双煤层工作面开采布置方式对采煤沉陷的影响

孙学阳 李玲华 李成 苗霖田

摘 要：為了研究工作面的布置方式对采煤沉陷的影响，以安山煤矿为例，采用相似材料模拟实验、数值模拟等研究手段，在3-1号煤中布置面间煤柱宽度分别为20 m和40 m的2个工作面，在3-1号煤的下方3号煤中布置一个工作面，且使该工作面中心与上层煤留设的煤柱中心重合，构建了双煤层工作面的2种布置方式。研究结果表明，留设不同宽度的煤柱，采用数值模拟和相似材料模拟得到的覆岩破坏变形特征基本一致。煤层重复采动工作面布置方式使工作面上覆岩层下沉形态呈现“W”型。工作面留设的煤柱越宽，煤柱上方覆岩下沉范围显著减小，对于覆岩的支撑效果越好，越能抵抗覆岩的移动变形，采煤沉陷越不明显。通过对结果的分析，在布置工作面时，适当的增加煤柱宽度，可以有效减缓采煤沉陷，为科学预防采煤沉陷灾害的发生提供了参考。关键词：双煤层;相似材料模拟;数值模拟;覆岩破坏;采煤沉陷

中图分类号：TD 323            文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2022）01-0099-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0114开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The influence of mining layout of double coal

seam faces on coal mining subsidence

SUN Xueyang1，2，3，LI Linghua1，2，3，LI Cheng1，3，MIAO Lintian4

（1.College of Geology and Environment，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China;

2.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，Xi’an 710054，China;

3.Key Laboratory of Mine Geological Hazards Mechanism and Control，Xi’an 710054，China;

4.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization，Xi’an 710021，China）

Abstract：

Anshan Coal Mine in northern Shaanxi is taken as the research object to explore

the influence of working face layout on coal mining subsidence.

Similar material simulation experiments and numerical simulation and other research methods

are carried out to arrange two working faces with the width of coal pillars

20 m and 40 m respectively.One working face is arranged in the No.3 coal below the No.3-1  coal，and the center of the working face coincides with the center of the coal pillar set in the upper coal to form a two layout methods of double coal seam working face.The research results show that the failure and deformation characteristics of the overburden rock obtained by numerical simulation and similar material simulation are basically the same after leaving coal pillars of different widths.The layout of the repeated mining face of the coal seam causes the overlying strata of the face to present the  shape of “W”.The wider the coal pillars left in the working face，the lower the subsidence range of the overlying rock above the coal pillars，the better the supporting effect of the overlying rock，the more resistant to the movement and deformation of the overlying rock，and the less obvious coal mining subsidence.

An analysis of the results shows that a proper increase in

the width of the coal pillars can effectively slow down the coal mining subsidence，a reference for scientific prevention of the occurrence of coal mining subsidence disasters.Key words：double coal seams;simulation of similar materials;numerical simulation;overburden failure;coal mining subsidence

0 引 言

采煤沉陷灾害严重威胁矿区的安全与协调发展，因此科学预防采煤沉陷的灾害，对煤矿安全开采以及有效保护矿区生态环境具有重要意义[1-4]。国内外相关专家采用物理模拟、数值模拟及理论分析等方法，研究了煤层开采覆岩移动破坏过程，“三带”发育规律及破碎岩体裂隙分形特征，对有效缓解采煤沉陷灾害的发生奠定了理论基础[5-14]。中国多数的矿井赋存有2层及以上的可采煤层，多煤层与单煤层采煤沉陷特征显著不同。实践证明，多煤层开采对覆岩造成多次复合破坏和扰动[15-19]。潘瑞凯等采用物理相似模拟与PFC 2D软件研究了浅埋近距离双厚煤层覆岩裂隙发育规律[20];黄远对双煤层开采条件下，覆岩裂缝发育规律进行了深入研究[21];李阔运用相似材料模拟和数值模拟手段，研究了双煤层在不同采宽、不同间距条件下开采时覆岩的地表沉陷规律[22];姜福兴等提出双煤层开采，采高增加会使采空区上方顶板“活化”，导致原铰接平衡岩失稳[23];李树清等再现了重复开采条件下，覆岩裂隙发育发展的过程[24];李树刚等提出煤层重复开采时覆岩裂隙发育呈椭抛带动态形态，并建立了裂隙变化模型[25];张志祥等研究发现在双层煤采动过程中，当下层煤工作面推进距离不断增加，岩体裂隙分形维数经历了从小到大再到小并稳定的变化过程[26];侯恩科等采用PFC 2D软件研究了浅埋双煤层开采地表裂缝发育规律，认为在双煤层开采中采高是影响覆岩破坏程度和地面裂缝发育程度的重要因素之一[27]。相关学者对双煤层采动的研究大多集中在煤层采动后覆岩裂隙发育规律和覆岩移动特征方面，双煤层工作面开采布置方式对采煤沉陷的影响仍需做进一步的研究。基于此，笔者以安山煤矿4103工作面双煤层开采为工程背景，分别建立了双煤层开采物理相似材料模型和FLAC3D数值模型，分析双煤层在不同工作面布置条件下开采对采煤沉陷的影响，以期为科学预防采煤沉陷灾害的发生提供参考。

