劉乃飛， 李　寧，2， 張　柱， 楊　敏， 劉小平，3

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048； 2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730101；3.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

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大佛寺煤礦變形及受力特性研究

劉乃飛1， 李寧1，2， 張柱1， 楊敏1， 劉小平1，3

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048； 2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730101；3.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

大佛寺煤礦位于彬長礦區(qū)開采邊界境內(nèi)，地形地質(zhì)條件非常復(fù)雜。本文采用UDEC離散元軟件對該礦區(qū)煤層開采引起的地表變形規(guī)律及圍巖應(yīng)力場的分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明：①煤層開采后地表沉降呈V字形分布，隨著各工作面的相繼開采地表沉降變形不斷增大，當(dāng)達(dá)到充分采動時趨于定值(約為10.0 m)； ②地表由兩側(cè)向采區(qū)方向移動，變形曲線呈倒S形，水平移動變形最大值約為1.73 m； ③煤層開采會引起圍巖應(yīng)力重分布，且部分區(qū)域存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象(40 MPa)，隨著各采區(qū)的相繼開采應(yīng)力擾動區(qū)不斷擴(kuò)大，致使頂板巖層出現(xiàn)臨空，引起大部分區(qū)域發(fā)生垮落(變形大，10.0 m以上)。

特厚煤層； 分層開采； 地表沉降； 水平移動

近年來采礦工業(yè)快速發(fā)展，厚煤層開采已成為發(fā)展的重要方向。許多學(xué)者結(jié)合各自參與的具體工程開展了大量有針對性的研究工作，而且厚煤層開采的理論也有了較快的發(fā)展[1-2]。馮國財?shù)萚3]采用鉆孔沖洗液耗失量法對太平煤礦覆巖的破壞特征進(jìn)行了研究，以便確保水庫下特厚煤層綜放開采安全。郜錦柱等[4]通過對任樓煤礦綜采預(yù)留煤柱及跨采時底板巷道破壞的分析，提出了一種適用的動態(tài)分步加固技術(shù)方案。于雷等[5]對特厚煤層綜放開采頂板巖層所成結(jié)構(gòu)及支架工作阻力進(jìn)行了研究，并給出了特厚煤層綜放開采支架工作阻力的解析計算式。張宏偉等[6]則以同忻煤礦15 m特厚煤層為例，采用多種方法對特厚煤層綜放開采覆巖破壞高度進(jìn)行了深入研究。王金華[7]以塔山煤礦為依托研發(fā)出了大采高綜放工作面片幫綜合防治、高效高采出率放煤等關(guān)鍵技術(shù)。劉金海等[8]通過留設(shè)合理寬度的區(qū)段煤柱來確保深井特厚煤層綜放工作面順利接續(xù)和安全回采。別小飛等[9]采用實驗室測定和現(xiàn)場礦壓觀測的方法，對千秋煤礦巨厚礫巖層下特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了分析研究。馬立強(qiáng)等[10]為了減少厚煤層開采的區(qū)段煤柱損失，提出了巷內(nèi)預(yù)置充填帶的無煤柱開采技術(shù)。胡青峰[11]結(jié)合實測資料和地質(zhì)采礦，初步揭示了地表裂縫的發(fā)育過程。趙景禮等[12]提出了一種厚煤層無煤柱開采的錯層位巷道布置采全厚采煤法。于斌等[13]則以大同礦區(qū)特厚煤層開采為例得到了巷道超前支護(hù)段的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)制。李寧等[14-15]也通過多種方法對隧洞巷道的變形特性進(jìn)行了研究。

