多煤层开采条带错动程度对岩层控制的影响

王 冰 郭广礼 朱晓峻 王 炯

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221008；3.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221008)

多煤层开采条带错动程度对岩层控制的影响

王 冰1,2,3郭广礼1,2,3朱晓峻1,2,3王 炯1,2,3

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏 徐州 221008；3.江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221008)

针对我国多煤层条带开采的实际情况，提出了煤层错动系数的概念。利用FLAC3D数值模拟软件，系统地研究了多煤层条带开采时，上下煤层错动系数的大小对上下条带保护煤柱应力、中间岩体应力以及地表移动变形的影响规律，分别给出了相应的函数关系式，并指出了在实际多煤层条带开采时，极限煤层错动系数的求取方法。研究成果对于指导多煤层条带开采工作面设计具有十分重要的理论和现实意义。

FLAC3D数值模拟 多煤层条带开采 煤层错动系数

条带开采技术是解决“三下”采煤问题的重要开采技术之一，因其能有效地控制岩层及地表的下沉与变形，且生产管理简单，被我国煤矿区广泛利用[1]。针对条带开采，近年来国内外进行了大量的研究并取得了一些成果[2-6]，但大多数仅仅是针对单煤层条带开采的研究，对于多煤层条带开采研究不多。邓喀中教授[7-8]采用弹塑性有限单元模拟法得到了上下煤柱空间位置与岩层及地表移动间的关系，并进一步提出了煤柱稳定性的评价方法；张俊英[9-10]采用相似材料模型实验与有限元数值模拟相结合的综合研究方法，揭示了多煤层条带过程中的开采覆岩破坏和地表移动变形规律；胡炳南[11]从地质采矿因素对开采沉陷的影响程度出发,提出了煤层群条带开采中选择开采煤层的最小采动影响原则、条带布置的层间距和层间条带煤柱的对齐原则以及条带参数计算的“小变形”准则等新内容。

在研究上下煤层空间位置对岩层以及地表移动变形的影响机理时，大部分文献只是将上下条带工作面的位置关系简单地分为“对齐”、“半对齐”以及“完全错开”3种情况或是简单地分为错开10、20 m等具体数值。这种对上下条带工作面空间位置的分类过于简单，往往达不到研究的目的，或者会因引入条带开采的采宽面干扰对工作面空间位置影响的研究。基于以上缺点，本研究考虑利用煤层错动系数来说明多煤层条带开采时上下条带工作面的位置关系对岩层及地表下沉、变形的影响机理，煤层错动系数的定义为上下煤层错动距离与上煤层条带采宽的比值。从定义中可以看出，煤层错动系数很好地将条带采宽这一因素排除在外，实现了研究影响因素的单一性。

FLAC3D是一种以岩石力学理论为基础、以各岩层以及表土层的物理力学参数和地层的构造特性为基本计算依据的数值模拟方法，它可以灵活有效地表现出各种不同煤层开挖情况下引起的地表或岩体内部的移动变形情况。因此，为了得到煤层错动系数与岩层及地表下沉变形的关系，本研究结合某矿地质采矿条件背景，采用FLAC3D有限差分软件建立了不同方案的数值模型，讨论了煤层错动系数变化时，地表移动下沉、煤层间岩体的应力以及上下条带开采煤柱的应力变化规律。

1 上下煤层条带开采模拟方案

1.1 模型的建立以及边界条件

某矿区可采煤层从上到下分别有5、8这2个煤层,平均厚度分别为3、4 m，层间距为32 m，底板厚30 m，矿区整体煤层平均倾角仅为3°，可按水平煤层考虑。设计上下煤层开采宽度为60 m，留宽90 m，采出率为40%，上下均开采3个条带工作面。模拟岩层总厚度为501 m，走向长度为1 000 m，倾向宽度为800 m。模型共392 000个单元，482 679个节点。为方便研究，x方向和y方向均为每10 m 1个单元格，几何模型如图1所示。整体模型均采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)模型[12]，根据现场实际条件，选取的模拟参数见表1。

