煤系地层覆盖下铝土矿开采岩体地压活动规律研究

袁国栋，黄 丹，吴 鹏，陈 何，郑志杰

(1.山西华兴铝业有限公司，山西 吕梁 033000；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

山西某铝土矿赋存于上古生代晚石炭系中统本溪组，层位稳定，与底部奥陶系侵蚀面不整合接触，矿体厚度变化较大[1-2]。本区铝土矿覆盖层由本溪组砂岩、黏土岩、砂质黏土岩，太原组、山西组下石盒子组砂岩、泥岩、黏土岩、煤层、上第三系、第四系松散层组成[3]。

矿体厚度0.80～8.46 m，平均2.84 m，变异系数48.71%，平均倾角12°～15°，其中约70%在煤系地层覆盖下，铝土矿顶板与上覆13#煤层间距为28.24～51.82 m，平均间距41.84 m，图1为煤下铝赋存层位示意图。

图1 煤系地层覆盖下铝土矿赋存情况

矿山采用房柱法开采，应用崩落协同充填技术及时处理采空区。矿块内划分条带，条带从矿块一侧向另一侧连续推进，条带回采结束及时崩落顶板协同充填，实现采空区隐患治理的同时，控制上覆岩层移动变化[4]。该采矿方案应用黄土胶结充填技术对采空区采高进行一定比例的回填，然后切顶崩落顶板，同时顶板控制爆破控制岩体松动范围和沉降速度，使上覆岩层接近均匀沉降。本文研究分析该采矿方法在煤下铝资源开采中对上覆岩层的影响，特别是13#煤层的地压活动规律。

1 建立分析模型

1.1 模型建立

采用条带式房柱法开采，铝土矿开采高度越大，煤层与铝土矿层间距越小时，铝土矿开采对上覆岩层影响越大，即煤铝间距与铝层采高的比值越小，铝土矿开采对上覆煤层影响越大，反之影响越小。设煤铝间距/铝层采高为A，通过统计分析该铝土矿煤下铝资源50个勘探钻孔，可知A平均为13.8，最小4.7，最大21.8。因此，按照A<10、10≤A≤15、A>15三种情况考虑，每种情况取煤层厚度、煤铝间距、铝层采高等关键参数的平均值作为本次计算模型的主要几何参数，见表1。模型剖面层位关系及采场倾向布置见图2。

表1 三种情况的计算模型关键参数表

图2 模型层位关系及采场倾向布置情况

采场开挖区域尺寸41 m×51 m(倾向×走向水平长度)。模型由上向下各分层分别为煤层顶板-13号煤层直接底板-铝土矿层间接顶板—铝土矿直接顶板—铝土矿—铝土矿直接底板—间接底板。模型网格划分、煤层与铝土矿采场对应关系见图3，铝土矿采场布置情况水平投影及回采顺序见图4。

1.2 力学参数与边界条件

简化地表为水平，顶面施加上覆岩层自重应力边界，上覆岩层自重应力按1.5 MPa考虑，根据我国地层浅部最大主应力一般为水平构造应力的普遍情况，初始水平应力按垂直应力的1.2倍考虑[5]。模型由于仅受自重应力作用，表面不约束其位移，可自由变形。岩体力学参数见表2。

2 数值分析

2.1 计算步骤

模型力学参数及边界条件赋值后，进行初始平衡计算，模型达到稳定状态[6](如图5所示)，即可按照“采场1-1开挖，顶板岩体崩落”→“采场1-2…”→“采场1-3…”→“采场2-1…”→“采场4-3…”的总体模拟计算顺序进行开挖作业，根据采矿方法及工艺，每步开挖后均计算平衡，岩体崩落后计算平衡。

