下煤层开采诱发老采空区扰动机理研究_李文强.pdf

下煤层开采诱发老采空区扰动机理研究李文强，付国茂，陈宇（山西省交通规划勘察设计研究院有限公司，山西 太原；山西交科公路勘察设计院有限公司，山西 太原；中国地质大学北京工程技术学院，北京）摘 要：我国矿区开采以多煤层开采形式为主，不同间距多煤层的重复采动会引发区域岩体内应力平衡失稳，造成上覆老采空区的变形活化，从而会加剧地表变形、覆岩移动。本文基于阳泉矿区煤层赋存的地层条件，通过建立数值计算模型，设计 组不同煤层间距与埋深关系的对比方案，研究了下煤层开采诱发老采空区的“活化”机理。研究结果表明：当上层煤顶板至地表的距离与两采空区间距之比大于 时，上层老采空区处于下层煤开采产生的弯曲带下，裂隙带或者冒落带中，上层采空区受到下层煤开采的影响发生“活化”；当该比值小于等于 时，上层老采空区所受“活化”作用影响减弱，仅产生弯曲变形；当采空区间距继续增大时，上层老采空区几乎没有出现“活化”现象。关键词：重复采动；采空区间距；地表变形；数值模拟；活化中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）随着人类社会的不断发展，资源消耗量越来越大。煤炭资源尤为突出，浅部煤炭资源已逐渐枯竭，需要不断向深部进行开采。本文以山西省阳泉矿区为研究背景，矿区 号煤层现已开采完毕，目前正在开采 号下煤层，形成重复采动问题。多煤层的重复采动会引发区域采空区岩体内应力平衡失稳，相比初次采动导致的地面塌陷、地裂缝、崩塌等，地质灾害更加剧烈。因此，研究下煤层开采诱发老采空区“活化”机理及地表变形规律，对指导类似地质采矿条件工程具有重要意义。世纪后期，研究者主要对重复采动下地表变形及覆岩移动基本参数变化规律进行分析研究；世纪初期，许多学者采用现场观测、相似模拟、数值模拟、理论计算分析等多种手段，对重复采动下上覆采空区中应力分布特征及地表移动变形特征进行了研究，得出覆岩及地表移动变形破坏特征；年，李树刚用物理相似模拟实验及理论分析，研究单层开采和重复采动条件下覆岩移动、裂隙分布规律；年，蒯洋等建立数值模拟模型研究了厚松散层下重复开采对地表变形的影响。综上，目前的研究主要集中在覆岩及地表移动变形与沉降参数的变化规律，从不同煤层群间距与埋深关系对老采空区的“活化”作用影响机理角度出发，研究地表及覆岩移动变形规律相对较少。因此，本文采用数值模拟手段，以阳泉研究区的工程地质条件为基础，保持采高、上煤层采深不变的条件下，设计 组不同煤层间距的对比方案进行数值模拟试验，揭示了不同煤层间距开采对老采空区的“活化”影响机理及地表、覆岩移动变形规律。研究区工程背景研究区位于山西省东部，地处太行山中部，整体地势西高东低，最高点海拔高程为，最低点海拔高程为，最大高差为。研究区地层由老至新主要有下古生界奥陶系（）、上古生界石炭系（）、二叠系（）、新生界第四系（）等。数值模型的建立 数值模型本次模拟以山西省阳泉矿区的工程地质条件，根据研究区地层结构剖面图及钻孔数据等资料，建立采空区重复采动计算模型。模型开采区域长，以开切眼和停采线位置各外扩 作为模型边界，开采区域位于模型长度方向的中央。从上至下可采煤层有、煤层，煤层厚度，煤层厚度。岩层属性及边界条件根据山西阳泉矿区大量试验数据、地层结构剖面图及钻孔数据，采用室内试验结果和工程类比相结合的方法对理想模型地层自上而下进行划分及参数确定，如表 所示。表 研究区地层信息地层序号 厚度 密度（）弹性模量 泊松比 黏聚力 DOI:10.13487/ki.imce.022904续表地层序号 厚度 密度（）弹性模量 泊松比 黏聚力 根据对比方案设计根据对比方案设计 研究方案为了研究上煤层顶板至地表的距离与两煤层间距的关系对老采空区“活化”机理影响及上覆岩层、地表移动规律，采用数值模拟方法，结合研究区的实际情况，为了避免由自重导致的边界应力影响，在 煤层采深、采高 的条件下，变换 煤层与 煤层的间距，间距范围，按照 的梯度进行递增，设计了 组对比工况。