上述研究成果在解決具體工程問題方面起到了顯著作用，并對類似特厚煤層的開采具有一定的指導(dǎo)意義，但針對大佛寺礦區(qū)的實際情況，仍需要開展專門的研究工作。大佛寺礦區(qū)地形地質(zhì)條件非常復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：① 特厚濕陷性黃土覆蓋層的存在使得開采沉陷為臺階式切落破壞；② 礦區(qū)位于黃土溝壑區(qū)，其開采沉陷范圍不同于平原地區(qū)；③ 許多村莊位于塬面或近溝坡區(qū)。黃土高原地區(qū)這種溝坡縱橫切割的地形使得開采沉陷區(qū)范圍具有顯著差異，因此針對大佛寺煤礦礦區(qū)開展地表變形和地層應(yīng)力方面的研究至關(guān)重要，該研究不僅能夠指導(dǎo)本礦區(qū)煤層的順利開采，而且能夠為附近區(qū)域類似礦區(qū)的開采作用提供參考和借鑒。

1　工程概況

大佛寺礦區(qū)位于彬長礦區(qū)開采邊界內(nèi)，地處彬縣、長武兩縣交界地帶，采礦許可范圍東西長約15 km，南北寬約5.8 km，井田面積約86.3 km2。礦井目前的實際生產(chǎn)能力達(dá)到500 萬t/a。

該項目區(qū)屬塬川地貌，南高北低。塬面開闊平坦，最高海拔1 106 m，最低海拔849 m。地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，從東南向西北沿溝谷依次出露三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)，詳見圖1。

根據(jù)調(diào)查及資料分析，目前大佛寺煤礦109工作面、111工作面及113工作面上方7 m已經(jīng)開采，開采方式為綜合機(jī)械化長壁放頂煤條帶式開采。采區(qū)煤層埋深約410 m，煤層平均厚15 m，采高7.0 m，工作面及煤柱預(yù)留寬度均為90 m。

圖1　礦區(qū)構(gòu)造圖Fig.1　The mining structural diagram

2　數(shù)值模型和計算參數(shù)

2.1數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)勘查報告及采空區(qū)實際情況，以開采工作面傾向斷面為剖面建立計算模型，模型的長度為1 000 m，垂直高度為500 m，煤層埋深400 m，煤層厚度15 m，采用綜合機(jī)械化長壁放頂煤條帶式開采，分109、111、113三個工作面開采，每個工作面均分為上下兩層開采，111工作面的中線與模型中線相重合，每個工作面和煤柱寬度均為90 m。本文采用UDEC離散元軟件(主要用于評價巖體的節(jié)理、裂隙、層面對地下工程的影響)進(jìn)行模擬分析，借助gen edge 5 命令，將模型劃分成三角形單元，單元的最大邊長不超過5 m。塊體本構(gòu)模型選擇摩爾-庫倫本構(gòu)模型，節(jié)理模型選取庫侖滑動模型。

模型采用施加速度邊界條件：左右兩側(cè)邊界x方向的速度為0，底邊界x和y方向的速度均為0，上邊界為自由邊界。當(dāng)最大不平衡力小于10-5N時，即認(rèn)為計算達(dá)到平衡。煤礦開采地質(zhì)剖面及數(shù)值計算模型見圖2和圖3。

圖2　工程地質(zhì)剖面圖Fig.2　The engineering geologic profile

因開采存在多個工作面及煤柱且工作面均分為上下部分開采，為了方便下文分析，現(xiàn)對工作面及煤柱作如下定義(見圖4)。

圖3　數(shù)值計算模型Fig.3　The numerical calculation model

圖4　采區(qū)分區(qū)示意圖Fig.4　The partition schematic diagram

2.2計算參數(shù)

地層從上到下依次分為8層，分別為：K1l、K1y、J2a、J2z、J2y、coal、J2y、T3h，各巖層參數(shù)如表1所示。

表1　各層巖石參數(shù)表

3　煤礦工作面上部開采數(shù)值模擬

當(dāng)前大佛寺煤礦的109、111和113工作面上部7 m煤層已經(jīng)開采完畢，本節(jié)首先對該開采過程進(jìn)行模擬。研究該煤層在進(jìn)行上部開采時的變形和受力特性以及地表沉降規(guī)律等。數(shù)值分析按依次開采工作面上部的A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)進(jìn)行模擬，并在地表每隔50 m設(shè)置一個觀測點，用以觀測地表變形情況。

