云南某矿近距离下行开采矿压规律分析

2021-06-01

中国科技纵横 2021年4期

（云南煤矿安全技术中心有限公司，云南昆明 650000）

1.矿山概况

云南某矿地形西北低东南高，地形最低标高+1960m，矿权范围内开采标高+1810m～+1930m，无平硐开拓条件。煤系地层为层状含隔水层相间的地层，富水性弱。地表无大的水体，地下水的补给主要是大气降水及地表山间河流大河水、少量断层水，水文地质条件为较复杂类型。矿区属于层状岩类半坚硬―软弱为主的层状岩石，力学强度不均，软硬相间，风化作用较强，节理发育，煤层直接顶底板以泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，岩石稳定性差，工程地质条件中等。由于邻区及周边矿山开采原因，已导致核实区局部水质变化和局部地表变形塌裂现象，但无大的污染源、无热害、地表水质与地下水水质较好，总体无其他环境地质隐患，地质环境质量中等。

矿井最大瓦斯涌出量为20.99m3/t，最大绝对瓦斯涌出量为2.041m3/min，为高瓦斯矿井。各煤层均为不自燃煤层；均具有爆炸性。但核实区及附近老窑开采实践系统调查均未发现煤层煤尘爆炸及火区迹象。矿区范围内可采煤层C13、C14、C21共3层，C13煤层为最上层，平均厚1.59m，距下层C14煤层12m～10.28m；C14煤层为中层，平均厚2.63m，距下层C21煤层约25m；C21煤层为最下层，平均厚2.45m，各煤层平均倾角40°，属倾斜中厚煤层群。矿井采用斜井开拓，走向长壁采煤法，一次采全高，单体液压支柱配铰接顶梁支护顶板，全部垮落法管理顶板。

由于C13、C14、C21煤层距离较近，倾角较大，可能会在开采过程中影响到下煤层的开采。因此本文以云南某矿为研究对象，利用FLAC3D数值模拟软件分析各煤层开采过程中的底板矿压运移规律，旨在探究开采煤层采场应力之间的相互影响，为矿山的安全生产提供理论依据，对相似矿山条件生产起到借鉴意义。

2.各煤层底板破坏深度分析

根据矿山压力与岩层控制理论，在底板中传递的支承压力，超过底板岩体的极限强度时，底板岩体将发生塑性变形，塑性破坏区可分为3个区：主动应力区、过渡区和被动应力区[1-2]。图1所示中I区为主动应力区，其中：

图1 地基中的极限平衡区

式中：ϕ―煤体的内摩擦角；II区为过渡区，CH和CD曲线为对数螺旋线。

式中：r―以A、B为原点与r0成θ角处的螺线半径；r0―BC或AC的长度；θ―r与r0的夹角。

III区为被动应力区，其中：

由于支承压力影响而形成的破坏深度，如图2所示，可用D表示破坏深度[3-5]。

图2 支承压力形成的底板破坏深度

将上述式子代入即可得：

根据云南某矿地质报告所述，取煤的内摩擦角为φ=32°，应力集中系数n=1.3，煤的内聚力Cm=1.25MPa，岩石容重γ=2.5kg/m3，平均埋深H=100m。将数据代入煤层塑性区的宽度中，3个煤层塑性区的宽度分别为：L13=1.53m，L14=2.53m，L21=2.36m；再次代入到底板最大破坏深度计算公式，Dmax,13=3.75m，Dmax,14=6.2m，Dmax,21=5.79m。通过计算可知，3个煤层开采过程中对底板的破坏深度在3.75～6.2m，而3个煤层间距为10.28m和25m，因此各煤层间开采后不会造成太大影响。但以上公式为单独考虑各煤层单独开采时所对底板造成的影响，未考虑C13和C14开采后耦合影响对C21煤层的破坏情况，下面利用FLAC3D软件进行分析。

3.数值模拟分析

简化云南某矿实际情况作为模拟模型，模型尺寸为长×宽×高= 150m×100m×200m，164547个单元，161793个节点。模型上边界按上覆岩层厚度施加均布载荷，下边界垂直位移固定，左右两侧水平位移固定。模型采用的围岩本构关系为摩尔―库仑模型，如图3所示。模型上部边界至地表范围内围岩以均布载荷的形式加在上部边界，载荷大小为P=2500kg·m-3×10m·s-2×100m=2.5MPa。模拟工作面长度为120m，两侧留边界煤柱各15m[6]。

图3 各煤层塑性区分布

C13煤层顶板为含菱铁条带粉砂质泥岩，单轴干抗压强度28.72MPa～50.7MPa，软化系数0.72。C14煤层顶板为含高岭石粉砂质泥岩，单轴干抗压强度17.9MPa～20.7MPa，软化系数0.57。C14煤层底板泥岩，单轴干抗压强度1.39MPa～15.7MPa，软化系数0.55。C13、C21煤层顶底板为粉砂质泥岩，单轴干抗压强度17.9MPa～20.7MPa，软化系数0.65。该地层具软弱相间工程地质特征，坑道易产生“膨胀或底鼓”等不良工程地质问题[7]。煤岩体力学参数如表1所示。

表1 煤岩体力学参数

通过塑性区分布可知，C13煤层开采后塑性区最大深度为3.42m，C14煤层开采后塑性区最大深度为6.58m，C21煤层开采后塑性区最大深度为7.83m，因此开采C13煤层的时不太可能破坏底板的C14煤层，但应在开采过程中应给予一定的保护措施，防止C14煤层被破坏。而C13和C14开采后对于C21耦合影响较小，因C21煤层相对C14煤层垂距较远，不会对C21煤层产生破坏。