过沟开采速度对浅埋煤层覆岩移动变形的影响研究

孙学阳，李玲华，李 成 ，苗霖田

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054； 2.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054； 3.煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710054)

陕北侏罗纪煤田煤层厚、层数多、埋藏浅、煤质优良、开采条件相对简单，为世界七大煤田之一。自陕北侏罗纪煤田大规模开发以来，煤炭生产规模和产量逐年增加，在沟谷地貌特征条件下，采煤会造成覆岩中的地下水严重渗漏，加剧地表水土流失，对地表生态环境影响巨大。侯恩科等采用物理模拟和数值模拟相结合的方法，对浅埋煤层过沟开采时，裂隙演化规律以及地表裂缝发育特征进行了研究[1-3]。王皓等采用RFPA软件建立过沟模型，对煤层开采覆岩破断过程进行分析[4]；李涛等基于采煤工作面产流-汇流-渗流充水模式，提出过沟开采正常和最大涌水量计算公式[5]。李建华等揭示了重复开采时覆岩裂隙发育的作用机制[6]。孙学阳等采用相似材料模拟和数值模拟的方法，模拟含煤岩系产状和滑坡产状相同条件下和相反条件下煤层井工开采对黄土滑坡的影响[7，8]。目前，许多学者采用数值模拟以及现场实测的方法，针对厚煤层、急倾斜煤层工作面推进速度与工作面矿压显现规律进行研究，并指出随着煤层开采速度越快，超前支承压力峰值越高、煤壁的距离与峰值点越近，工作面的来压步距越长，工作面矿压显现更强[9-21]。陕北地区黄土沟壑发育，地表主要被风积沙、第四纪黄土层所覆盖，煤层过沟开采对地表生态环境影响剧烈，随着陕北煤层在人机协同模式下开采，实现了智能、高效的掘进生产作业，采煤速度越来越快。目前针对煤层过沟开采过程中，开采速度对覆岩及地表的影响规律研究较少。为此，本文采用数值模拟的手段，在过沟浅埋煤层条件下，以不同推进速度对煤层进行开采，研究其覆岩破坏特征规律，以期为过沟煤层安全高效开采提供参考依据。

1 地质概况

安山井田为典型的黄土梁峁地貌，地形复杂、沟壑纵横，地势中部高，东西部低。中部许家梁—砖场梁一线将安山井田西侧的沙梁川与东侧的清水川水系分开。井田内水系较发育，井田西部有沙梁川河流，东北部还发育清水川、小南川沟、东南部木瓜川等黄河支流。沙梁川下游孤山川年径流总量1.097×109m3。清水川下游年径流总量0.52×109m3。区内最低海拔为1075.9m、最高海拔为1364.5m。安山井田含煤地层为中侏罗统延安组第一至第四段[2]。

12503工作面回采穿越菜沟，在工作面以内，菜沟主沟道长约435m，宽15～100m，菜沟支沟长约220m，宽15～50m，煤层最小埋深约41m，最大埋深约106m，沟谷最大深度为106m，跨度为260m。井田内可采煤层共6层，2-2煤为主采煤层之一，以12503工作面2-2煤为研究对象，进行数值模拟。

2 数值模拟

2.1 模型建立

收集研究区等高线数据，利用Rhino3DNURBS技术给定的精度和控制点源数据可生成地表插值-逼近拟合完整的NURBS拟合地表曲面[21]。将拟合曲面导入FLAC3D，构建数值模拟实验模型，模型z轴方向58～153m，y轴方向220m，x轴方向650m，共计163020个单元格，174570个节点。

模拟地层总厚度约为153m，受地形影响，2-2煤层覆岩最大厚度为147.76m，覆岩最小厚度为41.76m，沟谷最大深度为106m，跨度为260m。

为了能够更切实际地模拟工作面覆岩移动变形情况，将煤层上方的网格进行加密，对模型底面的垂向位移与水平位移进行限制，模型上表面设置为自由边界。对模型的计算域施加构造应力场和自重应力场，本数值模拟采用Mohr-Coulomb模型计算，所需要的力学参数见表1。

