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1262020 年第 8 期 分层方式对煤层开采覆岩活动的影响研究 张缓缓 叶永芳 （江西省煤田地质局二二四地质队，江西 南昌 330002） 摘 要 以潘二矿 3 煤层为分析对象，运用 FLAC3D数值模拟软件，研究厚～巨厚煤层分层开采方式对覆岩活动规律的 影响。研究结果表明累积采厚相同，分层次数多，顶板失稳的概率大；累积采厚和层数相同，先厚后薄开采，顶底板岩 层位移量小，反之则大；在不考虑岩层应力的情况下，应优先选择先厚后薄且尽量少分层的开采方式。 关键词 厚～巨厚煤层 分层开采 FLAC3D 覆岩活动 开采方式 中图分类号 TD823.25;TD325 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.043 Study on the Influence of Stratification Mode on Coal-bedding Activities Zhang Huan-huan Ye Yong-fang 224 Geological Team of Jiangxi Coalfield Geological Bureau, Jiangxi Nanchang 330002 Abstract Taking the No.3 coal seam of Paner Coal Mine as the analysis object, the influence of slicing mining mode on overlying rock movement law is studied by using FLAC3D numerical simulation software. The research results show that the same cumulative mining thickness, more layers, the probability of roof instability; the same cumulative mining thickness and layer number, first thick and then thin mining, roof and floor slate layer displacement is small, otherwise it is large; in the case of no consideration of rock stress, the mining of first thick and then thin and as few as possible slicing should be preferred. Key words heavy thick coal seam layer mining FLAC3D overburden activities mining mode 收稿日期 2020-05-15 作者简介 张缓缓（1987-），女，安徽濉溪人，2016 年毕业于安 徽理工大学，地质资源与地质工程硕士，现任职于江西省煤田地质 局二二四地质队。 在厚～巨厚煤层条件下，煤层一次采全厚和分 层开采对覆岩活动的影响是否一致，若不一致，哪 种开采对覆岩活动产生的影响大，不同的分层方 式又会有什么不同。论文拟围绕上述问题，依据 FLAC3D数值模拟软件，以淮南潘二矿 11223 工作 面 3 煤开采为理论研究对象，以期建立较为完整的 厚煤层多分层开采覆岩活动规律，为该地区或类似 地区厚乃至巨厚煤层开采提供一定的理论指导。 1 研究工作面概况 11223 工作面位于潘二矿东一采区，工作面走 向长度 1400m，倾斜长 180m，回风巷标高为 -464 -496m，运输巷标高为 -521 -556m。区内可采煤层 3煤厚3.08.4m， 平均厚度为5.5m；1煤厚3.14.8m， 平均厚度为 3.53m。