昝明惠，黃 鵬，宋高峰

（北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144）

近距離煤層是指開采井田時兩煤層之間的距離較近，因此在開采過程中會互相影響的煤層[1]。近距離煤層開采時多使用下行開采，先采標(biāo)高高的煤層，再采標(biāo)高低的煤層，由上往下逐層開采，稱為下行式開采[2]。若煤層群開采的煤層間距較大，上煤層的開采對下煤層影響不大，但當(dāng)煤層間距很小時，下煤層的開采受上煤層開采的影響較大，且下煤層的上部又有上煤層開采后垮落的矸石，會導(dǎo)致下煤層開采區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)及應(yīng)力環(huán)境等產(chǎn)生變化，從而使得下煤層開采會發(fā)生很多新的礦壓現(xiàn)象[3-5]。近年來，關(guān)于近距離煤層群重復(fù)采動下的巷道布置、覆巖移動等有了較豐富的研究成果。任海峰等[6]運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算了下行開采下煤層巷道頂板的彎矩、剪力等力學(xué)性能，得出了采用拱形支護(hù)體系時，巷道圍巖應(yīng)力狀況將會得到明顯改善；常利軍[7]通過高水充填沿空留巷技術(shù)，獲得了下行開采條件下高水充填沿空留巷頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平糠謩e為86 mm 和112 mm；祝凌甫[8]運(yùn)用UDEC 軟件計算了下部煤層回采時采場覆巖的運(yùn)移規(guī)律；樊永山等[9]采用相似材料模擬試驗(yàn)對近距離煤層群下行開采過程進(jìn)行了模擬，得到了下煤層初次和周期來壓步距、覆巖位移特征；徐青云等[10]通過建立近距離煤層頂板破壞力學(xué)計算模型，推導(dǎo)出了底板巖層應(yīng)力分量，并計算了上部煤層開采后的底板應(yīng)力狀況；吳俊達(dá)等[11]運(yùn)用相似材料模擬試驗(yàn)對下行開采過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)了下煤層開采會造成上層煤采空區(qū)上方的巖層二次失穩(wěn)垮落；任仲久[12]通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場應(yīng)用等方法，分析了近距離煤層下行開采殘留煤柱的底板破壞范圍；趙燦等[13]采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法對下行開采底板應(yīng)力分布特征進(jìn)行了分析；楊濱濱[14]采用相似材料模擬試驗(yàn)對重復(fù)采動覆巖裂隙的時空演化特征進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明重復(fù)采動下覆巖裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)張作用更明顯。

學(xué)者們對下行開采進(jìn)行了全面深入的研究，但是多數(shù)研究主要是針對近距離煤層的巷道布置、覆巖破斷等。本文擬采用PHASE 2D 有限元軟件開展近距離煤層下行開采工作面煤體破壞特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，分析近距離煤層下行開采工作面煤壁破壞特征、圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和覆巖移動演化特征等，進(jìn)一步豐富煤層群下行開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的數(shù)值模擬研究。

1 概 況

本文以楊家寨煤礦為工程背景，研究了近距離煤層群下行開采重復(fù)采動影響下工作面煤壁破壞特征、圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、覆巖移動演化特征。該礦主要開采兩個煤層，兩層煤的間距為15 ～30 m，平均間距為20 m，普氏硬度系數(shù)3.5，煤層平均埋深為270 m。

上煤層：該煤層全區(qū)可采，屬穩(wěn)定性煤層，煤層厚度為1.5 ～4 m，平均厚度為3 m；頂板主要為粉砂巖、細(xì)砂巖，還有部分泥巖；底板主要是泥巖組成。

下煤層：距上煤層20 m 左右，煤層厚3 ～5.5 m，平均厚度為4 m；下煤層頂板主要由粉砂巖組成，局部為泥巖；底板為泥巖及部分粗砂巖組成。

2 模型建立

本文采用PHASE2D 有限元軟件建立數(shù)值計算模型，模型的平面形狀為長方形，水平長400 m，垂直高100 m，如圖1 所示。模型包含156 045 個單元，78 583 個節(jié)點(diǎn)。模型上煤層的開采深度為240 m，煤層厚度為3 m，下煤層開采深度為265 m，煤層厚度為4 m。上、下煤層的層間距為20 m。模型左右兩側(cè)各預(yù)留100 m 寬的煤層邊界，以消除邊界效應(yīng)的影響，因此模型水平方向上的開采區(qū)間為100 ～300 m，推進(jìn)距離為200 m。由于模型中煤層上方約有270 m 厚的巖層，故在模型頂部施加了5.5 MPa 的補(bǔ)償應(yīng)力，以模擬模型上方200 m厚巖層的重量。模型左右兩邊界施加水平方向鏈桿約束，以限制模型在水平方向的移動；模型下邊界施加垂直向上的約束，以防止底部發(fā)生向下的垂直位移。

圖1 PHASE2D 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of PHASE2D

本文根據(jù)霍克-布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則對各巖層巖石材料物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值，各巖層煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型的巖層分布從上到下依次為粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、煤上、泥巖、粉砂巖、泥巖、煤下、泥巖、粗砂巖、石灰?guī)r。

