基于FLAC3D数值模拟的煤层群上行开采分析

基于 FLAC3D 数值模拟的煤层群上行 开采分析

黄龙 ，苏静， 程涛 ， 彭祖锋 ，张衡

（省六盘水师范学院矿业与土木工程学院，贵州，六盘水， 553004）

摘要：针对近距离煤层群上行安全高效开采上部遗漏煤炭资源的问题，采用理论分析和FLAC3D数值模拟实验相结合的方法，分析了近距离煤层群上行开采的采动影响范围，模拟了煤层群下部7号煤层1377工作面和9号煤层1397工作面开采后对上部5号煤层1357工作面产生的采动影响。通过现场工业性试验表明：在1357工作面回采时，在回风巷端头开始80m范围内倾角变化量较大，可达2°至3°，80m范围以外煤层倾角基本无变化量；回风顺槽的下沉量从停采线向切眼方向下沉量从0.2m逐渐增大到4.2m，而运输顺槽的下沉量基本未发生变化，实现上部遗漏煤炭资源的安全开采，获取良好的经济效益和社会效益。

关键词：近距离；煤层群；上行开采；采动影响；数值模拟实验

中图分类号：TD 822 文献标识码：A

1工程概况

钱家营煤矿位于河北省，井田煤系属于下统二叠系和上统石炭系，中奥陶统马家沟组石灰岩构成基底地层，厚度500m左右的煤系地层，煤系共有十几层含煤层，煤层总厚度达19.79m，含煤系数3.96%。井田内含6层可采煤层，即煤5、煤7、煤8、煤9、煤11、煤12-1。煤层平均厚度分别为1.42m、3.24m、1.25m、2.2m、0.78m、2.29m，煤层平均间距分别为32.56m、6.26m、10.69m、15.24m、62.09m。目前该矿井正开采5号煤层的1357工作面，工作面范围内煤层厚度在0.4～2.4m之间，平均厚度1.4m，开切眼附近和工作面中部为薄煤层开采条件，煤层厚度小于1.3m，5号煤层整体结构简单，赋存较稳定；煤层倾角在4～10°之间，平均7°，煤层走向在N50°～70°之间。5号煤层1357工作面倾斜下方距离32.56m为7煤层1377工作面，已回采完毕；下方距离64.75m为9煤层1397工作面，正在回采；下方12-1煤层暂无工程施工。

2 构建煤层群上行开采数值模拟实验模型

以钱家营煤矿现场地质条件为原型，构建数值计算倾斜模型，此次数值模拟实验选用FLAC3D模拟软件^[1-4]。该模型范围为400m×120m，含有9600个单元网格和9801个节点，模型涵盖了1357、1377和1397三个工作面，模型顶部标高为-480m，下部标高为-600m。通过数值模拟实验，分析下部7号煤层1377工作面、9号煤层1397工作面分别开采后，对上部1357工作面引起的采动影响。

模型左右水平位移为零，两侧通过施加水平方向的等效应力进行约束；模型顶部不施加约束，即为自由边界；模型底部固定，边界节点垂直位移为零。据实测可知，模型中5号煤层1357工作面顶部埋深约480m，进而在模型上部施加垂直载荷12MPa。

3 数值模拟实验结果分析

（1）1377工作面回采后应力-位移分布规律

通过数值模拟下部1377工作面回采后，上覆岩垂直应力分布云图。通过分析可知，1377工作面采空区左右两端50m范围内的发生煤层垂直应力增加，值在20～60MPa之间，在距煤壁4～5m的范围内垂直应力值最高。上部5号煤层1357工作面附近垂直应力值为10MPa左右，即受下部7号煤层1377工作面开采的采动影响较小。

根据7号煤层1377工作面运输、回风顺槽的局部放大图可知，在7号煤层1377工作面运输顺槽外侧出现垂直应力集中范围，而在回风顺槽内侧出现垂直应力集中范围，垂直应力值在30～60MPa之间。就垂直应力集中范围而言，运输顺槽外侧比回风顺槽内侧略大。下部7号煤层1377工作面开采后，上部5号煤层1357工作面将发生卸压增透效应，其运输顺槽处于采动应力升高区边缘，回风顺槽与采动应力升高区还有一定距离。

（a）运输顺槽 （b）回风顺槽

7号煤层1377工作面开采后顺槽附近垂直应力分布云图（单位：Mpa）

根据工作面围岩垂直位移可知，下部7号煤层1377工作面开采后，采空区上覆岩垂直位移量在0.35～3.20m之间，采空区左右两端煤体上覆岩垂直位移量在0～0.35m之间，上部5号煤层1357工作面的垂直位移约1.0m。

下部7号煤层1377工作面开采后，上部5号煤层1357工作面下沉量变化曲线如下图所示，1357工作面上覆岩下沉量在0.35～1m之间，工作面回风顺槽一侧岩层下沉量在0.35～1m之间，工作面运输顺槽一侧岩层向下沉量在0～0.35m之间。

1377工作面回采后5号煤层下沉曲线

4 工业性试验效果

根据1357工作面现场观测分析可知，在下部煤层开采的2次采动影响下，5煤层赋存状态仍然较好，其连续性未发生明显的破坏现象；其硬度没有变化，没有出现较明显的破碎；其顶底板围岩较为完整，没有出现明显的拉张现象；在工作面开采时，顶板局部发生开裂，沿走向有裂痕，对工作面开采产生了一定的影响，应注意顶板支护和观测。现场生产实践表明，上行开采在满足一定的层间距、时间间隔等条件下，基于上煤层的应力分布及连续性和完整性评估结果进行相关的巷道和工作面布置设计，可以实现遗留煤炭资源的安全高效开采，获取良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1] 岳军文.近距离煤层群上行开采矿压多元控制技术[J].煤矿安全，2016，47（08）：86-89.

[2] 马睿，杜泽生，李伟豪，等.倾斜煤层采空区上方巷道稳定性控制技术[J].煤矿安全，2015，46（09）：96-99.

[3] 季成，孔令海，高凯.微震监测技术在煤矿上行开采中的应用[J].煤矿安全，2015，46（09）：134-136.

[4] 赵宝峰.上行开采条件下多煤层开采覆岩破坏规律研究[J].矿业安全与环保，2016，43（06）：13-15.

金项目：六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目(项目编号: 2020cxcy71)