从通基于颗粒流的浅埋双煤层斜交开采地表裂缝发育特征

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013521-1侯恩科，从通，谢晓深，等.基于颗粒流的浅埋双煤层斜交开采地表裂缝发育特征[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013521.HOUEnke，CONGTong，XIEXiaoshen，etal.Groundsurfacefracturedevelopmentcharacteristicsofshallowdoublecoalseamstaggeredminingbasedonparticleflow[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013521.基于颗粒流的浅埋双煤层斜交开采地表裂缝发育特征侯恩科，从通，谢晓深，魏江波(西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054)摘要：陕北浅埋煤层开采引起地面塌陷严重影响了矿区生态环境，与浅埋单煤层开采相比，浅埋双煤层开采所导致的覆岩破坏、裂缝发育更为复杂。以柠条塔煤矿N1206和N1114典型工作面为研究对象，采用颗粒流方法对浅埋双煤层斜交开采的过程及其所致地表裂缝发育特征进行了模拟研究。研究结果表明：浅埋双煤层斜交开采煤柱所在区域的上行和下行裂隙密集发育；各工作面采毕地表下沉曲线呈现宽缓的“W”型；1煤采毕与2煤采毕裂缝发育速率比值为13～12，地表最大下沉量比值为17；开切眼及终采线位置附近裂缝密集且会导通至地表；地表最大下沉量位于工作面开切眼位置附近，地表最大水平正向位移位于工作面开切眼位置附近，左侧工作面采毕最大负向位移位于工作面终采线位置，右侧工作面采毕最大负向位移位于1煤右侧工作面靠近终采线位置。研究结果可为浅埋双煤层开采的相关研究与工程实践提供理论参考与实际借鉴。关键词：浅埋煤层；双煤层斜交开采；地表裂缝；地面塌陷；颗粒流中图分类号：TD325文献标识码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3521-09GroundsurfacefracturedevelopmentcharacteristicsofshallowdoublecoalseamstaggeredminingbasedonparticleflowHOUEnke，CONGTong，XIEXiaoshen，WEIJiangbo(CollegeofGeologyandEnvironment，Xi′anUniversityofScienceandTechnology，Xi′an710054，China)Abstract：ThesurfacesubsidencecausedbyshallowseammininginnorthernShaanxihasseriouslyaffectedtheecologicalenvironmentoftheminingarea.Comparedwithshallowsingleseammining，theoverburdendamageandfracturedevelopmentcausedbyshallowdoubleseamminingaremorecomplex.TakingN1206andN1114typicalworkingfacesinNingtiaotaCoalMineastheresearchobject，thispapersimulatedtheprocessofstaggeredmininginshallowdoubleseamandthedevelopmentofitsgroundfissurescharacteristicsbyapplyingtheparticleflowmethod.Theresultsshowedthatthereweremultiplesupwardanddownwardcracksintheareawheretheshallowdoubleseamstaggeredminingpillarslocated,andthesurfacesubsidencecurveofeachworkingfaceshowedagentleWtype.收稿日期：2019-06-10修回日期：2019-07-10责任编辑：施红霞基金项目：陕西煤业化工集团有限责任公司重大项目资助项目(2018SMHKJ-A-J-03)作者简介：侯恩科(1963—)，男，陕西扶风人，教授，博士生导师，主要从事矿山地质灾害防治与矿井水害防治等方面的教学和科研工作。E-mail：[e-mail]通信作者：从通(1995—)，男，陕西西安人，硕士研究生，主要从事矿山地质灾害防治方面的科研工作。E-mail：[e-mail]侯恩科等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013521013521-2Theratioofcrackgrowthrateof1coalminingand2coalminingwas1：3-1：2andtheratioofmaximumsubsidenceofsurfacewas1：7.Thecracksnearthecut-offandstoppinglineweredenseandtheywillcontinuoustoextenduntilsurface.Themaximumsubsidencewasnearthecut-inpositionoftheworkingfaceandthemaximumhorizontalpositivedisplacementofthesurfacewasnearthecut-inpositionoftheworkingface.Meanwhile,themaximumnegativedisplacementoftheleftworkingfacewasnearthestop-inlineoftheworkingface，andthemaximumnegativedisplacementoftherightworkingfacewasnearthestop-inlineofthe1coalface.Thisstudycanprovidetheoreticalreferenceandpracticalsignificancefortherelatedresearchandengineeringpracticeofgreenmininginshallowdoubleseam.Keywords：shallowcoalseam；doublecoalseamobliquemining；groundcrack；groundcollapse；particleflow陕北侏罗纪煤田作为世界七大煤田之一，具有煤层厚、层数多、埋藏浅、煤质优良且开采条件相对简单的特点。柠条塔煤矿高强度浅埋煤层开采引起的地面塌陷严重影响煤矿安全生产和矿区生态环境。目前，已有许多学者对浅埋煤层进行了研究。黄庆享等通过对浅埋煤层矿压特征的研究，总结出了浅埋煤层的定义；尹希文等采用相似材料模拟、微震实测、矿压监测等方法，研究了工作面覆岩变形破坏规律；范立民等通过实地调查和遥感解译的方法，对榆神府矿区采煤损害进行了分析研究，得出了浅埋煤层高强度开采区地裂缝发育的基本特征；谢晓深等通过无人机遥感对浅埋煤层开采引起的地表裂缝展布规律进行了研究，并利用数值模拟软件对采动引起的覆岩应力变化进行了分析；黄庆享等利用相似材料模拟和数值模拟对浅埋煤层群煤柱不同斜交开采覆岩破坏以及地表裂隙(同“地表裂缝”)发育规律进行了研究。相较于浅埋单一煤层开采，浅埋双煤层开采导致的覆岩破坏和地表裂缝发育机理更为复杂。目前基于颗粒流的浅埋双煤层开采引起覆岩破坏相关的研究不多，潘瑞凯等运用三维物理相似模型和PFC软件对浅埋近距离双厚煤层覆岩裂隙发育规律进行了研究，揭示了采后采区的漏风机制。笔者利用PFC软件对浅埋双煤层开采地表裂缝发育过程进行了研究，结果表明使用PFC软件进行煤层采动方面的研究是可行的，为PFC软件在此方面的研究提供了借鉴。1工作面概况以柠条塔煤矿N1114工作面和N1206工作面斜交区为研究对象，工作面平面图及研究区剖面线如图1所示。AA′N1114工作面N1206工作面剖面线A—A'630m图1工作面及研究区剖面线示意Fig.1MapoftheworkingfaceN1114工作面位于北翼1煤生产系统以东，开采1煤。工作面地表为黄土梁峁沟壑区，冲沟发育，地形破碎，地质构造简单。1煤总体近于水平，平均厚1.71m，结构简单。煤层顶板为中粒砂岩或粉砂岩，厚3.43～12.16m；底板为细粒砂岩或粉砂岩，厚0.34～16.48m。该工作面倾向长245m，走向长1922m，煤层埋深64～156m，其中基岩厚54～90m，土层厚10～90m。N1114工作面自2013年6月开始采煤，至2014年6月采煤完毕。N1206工作面倾向长300m，走向长2173m。地表为黄土梁峁沟壑区，冲沟发育，梁峁地形居多，地质构造简单。N1206工作面2煤埋深83～205m，土层厚10～100m，基岩厚73～125m。2煤总体近于水平，煤层厚4.20～6.18m，平均厚5.46m。工作面顶板为粉砂岩或细粒砂岩，厚6.83～15.87m；底板为细粒砂岩或粉砂岩，厚3.05～12.57m。N1206工作面自2013年8月开始采煤，于2014年7月采煤完毕，采高平均6.0m。根据钻孔数据以及岩石物理力学试验得出研究区地层物理力学参数见表1。2工作面斜交区裂缝发育特征如图2所示，N1206上部工作面边界发育的4～5侯恩科等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013521013521-3条裂缝和N1114工作面内的平行裂缝相交，N1114下部工作面边界发育的2～3条裂缝和N1206工作面内的平行裂缝相交，将地面切割成网格状。下坡坡面有2条塌陷槽分布，宽度1～2m，落差0.5～1.0m。12801320例裂缝0100200mN图13001300130013201300132013001300回撤通道回撤通道1320N1114工作面N1206工作面1208等高线及标高/m12801300图2N1206和N1114工作面斜交区地表裂缝分布示意Fig.2SchematicdiagramofsurfacecrackdistributionintheoverlappingareaofN1206andN1114workingfaces煤层斜交开采工作面地表裂缝发育范围大于工作面，工作面内发育台阶型裂缝，2煤裂缝大于1煤；工作面内裂缝平行排列，中部裂缝宽度和落差最大。随着工作面开采，地表平行裂缝宽度、落差呈现先增大后减小甚至闭合的变化规律。煤层开采方向与坡向相同时形成正台阶型裂缝，煤层开采方向与坡向相反时形成负台阶型裂缝。煤层开采方向与坡向相反时产生的裂缝宽度及落差明显大于开采方向与坡向相同时产生的裂缝。工作面最大裂缝为边界裂缝，包括开切眼裂缝、平行巷道的边界裂缝、终采线位置的边界裂缝。双煤层斜交区裂缝相互交错成网格状，裂缝长度、宽度、落差大于单煤层开采产生的裂缝。塌陷槽的数量增加，宽度和落差增大。重复采动下裂缝多次发育，1煤和2煤的裂缝相互组合形成塌陷槽，在不同地形下分布。表1地层物理力学参数Table1Stratigraphicphysicalandmechanicalparameter地层厚度/m容重/(kN·m)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)体积模量/MPa红土42.018.60.290.0300.7736.01146砂质泥岩15.025.634.70.7691.1541.0750粉砂岩21.624.231.90