表1 力学参数统计

2.2 开挖方案

对2-2煤进行开采，煤厚为2.1m，回采工作面走向长度为480m，倾向长度为120m，左右各留85m煤柱。为了监测地表变形移动，在工作面中心上方地表附近每隔40m布置一个监测点，共13个监测点，如图1所示。通过改变模型开挖步数反映推进速度的快慢，开挖步数越大代表推进速度越慢，反之表示推进速度越快，通过开挖步数的不同表示不同的推进速度进行研究，分析覆岩的破坏规律。目前陕北采煤实现了机械化、智能化开采，采煤速度大幅度提高，目前开采速度达到了6.4m/d，本文分别选取4m/d、6m/d、8m/d三种不同实际开挖速度对煤层进行开采。为了与实际相对应，开挖方案如下：

1)模型共开采48步，一步开采10m，对应实际开挖速度4m/d。

2)模型共开采32步，一步开采15m，对应实际开挖速度6m/d。

3)模型共开采24步，一步开采20m，对应实际开挖速度8m/d。

图1 测点布置位置

3 模拟结果

3.1 塑性区发育特征

工作面开采过程中，采空区覆岩受拉应力作用影响发生剪切破坏，产生竖直方向或横向的裂纹为裂隙带，裂隙带的最大值与塑性区发育高度的最大值是相一致的。以三种不同速度开挖结束后的塑性区如图2所示。

图2 塑性区分布

以4m/d速度开挖结束后，塑性区高度发育至42.1m，沟谷左侧坡体下方发生较大塑性区破坏，塑性区破坏高度大于右侧坡体；以6m/d速度开挖结束后，塑性区高度发育至32.1m，导水裂隙带形态以沟谷为中心对称分布；以8m/d速度开挖结束后，塑性区高度发育至30.2m，导水裂隙带形态以沟谷为中心对称分布，如图2所示。随着开采速度增加，塑性区破坏高度减小，导水裂隙带高度也随之减小。

3.2 垂向应力分布特征

开挖结束后在模型中心处切片，进行切片观察，当工作面分别以4m/d、6m/d、8m/d的速度开采至240m时，覆岩垂向拉应力峰值已分别为0.66MPa、0.62MPa、0.56MPa，如图3所示。可以看出，随着工作面推进速度的增加，覆岩垂向应力值不断减小。随着工作面向前推进，采空区上覆岩层压力在不断增大，开挖速度慢使工作面老顶载荷逐渐上升，存在一定安全隐患，增大工作面的推进速度有利于工作面围岩控制。

图3 垂向应力分布(MPa)

3.3 覆岩下沉特征

开挖结束后提取地表13个监测点分别在工作面推进至120m、240m和480m时地表的下沉值，并绘制下沉曲线，如图4所示。

图4 不同速度开挖时地表下沉曲线

当工作面推进至120m时，工作面尚未推进至沟谷，覆岩最大下沉值位于2号监测点处，位于沟谷左侧，沟谷以及沟谷右侧下沉较小。当以4m/d速度开采时，2号点处下沉值为0.372m，以6m/d速度开采时，2号点处小下沉值为0.31m，以8m/d速度开采时，2号点处下沉值为0.27m。

当工作面推进至240m时，工作面推进过沟谷，沟谷及沟谷右侧坡体下沉值开始增大，最大下沉值位于6号点处，也就是沟谷中心处，左侧坡体以及沟谷处下沉位移值增加，以4m/d速度开采时，6号点处下沉值为1.28m，以6m/d速度开采时，6号点处下沉值为1.07m，以8m/d速度开采时，6号点处下沉值为0.87m。

