陳 光

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

在煤礦開采過程中，為提高煤炭資源的回收率，當(dāng)?shù)V區(qū)地表存在較發(fā)達(dá)的公路系統(tǒng)時(shí)，工作面將不可避免地布置在高速公路下側(cè)。為保證煤礦的安全高效生產(chǎn)以及高速公路的正常運(yùn)行，工作面長度對上覆巖層的影響顯得尤為重要。因此，本文以某礦1302工作面為研究對象，對此種情況下不同工作面長度對上覆巖層移動(dòng)變形的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為公路下開采工作面的布置提供了參考。

1 工作面概況

1302工作面位于長治南高速路口附近，其中工作面上部一側(cè)靠近長晉高速公路，并有長臨公路橫穿部分工作面。1302工作面煤層底板等高線在560～570 m，地面標(biāo)高在911～915.9 m，平均埋深357 m。3#煤層上覆巖層總厚度為347.8 m，其中表土層約為184 m，基巖層約163.8 m，表土層占整個(gè)上覆巖層的比例為52.9％，其上覆巖層屬于厚松散層地層。3#煤層位于山西組下部，上距K8砂巖底36 m左右，下距K7細(xì)砂巖8 m左右，距太原組K6燧石灰?guī)r17 m左右，距9#煤層68 m左右。煤層厚6.30～8.40 m，平均7.18 m，該煤層為厚煤層，普遍含0～2層炭質(zhì)泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，厚度大，屬全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、各粒級砂巖，底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的確定及力學(xué)參數(shù)選取

以1302工作面為研究對象，建立了基于FLAC3D程序的三維計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值分析，數(shù)值模型見圖1。為直觀、系統(tǒng)地反映綜放條件下上覆巖層的受力與變形情況，數(shù)值模型對1302工作面的地質(zhì)采礦條件進(jìn)行了適當(dāng)簡化，將由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成的基巖簡化為一種巖性，數(shù)值模型的力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模型示意圖

2.2 數(shù)值模擬方案

為了研究工作面長度對上覆巖層移動(dòng)變形的影響，采用FLAC3D對工作面長度分別為150 m、200 m和250 m，走向長度540 m，煤層采厚7.0 m，采深357 m，松散層厚度180 m的工作面，進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

表1 數(shù)值模型的力學(xué)參數(shù)表

2.2.1不同工作面長度下上覆巖層應(yīng)力分析

工作面長度分別為150 m、200 m、250 m時(shí)煤層開采后傾向主剖面上的最大主應(yīng)力云圖見圖2。

a) 工作面長度為150 m

b) 工作面長度為200 m

c) 工作面長度為250 m

從圖2中可以看出，隨著寬深比的變化，開采對巖層的擾動(dòng)程度和方式呈現(xiàn)出不同的特征：采動(dòng)程度比較小時(shí)，采空區(qū)頂板出現(xiàn)較小的斷裂垮落，上覆巖層垮落后，大塊巖石在應(yīng)力作用下，出現(xiàn)巖塊之間的相互咬合、擠壓，并最終形成以砌體梁為主要承載體的平衡拱結(jié)構(gòu)。該砌體拱結(jié)構(gòu)將上部應(yīng)力和荷載傳遞給采空區(qū)煤柱，并在其內(nèi)部形成應(yīng)力集中區(qū)，而砌體梁拱結(jié)構(gòu)下部的巖體在其保護(hù)下不受上部荷載的作用，形成應(yīng)力降低區(qū)。對于砌體拱結(jié)構(gòu)上部的巖體在應(yīng)力重新作用下逐漸恢復(fù)原始應(yīng)力，上覆巖層和表土層在砌體拱結(jié)構(gòu)和上覆關(guān)鍵巖層的共同保護(hù)作用下，將出現(xiàn)較小的變形和移動(dòng)。隨著工作面長度的增加，開采影響程度變大，砌體拱承受的作用力也變大，為重新達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，上覆巖層垮落高度和垮落范圍將發(fā)展擴(kuò)大，最終造成了地表下沉量的增加。