1 相似材料模拟实验安山煤矿大地构造位于华北地台鄂尔多斯盆地东缘河东断褶带西侧。井田内地形切割强烈，大部分缓坡、山梁被新近系红土和第四系黄土所覆盖，沟谷、陡坡为基岩出露区，可采煤层为3-1号煤，厚度3.85～6.90 m，平均5.0 m，是近水平煤层;其次为3号煤，厚度0.87～4.32 m，平均2.5 m

是近水平煤层。3-1号煤为上层煤，3号煤为下层煤。

1.1 确定实验参数以安山煤矿4103工作面3号煤和3-1号煤为研究对象，进行相似材料模拟实验。通过在3-1号煤中布置2个工作面，两工作面中分别留设20 m和40 m的煤柱，在3号煤中布置一个工作面，该工作面中心与上层煤留设的煤柱中心重合，构建了双煤层工作面的2种布置方式，

研究双煤层工作面开采布置方式对采煤沉陷的影响。

实验所用台架为一种钢架结构，规格为2 m×2 m×0.2 m，模拟地层所用材料包括：河沙、石膏、大白粉和白云母片等，结合煤系赋存地区，地层结构的一般特点，对不同硬度的岩层进行模拟。实验建立的模型厚度和岩石力学参数见表1。

1.2 实验过程模型几何相似比1∶250。本次实验分别建立模型一和模型二，两模型均在3-1号煤上布置第1和第2工作面，在3号煤中布置第3工作面，先采上层3-1号煤，再采下层3号煤，在3号煤与3-1号煤正中间布置第一排测点，在3-1号煤以上25 m处布置第二排测点，在地表布置第三排测点。各排测点间距为25 m。其中模型一留设煤柱宽度为20 m，模型二留设煤柱宽度为40 m（图1）。

煤层在开挖过程中，上覆岩层发生垮落，且随着开挖距离的增大，垮落范围也在不断扩大。不同工作面发生初次垮落的時间不同，当模型一3-1号煤第1，2个工作面分别推进至62.5和75 m时，顶板发生初次垮落，3号煤工作面顶板初次垮落发生在工作面推进至75 m时（图2（a））。模型二3-1号煤在2个工作面均推进至75 m时，工作面顶板发生初次垮落，3号煤工作面顶板初次垮落发生在其工作面推进至87.5 m时（图2（b））。模型一3号煤在工作面推进至150 m时，裂隙带高度为61.25 m，垮落高度为26.25 m（图2（c））。模型二3号煤工作面推进至145 m时，裂隙带高度为53.25 m，垮落高度为24.5 m（图2（d））。

1.3 实验结果

1.3.1 覆岩破坏特征对比由于工作面间叠置关系和留设煤柱宽度不同，3-1号煤对3号煤所产生的影响程度不同，模型一3号煤对比模型二3号煤首次发生离层以及初次垮落的时间均有所提前，垮落高度也较大。模型开采过程中岩层破坏对比见表2。

1.3.2 覆岩下沉规律根据实验所得数据，绘制不同模型开采后的地表下沉曲线如图3所示。

分析地表位移变化曲线可以得出，模型一中地表下沉位移值在4号、6号监测点处较大，对应工作面中心处，5号点位于煤柱上方，此处下沉值最小，并分别以4号、6号监测点为中心，下沉值向两侧逐渐减小。模型二分别在13号、18号处，地表下沉值最大，由于留设煤柱的影响，位于煤柱上方的16号测点下沉值最小，且分别以13号、18号监测点为中心，下沉值向两侧逐渐减小（图3）。模型一与模型二地表下沉曲线形态都呈“W”型，但对比发现其形态又有所差异，模型一留设煤柱宽度较小，其地表下沉曲线显示覆岩中心未下沉的区域较窄，而模型二留设煤柱宽度相较于模型一较大，其地表下沉曲线所显示覆岩中心处未下沉的区域较宽。由此可知，在煤层开采过程中留设煤柱宽度大小对地表下沉量有一定影响，具体表现为在开采方式、程度等均相同的条件下，工作面留设煤柱宽度越大，其抵抗覆岩变形能力越强，可以承受的覆岩压力范围越大，地表下沉值越小。

2 双层煤开采数值模拟煤层在开采过程中，由于围岩失去了原有的力学平衡，在自重作用下，逐渐出现弯曲、张裂与冒落等现象。采用FLAC3D软件，模拟不同工作面煤层开采过程中围岩的应力应变特征，与物理相似材料模拟实验结果进行对比论证，分析其开采过程中扰动破坏机理。