图3 数值模型及煤层与铝土矿采场对应关系示意图

图4 采场布置情况水平投影及回采顺序示意图

表2 岩体力学参数表

图5 初始平衡计算最大不平衡力历程曲线

2.2 煤下铝采动规律数值模拟

本文根据矿体层位赋存条件建立了三个数值模型，以模型一的计算结果(图6)为例进行示例分析。如图5所示，当煤层厚度11.8 m，煤铝间距38 m，铝层采高5.5 m时，采用崩落顶板处理的情况下，开采区域上覆岩层最大竖向位移约15.8 cm，煤层整体竖向位移7.5～10.0 cm，煤层垂直应力1.5～3.0 MPa，水平应力3.0～4.5 MPa，该断面煤层未出现剪切破坏塑性区；而不处理空区的情况下，空区顶板最大竖向位移约33.9 cm，煤层整体竖向位移10.0～15.0 cm，煤层垂直应力0～1.5 MPa，水平应力3.0～4.5 MPa，该断面煤层出现剪切破坏塑性区。相比对空区不做任何处理的情况，采矿方法研究采取崩落顶板的处理措施，有利于控制上覆岩层沉降，有利于控制上覆煤层应力释放。

图6-1 模型一计算结果(走向Y=150剖面)

图6-2 模型一计算结果(走向Y=150剖面)

煤层底板熟悉位移随采场推进变化情况见图7。从图7可以看出，下部铝土矿采场开挖，会导致上部煤层底板产生沉降，随着开挖采场的推进，煤层底板竖向位移也逐渐沿采场推进方向扩展和增大。从煤层底板竖向位移等值线来看，相当于煤层底板形成沉降漏斗或盆地。

图7-1 煤层底板竖向位移等值线图(竖向位移mm，模型尺寸m)

图7-2 煤层底板竖向位移等值线图(竖向位移mm，模型尺寸m)

图7-3 煤层底板竖向位移等值线图(竖向位移mm，模型尺寸m)

从图8可以看出，对该节点竖向位移影响最大的是节点正下方1-1采场开挖，其次是下一阶段相邻采场2-1开挖，然后是2-2采场和1-2采场，其他采场开挖影响较小。从该点竖向位移的发展趋势可以看出，随着采场向远端推进，该点竖向位移增加量逐渐减小，有趋于稳定的趋势，这意味着煤层底板因下部铝土矿开采形成沉降漏斗中心(最大沉降值)也应有趋于稳定的趋势。

图8 采场1-1对应煤层底板最大下沉量随开采推进变化情况

2.3 铝土矿开挖对煤层的影响

将煤层按地表建构筑保护等级Ⅰ级考虑，则允许的最大水平变形值为±2 mm/m，最大倾斜为±3 mm/m[7]。将三种情况不同开挖阶段煤层底板最大水平变形、倾斜数据进行统计计算，见图9～11。

图9 煤层底板最大水平变形和最大倾斜随采场推进变化情况(模型一)

图10 煤层底板最大水平变形和最大倾斜随采场推进变化情况(模型二)

图11 煤层底板最大水平变形和最大倾斜随采场推进变化情况(模型三)

综上所述，本次研究建立的模型范围内，开挖4个阶段共12个采场的情况下，煤层底板最大水平变形和最大倾斜均未超过规范要求的允许值。煤层底板最大水平变形和最大倾斜随着采场推进有一定的增大趋势。

3 结论

1)下部铝土矿的开采会对上部煤层产生影响，主要表现在：(1)导致上部煤层垂直应力释放，水平应力略有增加；(2)导致上部煤层产生向下的竖向位移和沉降。

2)煤下铝回采过程中，同步崩落顶板处理采空区，对上覆岩层沉降、上覆煤层应力释放具有显著的控制作用。对铝土矿采矿厚度和煤铝之间岩层厚度的采厚比3种情况(煤铝间距/铝层采高分别为6.9、11.9、17.4)进行计算，均未出现铝土矿的开采造成煤层拉剪破坏的情况。参考规范对地表建构筑的保护要求，统计分析煤层底板的最大水平变形和倾斜，未超过规范对于地表保护等级Ⅰ级的水平变形和倾斜的允许值。

3)矿体缓倾斜分布，研究了煤层底板水平变形、倾斜随采场沿倾向推进之间的线性关系，沿倾向总的开采阶段数不宜超过11个。