图1 开采煤层几何模型Fig.1 Geometric model of coal seam mining

在模型左右边界，固定x方向位移为零；在模型前后边界，固定y方向位移为零；在模型下边界，固定x、y方向位移均为零；模型上边界为自由变形边界。在分析计算过程中,不考虑构造应力对原岩应力的影响,仅考虑岩体自重引起的应力。岩体内部初始应力状态取决于上覆岩层的重力和性质。

表1 模拟矿区岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters in simulated mining area

1.2 数值模拟方案

为研究煤层错动系数这一单因素对岩层及地表下沉的影响，本研究在固定上下煤层采留宽为60和90 m即采出率均为40%、采深432 m、层间距32 m的基础上，每次模拟时，上煤层条带开采位置保持不变，下煤层条带开采工作面距离上煤层条带工作面错开距离依次为10、20、30、40、50、60 m(此时为完全错开)，即算上工作面对齐共7个模拟方案。根据定义可算出各方案煤层错动系数如表2所示。

表2 数值模拟方案Table 2 The numerical simulation program

注：其他影响因素为采留宽60 m和90 m、采深432 m、层间距32 m。

2 数值模拟结果分析

2.1 煤层错动系数对上下条带煤柱的影响

由条带开采的理论可知，中间留设的煤柱受力最大，因此本次研究以中间的条带煤柱为例进行分析。数值模拟结果表明：上、下煤层留设的条带煤柱所受应力两端较大，向中间逐渐减小并趋于稳定，呈马鞍状分布。中间条带煤柱的最大压应力值与错动系数呈二次函数关系(如图2)，随着煤层错动系数的增加，两煤层中间条带煤柱压应力均增加，最后趋于某一稳定值。当压应力稳定时，相对于煤柱对齐时，所受压应力增加较大。因此错动系数的增大会进一步减弱上下煤柱的稳定性，严重影响煤矿的安全生产。

图2 上下煤层压应力值与错动系数关系Fig.2 The relationship of coal dislocation coefficient with pressure stress value of upper and lower coal seam

根据模拟结果，可建立上下煤柱压应力σ上,σ下与煤层错动系数s的回归关系式为

σ上=-21.476s2+40.116s+17.907,

(1)

σ下=-6.878s2+17.886s+16.434.

(2)

2.2 煤层错动系数对中间岩体的影响

数值模拟结果表明，中间岩体的最大拉应力值与最大压应力值均与错动系数呈指数函数关系(如图3)，随着煤层错动系数的增加，拉应力与压应力均增加，且拉应力增加较大，使中间岩体稳定性下降。这是因为随着下煤层开采工作面的错动，使位于上煤层煤柱下面的中间岩体位于下煤层的煤柱之上，而是慢慢位于下煤层开采工作面之上，中间岩体下部得不到支撑，致使上煤层煤柱对中间岩体的压力以及下煤层开采工作面对中间岩体的拉力都随着煤层错动系数的增大而增大。

根据模拟结果，可建立中间岩体拉应力σ拉和压应力σ压与煤层错动系数s的回归关系式为

(3)

(4)

2.3 煤层错动系数对地表下沉的影响

从数值模拟结果可以看出，各方案地表下沉等值线均呈近似圆形分布，最大下沉值随错动系数的增大近似呈线性函数增大趋势(如图4)。由2.1节和2.2节可知，随着错动系数的增大，上下煤柱以及中间岩体的压应力逐渐增大，使得煤柱与中间岩体的压缩量增大，因此地表下沉值也随之增大。

图3 中间岩体拉应力和压应力值与错动系数关系Fig.3 The relationship of coal dislocation coefficient with the tensile stress and compressive stress of intermediate rock

图4 地表下沉值与错动系数关系Fig.4 The relationship of coal dislocation coefficient with surface subsidence value

由图4可以看出，上下条带采空区完全对齐时，地表下沉值为174.13 mm，当完全错开即错动系数为1时，地表最大下沉值为309.45 mm，最大下沉值几乎增大了1倍，说明多煤层条带开采上下工作面是否对齐对地表下沉有着极大的影响。因此，在布设条带开采工作面时，应尽量使上下工作面在竖直方向上保持一致。根据模拟结果，可建立地表最大下沉值W与煤层错动系数的回归关系式为

W=137.35s+175.81.

