煤层开采对上覆岩层破坏规律研究

成军

摘 要：本文通过相关规程、规范中煤柱计算和利用三维有限差分计算软件—FLAC3D对导水裂缝带高度进行数值模拟以及实际施工的导高钻孔测量成果，综合讨论不同计算方法中松散含水层下煤层开采对上覆岩层破坏规律，对巨厚松散含水层覆盖下煤炭资源回收和煤矿的安全生产都具有重大的现实意义。

关键词：煤矿；防治水；导水裂缝带；多煤层开采

中图分类号：TD327 文献标志码：A

唐山矿岳胥隐伏露头区5煤頂板以上为坚硬砂岩，中间存在若干煤线，5煤层厚度约2.9m，倾角32°～35°；5煤与9煤间距约30m，岩性以砂岩为主，中间存在若干煤线或炭质泥岩夹层，9煤层厚度8.5m～9.3 m，平均厚度8.9m，倾角32°～35°。根据工程衔接安排首先开采5煤层，然后对9煤层进行分层开采，先开采上部3m部分，形成9煤层顶板岩层移动，并对上部5煤层形成的三带有一次重复采动影响；再开采下部6m厚煤时，再一次对9煤层顶板以及5煤层顶板岩层移动带造成重复采动破坏。

1 规范公式法

目前根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中垮落带和导水裂缝带计算公式：

（1）开采5煤时垮落带和导水裂缝带发育情况，当5煤层开采厚度为3m时，中硬（单向抗压强度20MPa～40MPa）覆岩“两带”高度和防水安全煤（岩）柱计算如下：

煤柱留设高度：Hsh=44.6+9=53.6（m）

（2）开采9煤时垮落带和导水裂缝带发育情况，当9煤层累计开采厚度为9m时，中硬（单向抗压强度20MPa～40MPa）覆岩“两带”高度和防水安全煤（岩）柱计算如下：

2 数值模拟计算

通过FLAC3D建模参照岳胥区地层及岩性结构建立数值模拟计算网格剖分图可知，工作面采用走向长壁布置，煤层及岩层倾角为33°，煤层沿着倾向方向，基岩厚度逐渐变大，模型长500m，宽100m，高300m，整个模型共划分为127050个单元，141592个节点。模型边界条件以边界水平位移为零，底部边界水平、垂直位移均为零，模型顶部以自由边界为准。模型中各含煤岩层的力学参数以现场提供资料，取样的煤、岩块体物理力学实验结果。煤层顶板破坏后自上而下分别为未破坏区域、剪切破坏区域、拉伸裂缝区域和拉伸破坏4个区域，将拉伸破坏区作为垮落带，拉伸裂缝区作为裂缝带。数值模拟计算将根据拉伸破坏区和拉伸裂缝区发育高度的上限值来分别确定垮落带和导水裂缝带的高度。

通过工作面上覆岩层塑性破坏区云图模拟结果可以看出5煤层工作面顶底板及煤壁前方和工作面后方均产生明显的破坏区域，煤层顶板以上依次发育拉伸破坏和剪切破坏，破坏范围大致呈现反“厂”型。破坏区域随着开采面积增大而逐渐扩大，垮落带和导水裂缝带高度也不断增加，最后趋于稳定，达到充分采动。在临近煤层顶板区域主要是拉应力区域，当拉应力区有微裂缝时，在裂缝的端部产生应力集中，由于岩石抗拉强度很低，该区域岩石极易垮落，形成垮落带。通过围岩应力模拟，煤层顶板围岩存在3个完整的“抛物线”状应力区域，自下往上应力由拉变压，由小变大，渐渐恢复至原岩应力状态。靠近顶板第一个 “抛物线”状应力区域与塑性破坏区相对应，该区域先后经历了剪破坏和拉破坏，形成垮落带。第二个“抛物线”状应力区域垂向覆岩的作用力减小，对应为裂缝带。

9煤层开采对上覆岩层破坏与5煤层规律相似，但9煤工作面开采时上下端头集中应力增大。5煤层与9煤层间距约30m，5煤开采对其底板岩层产生一定破坏，下部9煤开采时顶板容易垮落，导致9煤垮落带范围变大。

3 导高孔测试结果

为实测煤层开采对上覆岩层的破坏程度，为以后矿井防隔水煤柱留设提供科学依据，唐山矿分别在Y252和Y292工作面回采结束后施工导高孔对该区域的的垮落带和导水裂缝带进行实测。各种计算方法得出的垮落带和导水裂缝带高度结果见表1。

结论

通过对比发现规范公式法和数值模拟法在计算单一煤层垮落带和导水裂缝带的结果相似，但数值模拟法计算结果偏大，分析可能与岩层工程力学参数选取或取值保守有关。但规范公式法和数值模拟法在计算多煤层中下部煤层和综放开采时垮落带和导水裂缝带的结果差距很大，规范公式法没有考虑上部煤层开采对下部煤层对上覆岩层的影响以及开采方式的影响，因此不适用于综放开采等情况。5煤层随着开采范围增大塑性破坏区范围相应变大，最后趋于稳定，达到充分采动；而9煤层垮落带与裂缝带的变化幅度进行比较，发现垮落带的变化幅度大于裂缝带变化幅度；由于5煤采动过程中底板发生破坏，而5煤底板正位于9煤破坏区范围内，故受采动影响容易发生垮落，煤层顶板破坏区容易达到稳定。

参考文献

[1]刘伟.岩体移动的相似模拟研究[J].河南理工大学学报（自然科学版，2009（2）：89.

[2]张静，吴侃，敖剑锋.采场上覆岩层动态移动规律研究[J].煤矿开采，2012，17（2）：34-40.