3 煤顶板由泥岩、砂岩及中细 砂岩组成，岩性变化大，厚度不稳定，属于不稳 定～中等稳定顶板；1 煤底板岩性也为砂泥岩层， 煤层赋存较稳定。地质构造为一单斜构造，煤层倾 向北。 2 数值模拟研究 2.1 数值模型建立原则 由于岩体及其结构的复杂性，在使所建模型尽 可能反映原始地质条件的情况下，对其作了一定的 假设和简化，以利于数学计算。本次模拟作了如下 假设 （1）由于松散层与上部岩层厚度大，在一定 范围内可用补偿荷载来代替；（2）岩土层在岩组 内为均匀连续介质；（3）采用自重应力场为原始 应力场。 2.2 数值模拟分析研究 根据实勘及井下资料，结合 11223 工作面工程 地质条件，选取 -550m 水平为背景，以 3 煤层为特 征煤层，嵌入地质模型，岩层厚度根据实勘钻孔数 据资料近似取整，各层模拟厚见表 1。依据岩石力 1272020 年第 8 期 学相近的原则将模型材料参数分为五大类，即泥岩、 灰岩、砂质泥岩、细粒砂岩和煤层，数据来源于安 徽理工大学承担的淮南矿区深部 A 组煤底板构造 及采动变形破坏规律探测研究项目。 表 1 模型参数 岩性 岩层厚度 （m） 体积模量 （GPa） 剪切模量 （GPa） 密度 （kg/m3） 内聚力 （MPa） 内摩擦角 （） 抗拉强度 （MPa） 底部岩层580.8460.50826001.14291.04 灰岩 31033.3311.1126007.1406 砂质泥岩 4101.451.1327002.8835.42.8 泥岩 7120.8460.50826001.14291.04 灰岩 2233.3311.1126007.1406 泥岩 650.8460.50826001.14291.04 灰岩 1133.3311.1126007.1406 泥岩 550.8460.50826001.14291.04 3 煤60.460.1814000.8270.1 泥岩 420.8460.50826001.14291.04 1 煤40.460.1814000.8270.1 砂质泥岩 341.451.1327002.8835.42.8 细粒砂岩 31016.215.925605.6637.56 泥岩 3100.8460.50826001.14291.04 砂质泥岩 241.451.1327002.8835.42.8 泥岩 2110.8460.50826001.14291.04 细粒砂岩 2116.215.925605.6637.56 砂质泥岩 131.451.1327002.8835.42.8 泥岩 140.8460.50826001.14291.04 细粒砂岩 11016.215.925605.6637.56 顶部岩层500.8460.50826001.14291.04 模型形状长 270 m，宽 125 m，高 222 m。模 型底部荷载 15.776MPa，平均密度 2562kg/m3。模 型边界条件设置底部全固定，四周水平方向限制， 顶部自由边界，并施加上覆岩土荷载。煤层沿走向 分三种方式进行开采模拟（1）一次采全高；（2） 分 2 层进行开采；（3）分 3 层开采。其模型见图 1。 图 1 计算模型 2.2.1 一次采全高模拟 分别模拟开采50135m和135220m两种情况， 即工作面分别推进 85m 和 170m。根据莫尔库仑理 论，采用迭代法并利用 FALC3D计算出 3 煤层开采 后顶板岩层的采动变形破坏特征，获得岩层屈服破 坏特征图、应力云图和位移图，见图 2。 推进 85m 推进 170m （a）应力云图 1282020 年第 8 期 推进 85m 推进 170m （b）位移云图 推进 85m 推进 170m （c）塑性破坏图 图 2 一次采全厚模拟覆岩变化图 结果分析 （1）应力重分布特征 随工作面推进，工作面两端煤壁出现应力集中 现象，最大垂直应力为 17.827MPa。这是由于开切 眼和工作面煤壁处支撑顶板，使得此处形成应力增 高区。而采空区顶、底板由于上覆岩层垮落，应力 减小， 且卸载范围逐渐增大， 垂直应力呈现 “两端大， 中间小”的盆状形态，如图 2（a）所示。 （2）岩层位移变化特征 随工作面推进，底板岩层卸荷回弹量逐渐增大， 影响深度也逐渐增加，顶板岩层下沉量同样在逐渐 增大，如图 2（b）所示。工作面推进 170m 时对应 的顶板最大下沉量为 26.506cm，对应的底板岩层最 大卸荷回弹量为 22.639cm。 （3）塑性破坏特征 随工作面推进，顶、底板破坏范围沿走向加大， 破坏深度增加的并不明显，如图 2（c）所示。当工 作面推进 170m 时，其顶板破坏深度为 16.0m，底 板破坏深度为 16.0m。 2.2.2 分 2 层开采模拟 此时，分三种不同的开采方案，具体如下 （1）第一种方案先开采上分层 2m，再开挖 下分层的 4m。 模拟方法同一次采全高， 对应的特征图见图3。 推进 85m 推进 170m （a）应力云图 推进 85m 推进 170m （b）位移云图 推进 85m 推进 170m （c）塑性破坏图 图 3 第一种方案（分 2 层）模拟覆岩变化图 结果分析 ① 应力重分布特征变化规律与一次采全厚类 似，如图 3（a）。最大垂直应力为 17.685MPa。 ② 岩层位移变化特征变化规律与一次采全 厚类似，如图 3（b）。此时，顶板最大下沉量为 26.042cm，底板岩层最大卸荷回弹量为 20.143cm。 ③ 塑性破坏特征变化规律与一次采全厚类似， 如图 3（c）。顶底板破坏深度分别为 16.0m、13.0m。 （2）第二种方案3m/ 层模拟。 模拟方法同一次采全高， 对应的特征图见图4。 推进 85m 推进 170m （a）应力云图 推进 85m 推进 170m （b）位移云图 （c）塑性破坏图 图 4 第二种方案（分 2 层）模拟覆岩变化 1292020 年第 8 期 结果分析 ① 应力重分布特征变化规律与一次采全厚类 似，如图 4（a）所示。最大应力值有所差异，此时， 最大应力为 17.924MPa。 ② 岩层位移变化特征变化规律与一次采全 厚类似，如图 4（b）所示。此时，顶板最大下沉 量为 25.915cm，对应的底板岩层最大卸荷回弹量为 20.034cm。 ③ 塑性破坏特征变化规律与一次采全厚类似， 如图 4（c）所示。顶板破坏深度为 16.0m，底板破 坏深度为 13.0m。 （3）第三种方案先开采上分层 4m，再开挖 下分层的 2m。 模拟方法同一次采全高， 对应的特征图见图5。 推进 85m 推进 170m （a）应力云图 推进 85m 推进 170m （b）位移云图 推进 85m 推进 170m （c）塑性破坏图 图 5 第三种方案（分 2 层）模拟覆岩变化 结果分析 ① 应力重分布特征变化规律与一次采全厚类 似，如图 5（a）所示。最大应力值有所差异，此时 对应的最大应力为 17.98MPa。 ② 岩层位移变化特征变化规律与一次采全 厚类似，如图 5（b）所示。此时的顶板最大下沉 量为 25.688cm，对应的底板岩层最大卸荷回弹量为 19.982cm。 ③ 塑性破坏特征变化规律与一次采全厚一样， 如图 5（c）所示。顶板破坏深度为 16.0m，底板破 坏深度为 13.0m。 2.2.3 分 3 层开采模拟 将 3 煤层平分为 3 层进行开采，每分层 2m。 模拟方法同一次采全高，对应的特征图见图 6。 推进 85m 推进 170m （a）应力云图 推进 85m 推进 170m （b）位移云图 推进 85m 推进 170m （c）塑性破坏图 图 6 分 3 层开采模拟覆岩变化图 结果分析 （1）应力重分布特征变化规律与一次采全 厚类似，如图 6（a）所示。最大应力值有所差异， 此时对应的最大应力为 17.833MPa。 （2）岩层位移变化特征变化规律与一次采 全厚类似，如图 6（b）所示。此时的顶板最大下沉 量为 27.251cm，对应的底板岩层最大卸荷回弹量为 19.401cm。 （3）塑性破坏特征变化规律与一次采全 厚类似，如图 6（c）所示。顶板破坏深度分别为 16.0m，底板破坏深度分别为 13.0m。 3 模拟结果对比分析 根据前文模拟结果，工作面推进完全时对应的 应力最大值、顶底板位移量、塑性破坏深度见表 2。 1302020 年第 8 期 577-588. ［2］ 刘盛东，吴荣新，张平松，等 . 