2.2.2不同工作面長度下上覆巖層移動(dòng)分析

工作面長度分別為150 m、200 m、250 m時(shí)煤層傾向主剖面上的豎直移動(dòng)云圖見圖3。

a) 工作面長度為150 m

b) 工作面長度為200 m

c) 工作面長度為250 m

從圖3可以看出，不同開采長度對上覆巖層的移動(dòng)影響不同。一般來說，巖體垮落后在應(yīng)力作用下都具有向新平衡發(fā)展的趨勢，以保證上覆巖層的重新穩(wěn)定。在工作面長度較小時(shí)，開采引起的開采空間也較小，上覆巖層垮落形成新平衡較容易，此時(shí)巖層的垮落對上覆表土層影響較小。當(dāng)開采長度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，開采空間達(dá)到一定極限，上覆巖層要形成新的平衡較困難，新平衡的建立必須以大量上部巖層的垮落充填采空區(qū)為代價(jià)。這樣就造成巖層垮落高度向地表方向擴(kuò)展，并最終造成嚴(yán)重的地表開采沉陷，因此在設(shè)計(jì)工作面長度時(shí)，很有必要考慮長度對上覆表土層移動(dòng)變形造成的影響。

2.2.3不同工作面長度下地表移動(dòng)分析

工作面長度分別為150 m、200 m、250 m時(shí)煤層開采后地表下沉云圖見圖4。

a) 工作面長度為150 m

b) 工作面長度為200 m

c) 工作面長度為250 m

工作面不同采寬條件下地表沉陷情況見表2。

表2 不同工作面長度條件下煤層開采地表沉陷情況表

在這3種情況下，采寬與采深之比(即采動(dòng)程度)分別為0.42、0.56、0.70。從圖4可以看出，在其它地質(zhì)采礦條件一定的情況下，工作面開采長度較小時(shí)，地表下沉不明顯，地表影響范圍也較小。隨工作面長度的增加地表下沉影響范圍不斷擴(kuò)大，下沉量也隨之增加，這說明工作面開采長度(也即采動(dòng)程度)對地表沉陷的影響較大。由模擬結(jié)果可得地表最大下沉值由2 122 mm增加到5 187 mm，它隨著采動(dòng)程度的變化而顯著變化。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

通過對不同工作面長度條件下上覆巖層及地表變形情況的數(shù)值模擬分析得出：

1) 從巖層內(nèi)部應(yīng)力云圖可以看到，煤層開挖前，煤層和上覆巖層都處于穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力平衡。隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)長度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，上覆巖層平衡結(jié)構(gòu)被破壞，而新平衡的建立必須經(jīng)過上覆巖層的不斷斷裂、垮落、擠壓、應(yīng)力重分布等復(fù)雜的過程而最終形成。當(dāng)寬深比增大時(shí)，采空區(qū)上覆巖層垮落空間明顯擴(kuò)大，垮落高度向地表方向發(fā)展，平衡結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)變化過程。老平衡結(jié)構(gòu)不斷被破壞，新平衡結(jié)構(gòu)不斷向更大巖層范圍發(fā)展，直到巖層最終平衡為止。這樣就造成了上覆巖層的不斷垮落，引起地表大范圍的沉陷。

2) 應(yīng)力平衡拱可有效控制上覆巖層的移動(dòng)和變形，平衡拱高度與采動(dòng)程度密切相關(guān)，采動(dòng)程度越大，應(yīng)力平衡拱越高。該拱結(jié)構(gòu)一般分布在基巖中，當(dāng)上覆巖層為薄基巖、厚表土層，應(yīng)力平衡拱高度超過基巖，不能形成平衡拱結(jié)構(gòu)，在這種情況下將造成嚴(yán)重的地表下沉。

3) 不同工作面長度條件下，隨著工作面長度的增加，地表最大下沉量和下沉影響范圍也隨之增大。工作面長度為150 m時(shí)，其最大下沉量為2 000 mm。工作面長度達(dá)到200 m時(shí)，其最大下沉量為4 000 mm，工作面長度為250 m時(shí)，最大下沉量為5 000 mm。最大影響范圍為200～270 m。

3 結(jié) 論

針對不同工作面長度對上覆巖層移動(dòng)變形影響的數(shù)值模擬得到，隨著工作面長度的增加，當(dāng)上覆巖層平衡拱達(dá)到極限平衡狀態(tài)后，上覆巖層出現(xiàn)垮落，并最終影響到地表，為公路下開采工作面的布置提供了參考，但由于地質(zhì)條件的不同及研究手段的局限性，此結(jié)論僅能作為理論參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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