(5)

2.4 煤层错动系数对地表水平移动的影响

根据数值模拟结果，得出地表水平移动最大值随着错动系数也近似呈线性增大趋势(如图5)，因此在实际布设条带开采工作面时，使上下工作面在竖直方向上保持一致，不仅能够有效地控制地表下沉，而且可以很好地控制水平移动，这对于“三下”采煤尤其是建筑物下采煤有非常大的实际意义。

图5 地表水平移动值与错动系数关系Fig.5 The relationship of coal dislocation coefficient with the surface horizontal movement value

根据模拟结果，可建立地表最大水平移动值U与煤层错动系数s的回归关系式为

U=17.387s+29.292.

(6)

2.5 极限煤层错动系数的求取

多煤层条带开采过程中，在条带采留宽一定的情况下，开采时必须保证上下煤层煤柱以及中间岩体不破坏。由上面的分析可以看出，煤层错动系数越大，中间岩体以及煤柱越不稳定，因此在实际布设工作面时要求出极限煤层错动系数大小。

考虑下煤层煤柱的稳定性时[8]，由于上下煤柱不对齐，导致承受的覆岩重力不一样，因此要考虑煤层间受力的差异。左右煤柱受力分别为

(7)

(8)

式中，q为上层煤柱的载荷集度，t/m；l为上下煤层错动距离，m；a2、b2分别为下煤层留宽和采宽，m；γ为覆岩平均容重，N/m3；h为上下煤层距离，m；[σ]为煤层单轴抗压强度，MPa。

考虑中间岩体的稳定性时，由梁理论可知:当

岩层间最大应力为

(9)

当

岩层间最大应力为

(10)

式中，

由于岩体的抗拉强度小于抗压和抗剪强度，所以层间岩体的破坏主要为拉破坏，因此必须满足式(11)才能保证中间岩体的稳定性：

(11)

式中，[σ′]为层间岩体的平均抗拉强度。

在考虑上煤层煤柱的稳定性时，由于下煤层煤柱以及中间岩体的稳定性已得到保证，因此这时上煤层的煤柱稳定性可按单一煤层条带煤柱的稳定性进行考虑[13]，即煤柱在单向或者三向受力状态下的实际载荷强度要小于极限载荷强度。因在前期工作面采留宽设计的时候已经考虑该因素，所以这时上煤层煤柱的稳定性不受煤层错动系数的影响。

将式(7)～式(11)联立，可求得在保证下煤层煤柱以及中间岩体均稳定的前提下的最大煤层错动距离 ，进而根据定义可以求得极限煤层错动系数。

通过上面分析，得出了多煤层条带开采条件下，地表移动变形、中间岩体的应力以及上下煤层的应力均不同程度地随煤层错动系数增大而增大。因此在实际进行多煤层条带开采时，应尽量保持上下条带工作面的一致性。

3 结 论

(1)中间岩体的拉应力和压应力均与煤层错动系数呈指数函数关系，随着错动系数的增加，中间岩体拉应力及压应力均增大，但拉应力增加较大，压应力增加较小。

(2)上、下条带煤柱的压应力两端大、中间小，呈马鞍状分布，且与煤层错动系数均呈二次函数关系，随着煤层错动系数的增加，两煤层压应力先增加，且增加量较大，最后趋于某一稳定值不再变化。

(3)地表下沉值与煤层错动系数呈线性函数关系，随着错动系数的增大，地表下沉值增大，且变化量较大，当煤柱完全错开时，地表下沉值相对于煤柱对齐时增大了近1倍。

(4)地表水平移动值随着煤层错动系数也近似呈线性函数关系，随着错动系数的增大，地表水平移动值增大。

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(责任编辑 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”国家科技支撑计划项目(编号:2012BAB13B03),国家自然科学基金青年基金项目(编号：41104011),江苏省高校优势学科建设工程项目(编号:SZBF2011-6-B35),江苏省资源环境信息工程重点实验室基金项目(编号:JS201309)。

王 冰(1990—)，男，硕士研究生。通讯作者 郭广礼(1965—)，男，教授，博士研究生导师。

TD325

A

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