3.1地表沉降規(guī)律研究

依次開采109、111和113工作面上部7 m煤層A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)后，地表的沉降規(guī)律如圖5所示。

圖5　地表沉降曲線Fig.5　The ground settlement curves

由圖5可看出，煤層開采引起的地表沉降變形呈漏斗形，且隨著A區(qū)、C區(qū)、E區(qū)的開采，地表沉降值變形呈增大趨勢。A區(qū)開采完成后地表的最大沉降變形位于該采區(qū)正上方約為1.36 m，而當(dāng)E區(qū)開采完畢后，地表最大沉降變形的位置發(fā)生了右移且量值增大到2.34 m，增幅約為72%。此外還可以看出C區(qū)開采后的地表沉降曲線呈現(xiàn)出明顯的不對稱性，在A區(qū)和E區(qū)之間的變形曲線有一較緩的區(qū)段，這是因為該處預(yù)留煤柱抑制了地表沉降所致。而當(dāng)E區(qū)開采后的沉降曲線的不對稱性更加明顯，且出現(xiàn)了兩處明顯的變形臺階，而該兩部位均有煤柱存在?？梢婎A(yù)留煤柱的存在能夠有效控制地表沉降變形的發(fā)展。

3.2地表水平移動規(guī)律研究

依次開采109、111和113工作面上部7m煤層A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)后，地表水平移動規(guī)律如圖6所示。

圖6　地表水平移動曲線Fig.6　The surface subsidence curves

由圖6可看出，煤層開采后引起上部地表產(chǎn)生了較大的水平移動變形。A區(qū)開采后采區(qū)上部地表由兩側(cè)向采區(qū)中線部位地表發(fā)生移動，地表水平移動曲線近似呈倒S形，且最大值約為0.102 m。隨著C區(qū)和E區(qū)依次開采，地表各點的水平移動變形不斷增大且水平移動方向的拐點不斷向新開采區(qū)移動。E區(qū)開采完畢后地表的最大水平移動變形約為0.635 m，近似為A區(qū)開采后的6倍。同地表沉降變形規(guī)律類似，地表水平移動變形也存在變形臺階，這均是留設(shè)煤柱有效抑制了地表變形所致。

3.3采區(qū)圍巖應(yīng)力場研究

工作面上部煤層依次開采后圍巖的豎直應(yīng)力場分布等值線圖如圖7所示。

圖7　豎直應(yīng)力等值線圖Fig.7　The vertical stress contour map

從圖7可看出，工作面上部煤層開采后，圍巖豎直應(yīng)力場發(fā)生了較大變化，不再呈水平分布。A區(qū)煤層開采后圍巖豎直應(yīng)力等值線呈深U型分布，煤層開采引起圍巖發(fā)生了應(yīng)力重分布，越靠近開采區(qū)域應(yīng)力釋放現(xiàn)象越顯著。C區(qū)開采后再次引起了圍巖應(yīng)力重分布，且部分區(qū)域與A區(qū)開采產(chǎn)生的效應(yīng)有疊加現(xiàn)象，此時應(yīng)力場呈深W型。由于兩側(cè)煤層的開采引起B(yǎng)區(qū)預(yù)留煤層存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象(-16 MPa)。E區(qū)開采后同樣引起圍巖應(yīng)力釋放，且與E、C區(qū)煤層中間的D區(qū)預(yù)留煤柱有應(yīng)力集中現(xiàn)象(-16 MPa)，而且使得B區(qū)煤柱的應(yīng)力值增至-20 MPa。