当工作面推进至480m时，煤层已开挖结束，其下沉曲线形态呈“碗”状，最大下沉值位于6号点处，沟谷处下沉值最大，沟谷两侧坡体下沉值小，这是由于沟谷处煤层覆岩高度小，破坏高度大。当以4m/d速度开采时，6号点处下沉值为1.71m，以6m/d速度开采时，6号点处下沉值为1.54m，以8m/d速度开采时，6号点处下沉值为1.3m。对比得出，当煤层以8m/d的速度进行开挖时，地表下沉值最小。由于开采速度加快，地表变形时间缩短，地表受应力扰动范围和扰动程度减小，因此加快开采速度，地表垂向位移值有所减小。

3.4 水平移动特征

过沟开采结束后，两侧坡体覆岩向沟谷推挤，位移值为正代表岩体向右水平移动，位移值为负代表岩体水平向左移动。不同开采速度下地表水平位移如图5示，随着工作面逐渐向前推进通过沟谷直至开采结束，可以看出随着开采速度加快，水平位移值越小。当工作面以4m/d的速度开采至480m时，沟谷处地表最大水平移动值为0.2m；当工作面以6m/d的速度开采至480m时，沟谷处地表最大水平移动值为0.18m；当工作面以8m/d的速度开采至480m时，沟谷处地表最大水平移动值为0.15m，两侧坡体水平移动值较大，沟谷两侧坡体大致以位于沟谷处的4号点为中心，向沟谷中心堆积。

图5 不同速度开采至480m水平位移

随着工作面推进速度增加，模拟煤层开挖结束后覆岩变形值见表2。开挖结束时，以4m/d的速度对煤层进行开挖时，导水裂隙带高度为42.1m，当以6m/d的速度对煤层进行开挖时，导水裂隙带高度为32.1m，当以8m/d的速度对煤层进行开挖时，导水裂隙带高度为30.2m。8m/d的速度相对于以4m/d的速度进行开挖时，其导水裂隙带高度减小了28%。当以4m/d的速度对煤层进行开挖时，地表下沉值为1.71m，当以6m/d的速度对煤层进行开挖时，地表下沉值为1.54m，当以8m/d的速度对煤层进行开挖时，地表下沉值为1.3m。8m/d的速度相对于以4m/d的速度进行开挖时，其地表下沉值减小了24%。当以4m/d的速度对煤层进行开挖时，地表水平移动值为0.2m，当以6m/d的速度对煤层进行开挖时，地表水平移动值为0.18m，当以8m/d的速度对煤层进行开挖时，地表水平移动值为0.15m。8m/d的速度相对于以4m/d的速度进行开挖时，其地表水平移动值减小了25%。

目前安山煤矿开采速度为6.4m/d，通过数值模拟结果显示，当煤矿分别以4m/d、6m/d和8m/d的速度进行开挖时，其中以8m/d的速度开挖完成后，所造成地表沉降量、覆岩水平移动量以及裂隙带高度均最小，因此煤矿可根据实际情况适当增加工作面推进速度，可以减轻采动过程中产生的地表损害。

表2 开挖结束后覆岩变形对比

4 结 论

1)分别以4m/d、6m/d和8m/d速度开挖结束后，导水裂隙带最终高度分别发育至42.1m、32.1m和30.2m。以8m/d的速度开挖相对于以4m/d的速度开挖导水裂隙带高度减小了28%。

2)在过沟开采条件下，开挖速度对覆岩移动的影响范围不同。开挖结束后，沟谷处地表下沉值最大，以8m/d的速度开挖相对于以4m/d的速度开挖地表水平移动值减少了24%；地表水平移动值在沟谷两侧坡体较大，两侧坡向沟谷中心堆积，以8m/d的速度开挖相对于以4m/d的速度开挖，地表水平移动值减少了25%。

3)过沟开采煤层推进速度对煤层开采过程中覆岩移动有一定的影响。数值模拟结果显示，煤层开采速度与开采后覆岩所产生的水平移动量、地表沉降量以及导水裂隙带高度呈反相关。因此为了减少覆岩移动变形的影响，在煤矿生产过程中，可根据实际情况，适当增加煤层推进速度。