2.1 模型建立根据安山煤矿4103工作面的实际地质情况，建立有限元三维数值模型，模型上覆岩层物理力学参数、工作面布置情况与其相似材料模拟一致。

2.2 数值模拟结果

2.2.1 塑性区发育高度从图4（a）中可以看出，两模型在开采3-1号煤过程中，采空区上方顶板均首先出现剪切破坏，塑性区整体破坏程度不大，模型二相比于模型一其沿x方向所产生的剪切破坏范围变大，而沿z方向的剪切破坏范围有所减小。随着3号煤工作面开始推进，两模型采空区两端边缘处开始出现拉张破坏，且采空区上方的剪切破坏与拉张破坏均显著发育。由于留设煤柱宽度增大，模型二相较于模型一其覆岩下沉量变小且各应力破坏范围减小。将煤层开采结束后的最大主应力图与塑性区形态图进行对比得出，模型一裂隙带高度为65.5 m，垮落带高度为29.7 m;模型二裂隙带高度为55.25 m，垮落带高度为28.6 m。

2.2.2 覆岩下沉规律在煤层开采过程中两模型顶板上覆岩层下沉量均在不断增大，但模型二相比于模型一下沉影响范围较小;当煤层开挖至靠近留设煤柱时，两模型覆岩下沉值大小几乎相同，随着工作面继续向前推进，由于留设煤柱宽度的不同，模型覆岩下沉曲线开始出现明显的不同，采空区上方岩层下沉值都有不同程度的增大，在左右两侧煤柱以及中间留设煤柱附近，覆岩下沉值增量相对较小，可得出覆岩宽度对覆岩稳定性起重要影响。

2.2.3 主应力分布特征煤层开采过程中，采空区覆岩主应力以拉应力为主，形态呈现出中间高而两侧低的特征（图5红色区域）。随着煤层采动继续进行，覆岩垮落、卸荷所产生的应力影响逐渐增大，上覆岩层的拉张应力逐渐向煤柱处集中，模型一3-1号煤开采完成时，拉张应力峰值出现在煤柱中心上方，大小为5.25 MPa，模型二应力峰值也出现于留设煤柱上覆岩层，应力峰值达5.16 MPa。对比两模型3-1号煤开采完成时的应力分布现象可知，留设20 m煤柱开采的模型一，相较于留设煤柱40 m开采的模型二应力集中现象更明显，在图中表现为煤柱上方应力集中区内，呈红色的范围更大（图5）。

3号煤开采完成后，3-1号煤采空区之上的应力集中现象基本消失，最大主应力集中于3号煤上方，此时模型一与模型二的应力峰值区均出现在3号煤采空区中心上方覆岩中（图6红色区域），模型一应力峰值跃升至9.88 MPa，模型二的应力峰值跃升至9.00 MPa。此时对比两模型的应力分布现象可得，模型一相较于模型二，应力作用现象更明显，则模型一中3号煤采空区上方的应力作用相对于模型二较强，最大主应力集中范围更大，图中红色区域更大，即留设20 m煤柱的开采方式下，煤层覆岩的应力集中现象更明显。

3 对比分析由数值模拟各岩层应力变化情况可知，留煤柱开采会影响工作面覆岩拉应力的分布，3-1号煤开采完成时，由于煤层中心留设煤柱的支撑作用，工作面覆岩拉应力分布呈现“W”型（图5），对应相似材料实验中煤层顶板覆岩下沉曲线形态呈现“W”型（图3）。模型一、模型二中的3号煤、3-1号煤全部开采完成后，两者应力集中现象皆基本趋于稳定，对应相似材料模拟实验开采完成时煤层覆岩的垮落现象，即采空区内部空间已经被基本压实。其中，模型一应力作用相比于模型二较大，在数值模拟中表现为采空区上方应力集中区内红色区域范围的扩大。相似材料模拟试验结果显示，在留设20 m煤柱时，覆岩裂隙带发育高度为61.25 m，垮落带高度为26.25 m;留设40 m煤柱时，裂隙带高度为53.25 m，垮落带高度为24.5 m。数值模拟结果显示，在留设煤柱为20 m时，裂隙带高度为65.5 m，煤层覆岩垮落带高度为29.7 m;留设40 m煤柱时，裂隙带高度为55.25 m，垮落带高度为28.6 m。通过两种方法得到的垮落带高度与裂隙带高度结果基本一致。双煤层在留煤柱开采时，煤柱留设宽度越小，两煤层的叠置区域越大，压力差越大，煤层开采后覆岩的破坏范围越大，覆岩下沉值就越大。因此，在布置工作面時，适当增大留设煤柱的宽度，可以减缓覆岩移动破坏范围和破坏程度。

4 结 论

1）在双煤层开采过程中，随着留设煤柱宽度的增大，煤层顶板上覆岩层下沉量减小，且下沉曲线形态呈现出“W”型，垮落带高度与裂隙带高度也随之减小。

2）数值模拟过程表明，在煤层开采过程中，工作面上覆岩出现应力变化，主要以拉张应力为主，使得工作面上覆岩出现移动变形，随着留设煤柱宽度的增加，煤柱上方的应力持续减小，采空区正上方应力值，随着煤柱宽度的增加而减小。

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