)壓應(yīng)力穩(wěn)定時，相對于煤柱對齊時，所受壓應(yīng)力增加較大。因此錯動系數(shù)的增大會進(jìn)一步減弱上下煤柱的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。

圖2 上下煤層壓應(yīng)力值與錯動系數(shù)關(guān)系Fig.2 The relationship of coal dislocation coefficient with pressure stress value of upper and lower coal seam

根據(jù)模擬結(jié)果，可建立上下煤柱壓應(yīng)力σ上,σ下與煤層錯動系數(shù)s的回歸關(guān)系式為

σ上=-21.476s2+40.116s+17.907,

(1)

σ下=-6.878s2+17.886s+16.434.

(2)

2.2 煤層錯動系數(shù)對中間巖體的影響

數(shù)值模擬結(jié)果表明，中間巖體的最大拉應(yīng)力值與最大壓應(yīng)力值均與錯動系數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(如圖3)，隨著煤層錯動系數(shù)的增加，拉應(yīng)力與壓應(yīng)力均增加，且拉應(yīng)力增加較大，使中間巖體穩(wěn)定性下降。這是因為隨著下煤層開采工作面的錯動，使位于上煤層煤柱下面的中間巖體位于下煤層的煤柱之上，而是慢慢位于下煤層開采工作面之上，中間巖體下部得不到支撐，致使上煤層煤柱對中間巖體的壓力以及下煤層開采工作面對中間巖體的拉力都隨著煤層錯動系數(shù)的增大而增大。

根據(jù)模擬結(jié)果，可建立中間巖體拉應(yīng)力σ拉和壓應(yīng)力σ壓與煤層錯動系數(shù)s的回歸關(guān)系式為

(3)

(4)

2.3 煤層錯動系數(shù)對地表下沉的影響

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，各方案地表下沉等值線均呈近似圓形分布，最大下沉值隨錯動系數(shù)的增大近似呈線性函數(shù)增大趨勢(如圖4)。由2.1節(jié)和2.2節(jié)可知，隨著錯動系數(shù)的增大，上下煤柱以及中間巖體的壓應(yīng)力逐漸增大，使得煤柱與中間巖體的壓縮量增大，因此地表下沉值也隨之增大。

圖3 中間巖體拉應(yīng)力和壓應(yīng)力值與錯動系數(shù)關(guān)系Fig.3 The relationship of coal dislocation coefficient with the tensile stress and compressive stress of intermediate rock

圖4 地表下沉值與錯動系數(shù)關(guān)系Fig.4 The relationship of coal dislocation coefficient with surface subsidence value

由圖4可以看出，上下條帶采空區(qū)完全對齊時，地表下沉值為174.13 mm，當(dāng)完全錯開即錯動系數(shù)為1時，地表最大下沉值為309.45 mm，最大下沉值幾乎增大了1倍，說明多煤層條帶開采上下工作面是否對齊對地表下沉有著極大的影響。因此，在布設(shè)條帶開采工作面時，應(yīng)盡量使上下工作面在豎直方向上保持一致。根據(jù)模擬結(jié)果，可建立地表最大下沉值W與煤層錯動系數(shù)的回歸關(guān)系式為

W=137.35s+175.81.

(5)

2.4 煤層錯動系數(shù)對地表水平移動的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出地表水平移動最大值隨著錯動系數(shù)也近似呈線性增大趨勢(如圖5)，因此在實際布設(shè)條帶開采工作面時，使上下工作面在豎直方向上保持一致，不僅能夠有效地控制地表下沉，而且可以很好地控制水平移動，這對于“三下”采煤尤其是建筑物下采煤有非常大的實際意義。

圖5 地表水平移動值與錯動系數(shù)關(guān)系Fig.5 The relationship of coal dislocation coefficient with the surface horizontal movement value

根據(jù)模擬結(jié)果，可建立地表最大水平移動值U與煤層錯動系數(shù)s的回歸關(guān)系式為

U=17.387s+29.292.