表1 各巖層的煤巖體參數(shù)Table1 Parameters of coal and rock mass stratum

3 數(shù)值模型計算結(jié)果分析

3.1 工作面煤壁及圍巖變形

工作面推進(jìn)200 m 后，上、下煤層煤壁及圍巖變形如圖2 所示?？梢钥闯觯?、下煤層隨著工作面的推進(jìn)，前方煤體發(fā)生了不同程度的破壞。工作面煤壁在壓力作用下向外鼓出，外鼓特征為中間大、兩端小。這是由于工作面頂板下沉及底板底鼓同時擠壓工作面煤層，導(dǎo)致煤壁向工作面方向鼓出，易誘發(fā)端面冒頂和煤壁片幫等安全事故。

圖2 工作面煤壁及覆巖變形云圖Fig.2 Deformation cloud diagram of coal wall and overburden rock in working face

工作面不同推進(jìn)距離下煤壁最大塑性區(qū)寬度變化規(guī)律如圖3 所示。隨著工作面的推進(jìn)，工作面前方煤體塑性區(qū)的寬度不斷增大；當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，工作面前方煤體塑性區(qū)寬度增大不再明顯，趨于穩(wěn)定。另一方面，在相同推進(jìn)距離下，下煤層的最大塑性區(qū)寬度始終大于上煤層；工作面推進(jìn)200 m 時，上煤層塑性區(qū)寬度最大約為2.43 m，下煤層塑性區(qū)寬度最大約為3.18 m。

圖3 不同階段煤壁最大塑性區(qū)寬度變化規(guī)律Fig.3 The variation law of the maximum plasticzone width of coal wall in different stages

3.2 支承壓力分布規(guī)律

模型推進(jìn)200 m 后，工作面前方支承壓力分布規(guī)律如圖4 所示。上、下煤層支承壓力增高系數(shù)均呈現(xiàn)出先急劇增大后逐漸減小并趨于穩(wěn)定的規(guī)律，其中上煤層在距離工作面前方50 m 時，支承壓力逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平狀態(tài)，而下煤層在工作面前方80 m 左右才逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平。因此，在支承壓力峰值以后，上煤層的支承壓力減小速度快于下煤層。另一方面，上煤層的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.60，而下煤層的最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.52。

圖4 工作面前方支承壓力分布規(guī)律Fig.4 Distribution law of abutment pressure in front of working face

圖5 工作面各階段支承壓力峰值增高系數(shù)Fig.5 The peak increase coefficient of abutment pressure in each stage of working face

3.3 覆巖垂直位移演化規(guī)律

當(dāng)上、下煤層工作面分別推進(jìn)50、100、150、200 m 時，模型上方巖層垂直位移變化規(guī)律如圖6所示。上、下煤層的垂直位移整體變化趨勢大致相同，垂直位移曲線呈現(xiàn)中部大、兩端小的特征，但在相同推進(jìn)距離下，下煤層的垂直位移顯著大于上煤層。隨著工作面的推進(jìn)，覆巖最大位移不斷增大，當(dāng)上煤層工作面推進(jìn)50、100、150、200 m時，覆巖最大位移分別為19、30、34、36 mm；當(dāng)下煤層工作面分別推進(jìn)50、100、150、200 m 時，覆巖最大位移分別為45、61、70、73 mm。經(jīng)過兩層煤的開采擾動，導(dǎo)致覆巖垂直位移進(jìn)一步增大。

圖6 覆巖垂直位移規(guī)律Fig.6 Vertical displacement law of overburden rock

另一方面，隨著工作面不斷推進(jìn)，覆巖最大位移的增長趨勢逐漸減緩，最大位移的位置也隨開采階段而向前移動。當(dāng)上、下煤層工作面各推進(jìn)200 m 后，上煤層工作面覆巖最大下沉值不再增加，地表移動盆地將出現(xiàn)平底“盆狀”，工作面達(dá)到了充分采動狀態(tài)，而下煤層工作面覆巖下沉盆地呈現(xiàn)尖底“碗狀”，工作面仍處于非充分采動階段。

4 結(jié) 論

（1） 工作面煤壁破壞特征呈中部大、兩端小，煤壁向支架方向外鼓；隨著工作面的推進(jìn)，煤壁塑性區(qū)寬度逐漸增大并趨于穩(wěn)定；下層煤的最大塑性區(qū)寬度始終小于上層煤，當(dāng)上、下煤層推進(jìn)200 m后，最大塑性區(qū)寬度分別為2.43 m 和3.18 m。

（2） 工作面支承壓力增高系數(shù)峰值隨工作面的推進(jìn)不斷增大，并趨于穩(wěn)定。其中，上煤層的支承壓力增高系數(shù)大于下煤層，但上煤層的支承壓力影響范圍較小。當(dāng)上、下煤層工作面各推進(jìn)200 m后，上煤層支承壓力增高系數(shù)為1.60 左右，下煤層支承壓力增高系數(shù)為1.52 左右。

（3） 上、下煤層工作面各推進(jìn)50、100、150、200 m 時，覆巖最大位移分別為19、30、34、36 mm 和45、61、70、73 mm。當(dāng)上、下煤層工作面推進(jìn)200 m 后，上煤層工作面達(dá)到了充分采動，而下煤層工作面仍處于非充分采動階段。