数值模拟结果与分析 不同间距煤层开采对地表沉降影响计算不同工况下的地表位移，得到不同工况下地表的沉降盆地曲线，见图。图 不同工况下地表沉降盆地曲线 从图 可以看出，不同工况下，上层 煤开采后，地表最大沉降值均为，沉降最大值出现在距模型左边界 的位置，地表沉降盆地偏向开切眼。开采下层 煤后，不同工况下地表沉降盆地偏向开切眼的现象比单层煤开采明显。采空区间距为 的工况计算得到的地表沉降最大，随着采空区间距的不断加大，地表沉降值越来越小。根据各个工况下地表的最大沉降值与采空区间距绘制关系曲线，见图。图 地表最大沉降值与采空区间距关系图 从图 可以看出，当采空区间距为 时，地表最大下沉量达峰值。随着采空区间距的增大，地表最大沉降值不断减少；当间距为 时，下层煤开采产生的地表最大沉降已经趋于稳定；在采空区间距为 后，地表最大下沉量基本不再变化。同时，当采空区间距小于 时，地表的沉降变化速度与采空区间距呈现指数降低的关系；当采空区间距大于 后，不管采空区间距如何变化，地表沉降值均稳定在，表明下层煤的开采对上层采空区的影响较小。煤层群间距与埋深对老采空区“活化”影响将上层煤顶板至地表的距离简写为，将两层采空区距离简写为。从图 已知，当采空区间距为 时，下层煤开采产生的附加沉降影响已经很低，此时 ；当采空区间距大于 后，地表沉降值稳定在，表明下层煤的开采对上层采空区的影响已经很小；当 后，随着 的增大，地表沉降已经基本稳定不再增加。为了探讨下层开采是否会“活化”上层采空区，将上煤层开采后地表和上煤层底板的沉降与下煤层开采后地表和上煤层底板的沉降分别做了差值，以两层采空区距离为、为例，如图 所示。（）（）（）图 各个工况条件下地表沉降差值与上层采空区底板沉降差值关系图 从图 可以看出，当 时，地表沉降差值的曲线穿过上煤层底板沉降差值的曲线中；当 后，地表沉降差值的曲线与上煤层底板沉降差值的曲线在上部相切；当 越来越大时，地表沉降差值的曲线甚至会远离上煤层底板沉降差值的曲线。当 时，上层老采空区处于下层煤开采产生的弯曲带下，裂隙带或者冒落带中，此时上层老采空区受下层煤开采影响，处于“活化”状态；当 后，上层采空区处于下煤层开采产生的弯曲带之上，此时上层老采空区在下层煤开采后所受“活化”作用影响减弱。结论本文采用数值模拟的方法，从不同煤层群间距与埋深关系对老采空区的“活化”作用影响机理角度出发，研究地表移动变形规律，得到以下结论：当上层煤顶板至地表的距离与两采空区间距之比大于 时，上层老采空区处于下层煤开采产生的弯曲带下，裂隙带或冒落带中，此时上层老采空区受下层煤开采影响，处于“活化”状态。当上层煤顶板至地表的距离与两采空区间距比值小于等于 时，上层老采空区处于下层煤开采产生的弯曲带中，此时上层老采空区在下层煤开采后所受“活化”作用影响减弱，上层采空区仅产生弯曲变形。当两采空区间距继续增大，上层老采空区几乎没有出现“活化”现象，上层采空区仅产生弯曲变形，地表沉降值已经稳定不再增加。参考文献：董灿灿重复采动下覆岩及地表移动变形研究太原理工大学，李友伟，张玉军，肖杰多煤层重复采动覆岩破坏高度发育规律研究煤炭工程，（）：孙学阳，寇规规，李鹏强，等重复采动下覆岩移动相似模拟实验研究煤炭技术，（）：刘树新，孙会龙重复采动下覆岩变形数值模拟煤矿开采，（）：李树刚，丁洋，安朝峰，等近距离煤层重复采动覆岩裂隙形态及其演化规律实验研究采矿与安全工程学报，（）：蒯洋，刘辉，朱晓峻，等厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律煤田地质与勘探，（）：基金项目：山西交科集团创新发展项目（）作者简介：李文强（），通讯作者，男，河南郾城县人，硕士研究生，高级工程师，从事工程地质、公路勘察、地质灾害应对等工作。