三维并行电法勘 探技术与矿井水害探查 [J]. 煤炭学报，2009，34 （07）927-932. ［3］ 吴荣新，刘盛东，张平松 . 双巷并行三维电法探 测煤层工作面底板富水区 [J]. 煤炭学报，2010， 表 2 各模拟结果最大值统计 开采方案 一次采 全厚 分 2 层 分 3 层 第一种 方案 第二种 方案 第三种 方案 应力最大值 /MPa 17.82717.68517.92417.97717.833 顶板最大下沉量 /cm 26.50626.04225.91525.68827.251 底板最大回弹量 /cm 22.63920.14320.03419.98219.401 顶板塑性破坏深度 /m 16.00016.00016.00016.00016.000 底板塑性破坏深度 /m 16.00013.00013.00013.00013.000 从表 2 可以得出（1）分层开采时，整体上 煤壁两端应力集中的最大值比一次采全厚时均要 大。这是因为在上分层开采完后，采煤已造成了覆 岩的破坏，重复开采下，应力重新分布，使得应力 进一步增加。除分 3 层顶板下沉量大于一次采全厚 外，其他情况下的开采顶板岩层下沉量均小于一次 采全厚时的下沉量。（2）分 2 层开采与分 3 层开 采对比分析可知，在累积采厚相同的条件下，分 3 层开采时，应力最大值相对较小，但是顶板覆岩下 沉量较大， 此时， 不利于顶板的控制。 由此可以推断， 分层越多，在多次重复采动下，对地表的损伤较大， 容易引起地表沉陷。（3）分 2 层开采时，三种方 案相比，上分层越薄，对应的应力值越小，而顶底 板岩层位移随着上分层的厚度增加而减小。（4） 顶板塑性破坏大小基本一致，整体上来看，分层开 采的情况下，底板塑性破坏范围小。另外，从图及 数据还可以看出，当顶板垮落，采空区充填后，顶、 底板破坏深度是趋于稳定的。 4 结语 根据前文模拟结果及表格分析可以得出累积采 厚、分层采厚对岩层运动的影响规律 （1）针对于厚～巨厚煤层，可选择分层进行开 采， 以降低顶底板岩层的位移量及底板的塑性破坏。 （2）在相同累积采厚条件下，分层次数多， 每分层采厚相对就较薄，此时，上覆岩层的下沉量 增大，且多次重复采动增加了顶板失稳的概率。 （3）在相同累积采厚和分层层数相同的条件 下，先开采的煤层厚时，顶底板岩层位移量就小， 反之则大。结合上述模拟情况，在不考虑岩层应力 的情况下，应优先选择先厚后薄尽量少分层的开采 方式。 【参考书目】 ［1］ 张年学，盛祝平，李晓，等 . 岩石泊松比与内 摩擦角的关系研究 [J]. 岩石力学与工程学报， 2011，30（S1）2599-2609. ［2］ 管伟明 . 大井矿区巨厚煤层多分层开采覆岩活动 规律及控制 [D]. 中国矿业大学，2018. ［3］ 赵宝峰 . 上行开采条件下多煤层开采覆岩破坏规 律研究 [J]. 矿业安全与环保，2016，43（06） 13-15. ［4］ 胡成林 . 浅埋近距离煤层重复采动覆岩裂隙演化 规律 [D]. 中国矿业大学，2014. ［5］ 李全生，张忠温，南培珠 . 多煤层开采相互采动 的 影 响 规 律 [J]. 煤 炭 学 报，2006，31（04） 425-428. （3）由于煤岩识别技术尚不成熟，唐口煤矿 采用采煤机记忆截割加远程监控模式进行生产。由 于唐口煤矿煤层条件复杂多变，记忆截割模式没有 得到充分应用。 【参考文献】 ［1］ 张建公 . 低照度视频技术在综采工作面监控系统的 应用 [J]. 煤炭科学技术，2013，41（08）92-94. ［2］ 徐亚军，王国法 . 基于滚筒采煤机薄煤层自动化 开采技术 [J]. 煤炭科学技术，2013，41（11） 6-9. 35（03）454-457. ［4］ 邱占林，陈万煌，鲍道亮，等 . 多种物探技术联 合探测矿井水害 [J]. 矿业安全与环保，2016，43 （04）60-63. ［5］ 苏水生 . 福建省煤田地质特征及深部找煤探讨 [C]//2011 年华东六省一市地学科技论坛 . 2011. （上接第 118 页） （上接第 125 页）