3.4采區(qū)圍巖位移場研究

工作面上部煤層依次開采后圍巖豎直位移分布云圖如圖8所示。

圖8　圍巖豎直位移云圖Fig.8　The vertical displacement nephogram

由圖8可看出，工作面上部煤層開采后四周圍巖向工作面移動，其中頂板以沉降為主而底板以隆起變形為主。A區(qū)開采后圍巖豎直變形以A采區(qū)中線呈對稱分布，越靠近開采工作面變形越大，而且變形已經(jīng)發(fā)展至地表，此外煤層頂板局部區(qū)域有冒落現(xiàn)象(變形值約為6.0 m)。C區(qū)開采后同樣引起了周圍圍巖移動，并且顯著增加了A區(qū)頂部巖體的變形情況，而且變形影響范圍內(nèi)存在疊加區(qū)域。E區(qū)開采后的情況同C區(qū)。三采區(qū)引起的上部巖體的變形連成一片，但A區(qū)頂部巖體的沉降變形最大，E區(qū)最小。各采區(qū)頂部局部都存在不同程度的冒落現(xiàn)象且引起地表近2.0 m的沉降變形，因此在煤層開采時務(wù)必要做好支護(hù)工作，確保開采工作的順利進(jìn)行。

4　預(yù)留煤柱及工作面下部回采模擬

上節(jié)對大佛寺煤礦當(dāng)前的開采現(xiàn)狀進(jìn)行了模擬，研究了A、C和E區(qū)工作面上部開采后地表的沉降變形及圍巖的受力情況，本節(jié)擬在此基礎(chǔ)上模擬對預(yù)留煤柱和各工作面下部煤層的回采情況，具體開采順序依次為： B區(qū)、D區(qū)、F區(qū)、G區(qū)、H區(qū)、I區(qū)、J區(qū)。

4.1地表沉降規(guī)律研究

各區(qū)依次回采后的地表沉降曲線如圖9所示。

圖9　地表沉降曲線Fig.9　The ground settlement curves

由圖9可看出，隨著對各區(qū)域煤層先后回采，地表沉降逐漸增大且其最大值位置不斷右移。B區(qū)上部預(yù)留煤層開采后地表最大沉降變形由2.34 m增加為4.01 m,增幅高達(dá)59%，且顯著增加了A區(qū)和C區(qū)上部地表的沉降變形。D區(qū)煤層回采對C區(qū)和E區(qū)上部地表沉降變形影響最顯著。當(dāng)各工作面上部煤層全部開采完畢，下部煤層開采至G區(qū)時頂板圍巖沉降變形急劇增大，由F區(qū)開采后的5.36 m增加到8.53 m，增幅近60%。回采至I區(qū)時地表沉降曲線出現(xiàn)了一水平區(qū)段，為沉降變形的最大值(約為10.0 m)，說明I區(qū)開采引起地表橫坐標(biāo)400 m～500 m范圍內(nèi)地層達(dá)到了充分采動。J區(qū)開采后這一范圍向右增加了近150 m?？梢姷乇沓两底冃尾⒉皇请S著開挖區(qū)域的擴(kuò)大而無限制地增大的，而是當(dāng)開采達(dá)到充分采動時趨于定值，該值約為10.0 m。

4.2地表水平移動規(guī)律研究

各區(qū)域開采后的地表水平移動圖如圖10所示。

圖10　地表水平移動曲線Fig.10　The surface subsidence curves

由圖10可看出，隨著剩余區(qū)域煤層的相繼開采，采區(qū)兩側(cè)地表以采區(qū)為中心發(fā)生相向移動，地表水平移動圖呈倒S型，且地表存在不發(fā)生移動的點(臨界點)，該點左側(cè)地表向右移動，右側(cè)向左移動。B區(qū)開采使得其兩側(cè)地表移動顯著增加，并使得臨界點向左移動了近50 m，但其底部地表水平移動值卻有所降低。E區(qū)開采后水平移動曲線存在兩個明顯的臺階，但B區(qū)開采后卻只有D區(qū)對應(yīng)的臺階比較顯著，可見預(yù)留煤柱對抑制水平移動變形也具有較好的效果。D區(qū)開采對左側(cè)地表影響尤為顯著。當(dāng)開采下部F區(qū)煤層時，引起其右側(cè)地表水平移動值急劇增大，且在橫坐標(biāo)為500 m～680 m處，地表移動方向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，右側(cè)水平移動最大值由0.21 m增大至0.45 m，增加了1倍多。后續(xù)煤層的開采進(jìn)一步增加了兩側(cè)地表的水平移動值。