(6)

2.5 極限煤層錯動系數(shù)的求取

多煤層條帶開采過程中，在條帶采留寬一定的情況下，開采時必須保證上下煤層煤柱以及中間巖體不破壞。由上面的分析可以看出，煤層錯動系數(shù)越大，中間巖體以及煤柱越不穩(wěn)定，因此在實際布設(shè)工作面時要求出極限煤層錯動系數(shù)大小。

考慮下煤層煤柱的穩(wěn)定性時[8]，由于上下煤柱不對齊，導(dǎo)致承受的覆巖重力不一樣，因此要考慮煤層間受力的差異。左右煤柱受力分別為

(7)

(8)

式中，q為上層煤柱的載荷集度，t/m；l為上下煤層錯動距離，m；a2、b2分別為下煤層留寬和采寬，m；γ為覆巖平均容重，N/m3；h為上下煤層距離，m；[σ]為煤層單軸抗壓強度，MPa。

考慮中間巖體的穩(wěn)定性時，由梁理論可知:當(dāng)

巖層間最大應(yīng)力為

(9)

當(dāng)

巖層間最大應(yīng)力為

(10)

式中，

由于巖體的抗拉強度小于抗壓和抗剪強度，所以層間巖體的破壞主要為拉破壞，因此必須滿足式(11)才能保證中間巖體的穩(wěn)定性：

(11)

式中，[σ′]為層間巖體的平均抗拉強度。

在考慮上煤層煤柱的穩(wěn)定性時，由于下煤層煤柱以及中間巖體的穩(wěn)定性已得到保證，因此這時上煤層的煤柱穩(wěn)定性可按單一煤層條帶煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行考慮[13]，即煤柱在單向或者三向受力狀態(tài)下的實際載荷強度要小于極限載荷強度。因在前期工作面采留寬設(shè)計的時候已經(jīng)考慮該因素，所以這時上煤層煤柱的穩(wěn)定性不受煤層錯動系數(shù)的影響。

將式(7)～式(11)聯(lián)立，可求得在保證下煤層煤柱以及中間巖體均穩(wěn)定的前提下的最大煤層錯動距離 ，進(jìn)而根據(jù)定義可以求得極限煤層錯動系數(shù)。

通過上面分析，得出了多煤層條帶開采條件下，地表移動變形、中間巖體的應(yīng)力以及上下煤層的應(yīng)力均不同程度地隨煤層錯動系數(shù)增大而增大。因此在實際進(jìn)行多煤層條帶開采時，應(yīng)盡量保持上下條帶工作面的一致性。

3 結(jié) 論

(1)中間巖體的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均與煤層錯動系數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著錯動系數(shù)的增加，中間巖體拉應(yīng)力及壓應(yīng)力均增大，但拉應(yīng)力增加較大，壓應(yīng)力增加較小。

(2)上、下條帶煤柱的壓應(yīng)力兩端大、中間小，呈馬鞍狀分布，且與煤層錯動系數(shù)均呈二次函數(shù)關(guān)系，隨著煤層錯動系數(shù)的增加，兩煤層壓應(yīng)力先增加，且增加量較大，最后趨于某一穩(wěn)定值不再變化。

(3)地表下沉值與煤層錯動系數(shù)呈線性函數(shù)關(guān)系，隨著錯動系數(shù)的增大，地表下沉值增大，且變化量較大，當(dāng)煤柱完全錯開時，地表下沉值相對于煤柱對齊時增大了近1倍。

(4)地表水平移動值隨著煤層錯動系數(shù)也近似呈線性函數(shù)關(guān)系，隨著錯動系數(shù)的增大，地表水平移動值增大。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Influence of Strip Dislocation Degree on the Strata Control in Multi-coal Seam Mining

Wang Bing1,2,3Guo Guangli1,2,3Zhu Xiaojun1,2,3Wang Jiong1,2,3

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China;2.KeyLaboratoryforLandEnvironmentandDisasterMonitoringofSBSM，Xuzhou221008，China;3.TheMainLaboratoryofResourceEnvironmentInformationofJiangsu，Xuzhou221008，China)

In view of the actual situation of multi-coal seam strip mining in China，the concept of coal dislocation coefficient is put forward.Based on the FLAC3Dnumerical simulation software，the influencing laws of different coal dislocation coefficients on the stress of upper and lower bands protection coal pillar，the stress of intermediate rock and surface movement deformation in multi-coal seam strip mining were studied systematically.The reason for the influencing law is analyzed，and the function relations were given.The calculating method of ultimate coal dislocation coefficient in multi-coal seam strip mining was pointed out.The research results have important theoretical and practical significance for the coal face design of multi-coal seam strip mining.

FLAC3D，Numerical simulation，Multi-coal seam strip mining，Coal dislocation coefficient

2015-09-14

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號:2012BAB13B03),國家自然科學(xué)基金青年基金項目(編號：41104011),江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(編號:SZBF2011-6-B35),江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室基金項目(編號:JS201309)。

王 冰(1990—)，男，碩士研究生。通訊作者 郭廣禮(1965—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD325

A

1001-1250(2015)-11-153-05