根據(jù)上述分析可以看出，左側(cè)煤層開采對右側(cè)地表的水平移動變形影響較大，而右側(cè)煤層開采則對左側(cè)地表的水平移動變形影響較大，采區(qū)中部地表最終的水平移動變形近似為零。由于時間效應(yīng)的影響，左右兩側(cè)地表的最大水平移動值并不相等，左邊為1.8 m，右側(cè)為0.9 m。

4.3采區(qū)圍巖應(yīng)力場研究

為了節(jié)省篇幅，文中僅給出D區(qū)、H區(qū)和J區(qū)開采后的應(yīng)力等值線圖，詳見圖11。

圖11　豎直應(yīng)力等值線圖Fig.11　The vertical stress contour map

從圖11(a)可看出，回采B區(qū)和D區(qū)兩處煤柱后，使得整個開挖臨空面貫通，跨度成倍增加，致使煤層頂板和下部煤層均發(fā)生了明顯的應(yīng)力重分布現(xiàn)象，且在C區(qū)和E區(qū)附近存在兩處明顯的應(yīng)力集中區(qū)，此時圍巖的最大豎直壓應(yīng)力約為16.0 MPa。從圖11(b)和(c)可以看出，隨著下部煤層不斷被開采，巷道圍巖應(yīng)力擾動區(qū)域不斷擴(kuò)大，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加顯著(-40 MPa)。通過以上各圖對比分析可知，隨著預(yù)留煤層的回采和下部煤層的相繼開采，使得煤層頂板巖層出現(xiàn)懸空，頂板下方?jīng)]有支撐體，致使頂板巖層將其部分自重傳遞給周圍尚未被開采的巖體，打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，因此發(fā)生了應(yīng)力重分布，并且部分區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中甚至破壞。

4.4圍巖豎直位移研究

各個區(qū)域開采后豎直位移云圖如圖12所示。

圖12　圍巖豎直位移云圖Fig.12　The vertical displacement nephogram

由圖12(a)可看出，隨著對預(yù)留煤柱的回采，煤層上部圍巖變形區(qū)域連成一片，較E區(qū)開采后圍巖變形顯著增大，紅色變形區(qū)域(變形量值為5.0 m～6.0 m)已發(fā)展至地表且范圍也明顯增大。煤層頂板的沉降變形約為6.0 m～7.0 m，而下部煤層則呈隆起變形。從圖12(b)和(c)可以看出，隨著下層煤層的相繼開采，圍巖的變形區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，變形量值也顯著增加(10.0 m～12.0 m)，10 m以上變形區(qū)域的范圍擴(kuò)大，J區(qū)開采后紅色變形區(qū)域(量值為10 m)已發(fā)展至地表。

綜合應(yīng)力和地表變形分析可知， 將預(yù)留煤柱B區(qū)和D區(qū)回采后，頂板上方并未發(fā)生大規(guī)模垮落，而隨著后續(xù)下層各個區(qū)域煤層的開采，開挖凌空面不斷增大，圍巖的豎直沉降變形值也不斷增大，沉降值相同的區(qū)域不斷擴(kuò)大且相互貫通，直至I區(qū)開采后地表變形達(dá)到充分采動，地表的最大沉降值保持不變?？梢娫O(shè)計開采工作面規(guī)劃合理，但在開采下部煤層時要做好支護(hù)，以防大規(guī)模坍塌事故發(fā)生。

5　結(jié)　論

大佛寺煤礦位于位于彬長礦區(qū)開采邊界內(nèi)，所處區(qū)域為塬川地貌，地形地質(zhì)條件非常復(fù)雜，本文采用UDEC離散元軟件對該礦區(qū)的特厚煤層開采引起的地表變形和地層應(yīng)力規(guī)律進(jìn)行了研究，主要取得了以下認(rèn)識。

1) 通過對開采現(xiàn)狀的模擬(A區(qū)、C區(qū)和E區(qū))表明地表沉降呈V字形，最大沉降變形為2.34 m；地表水平移動呈倒S形分布，最大值為0.64 m；預(yù)留煤柱對于抑制地表變形具有顯著的效果；

2) 預(yù)留煤柱回采后地表最大沉降變形為4.32m，地表水平移動最大值為0.85 m；

3) 當(dāng)對下部煤層開采至I區(qū)時地表變形達(dá)到充分采動，此時的沉降變形近似為10.0 m，當(dāng)全部開采完畢時地表的最大水平移動變形為1.73 m；

4) 上部煤層A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)開采引起圍巖應(yīng)力重分布且在預(yù)留煤柱和邊墻部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象(達(dá)-20 MPa)，預(yù)留煤柱回采后上部煤層開挖面貫通應(yīng)力擾動范圍和程度進(jìn)一步增大，當(dāng)下部煤層全部開采后，頂板巖層臨空現(xiàn)象加劇，大部分區(qū)域發(fā)生冒落破壞；

5) 上部煤層(A區(qū)、C區(qū)和E區(qū))開采后圍巖變形區(qū)域相互疊加，呈M形分布且局部頂板存在冒落現(xiàn)象，預(yù)留煤柱回采后圍巖變形區(qū)貫通，紅色區(qū)域(變形值為5 m以上)發(fā)展至地表，下部煤層開采后變形范圍和量值進(jìn)一步增大(大部分區(qū)域變形值大于10 m)，且頂板上方存在大片垮落區(qū)域，破壞區(qū)域已經(jīng)貫通。

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(責(zé)任編輯王衛(wèi)勛,王緒迪)

Research on the deformation and stress behaviors of Dafosi coal mine

LIU Naifei1， LI Ning1，2， ZHANG Zhu1， YANG Min1， LIU Xiaoping1，3

(1.Institute of Geotechnical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730101，China；3.Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp，Xi’an 710077，China)

Dafosi coal mine is situated in the Bin-Chang mine boundary and its geology and land form conditions are very complicated. With the help of the discrete element software of UDEC, the surface distortion rule and distributing character of the stress field caused by coal mining have been systematic studied in this paper. This study shows that: 1) the ground settlement curves have a V distribution when the coal seam was extracted. After the follow-up mining areas are extracted, the surface subsidence deformation becomes correspondingly larger and larger when reaching full subsidence its tends to be a constant value (10.0 m); 2) the surface moved to the mining area direction from the both sides and the deformation curves show an inverted-S distribution. The maximum value of level move deformation is 1.73m; 3) the coal mining can cause adjoining rock stress redistribution and some areas appears to have the obvious stress concentration phenomena (40MPa). With the follow-up mining areas extracting, stress disturbance region continues to expand, whereby resulting in top kill as stratum to have an air face in such a way that there occurs to have the collapse in most regions (deformation is larger than 10.0 m).

thick coal seam； slice mining； surface subsidence； horizontal migration

1006-4710(2016)02-0240-07

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.02.018

2015-04-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(51179153)；西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文創(chuàng)新基金資助項目(207-002J1306)

劉乃飛，男，博士生，研究方向為地下工程和多場耦合。E-mail:liunaifei1985@126.com

李寧，男，教授，博導(dǎo)，研究方向為巖土工程。E-mail: ningli@xaut.edu.cn

O319.56

A