殘留煤柱回收時礦壓顯現規律研究

付云貴

(山西潞安集團 潞寧孟家窯煤業有限公司)

上世紀八九十年代，由于開采水平的限制以及煤炭行業的不景氣，許多小煤窯采用房式或巷柱式等落后開采方式，遺留了大量的煤炭資源，造成了資源嚴重浪費[1]。為回收此類遺留煤炭資源，必須進行復采，由于復采區域存在大量的空巷、空區，造成了一定的資源回收困難，尤其是礦壓顯現規律，與采實體煤時的規律不一致，是復采研究中必須解決的問題。

在殘煤復采礦壓顯現規律研究方面，張勇[2]現場測量得出復采工作面來壓步距比正常工作面來壓步距較短，來壓強度較大，且支架支柱載荷不平衡，礦壓顯現更明顯。李建平[3]運用相似材料試驗得出復采工作面存在礦壓顯現較強烈的現象，尤其是工作面過空巷時尤為顯著。張振林等[4]通過對采用刀柱式遺留煤柱回收時礦壓顯現規律進行理論分析，得出復采工作面與普采工作面的礦壓顯現規律有區別也有聯系，且支架支撐力經歷高壓與低壓交替出現現象。本文以某整合煤礦3101復采工作面為研究背景，運用數值模擬、現場實測方法對房式開采遺留煤柱回收時礦壓顯現規律進行研究，為遺留煤柱回收提供一定理論依據。

1 工作面概況

某整合礦3101復采工作面為正在回采工作面，主要為回收之前小煤窯房式開采所遺留煤柱，該工作面地面標高為+1 106～+1 180 m，工作面所在處標高為+950～+1 035 m，工作面平均埋深約150 m，主要回采3#煤層，煤層平均厚2.5 m，傾角為6°～8°，平均為7°，屬于近水平煤層，煤層頂板為細砂巖、炭質泥巖、中砂巖；煤層底板主要為泥巖，煤層中含有厚度不均勻的夾矸，夾矸最厚處為0.1 m，可直接與煤一同采出，煤層中存在個別斷層，但斷層落差較小，不會影響安全回采，影響安全回采的主要因素為工作面前方存在空巷空區，揭露時可能會遇到老坑積水或瓦斯涌出，必須采取一定的安全措施。工作面頂底板特征見表1。

表1工作面頂底板特征

2 遺留煤柱回收數值模擬

2.1 模型建立

為研究遺留煤柱回收時礦壓顯現規律，以3101復采工作面為背景，采用UDEC離散元軟件建立數值模型。模型尺寸為136 m×24.3 m(長×高)，長度方向為工作面推進方向，高度方向為垂直方向，模型共2 931個單元，包含3 682個網絡節點，含有14 252 條節理。模型上邊界為應力邊界，應力為上覆巖層重力產生載荷，為3.75 MPa，模型兩邊以及下部邊界為速度邊界且限制速度為零，房式開采遺留的煤房寬度為4 m，遺留的煤柱寬度為6 m。建立的數值模型見圖1，模型中各巖層力學參數及節理面力學參數分別見表2、表3。

圖1 數值模擬計算模型表2 各巖層力學參數

巖層名稱彈性模量/GPa泊松比μ抗拉強度/MPa內摩擦角/(°)黏聚力/MPa細砂巖8.90.284.828.85.3炭質泥巖7.90.263.925.15.6中砂巖8.70.273.826.64.5煤層1.50.351.524.91.6泥巖4.60.221.927.62.5

表3 各巖層節理面力學參數

本次數值模擬采用Mohr-Coulomb屈服破壞準則，其判別式為[5]

(1)

ft=σ3-σ1.

(2)

式中，fs為巖體單軸抗壓強度，Pa;ft為巖體抗拉強度,Pa；σ1、σ3分別為材料所受最大和最小主應力，Pa；C為材料黏聚力，Pa；φ為材料內摩擦角，(°)。

正常情況下，巖體的抗拉強度一般都較低，因此，當ft>0時，煤巖體會發生拉伸屈服破壞狀態；當ft<0時，煤巖體會發生剪切屈服破壞狀態[6]。

2.2 數值模擬結果分析

將模型進行計算平衡后，先對模型進行房式開采模擬，對模型煤柱進行回收，每次模擬開挖煤柱為2 m，3次開采循環后即可完成一個煤柱的回采。圖2為工作面推進不同距離情況下上覆巖層垮落情況。

由圖2(a)可看出，當工作面推進到18 m時，即第二個煤柱回采4 m，由于房式開采遺留煤柱存在支撐作用，工作面直接頂和老頂沒有發生明顯的彎曲下沉以及垮落情況，上覆巖層完整性較好，且支架沒有發生明顯下沉；當回采工作面推進到20 m(圖2(b))，即第二個煤柱完全回收后，采空區與遺留煤房打通，工作面頂板變成大面積懸頂狀態，頂板發生大面積垮落，支架支柱下沉量較大，且出現支架傾斜狀態，工作面頂板出現初次來壓現象，來壓顯現強烈，加上第二個煤柱前方的4 m寬煤房，來壓步距為24 m；工作面出現初次來壓后，繼續對工作面進行回采，當工作面推進到28 m(圖2(c))，即第三個煤柱回采4 m時，支架上覆頂板巖層出現下沉情況，但下沉距離較小，支架支柱出現下沉狀態，下沉距離較小，工作面未出現來壓狀態；當回采工作面推進到30 m(圖2(d))，即第三個煤柱完全回收后，工作面頂板懸頂距離突然由8 m變為14 m，支架載荷顯著增加，支架支柱發生下沉，但較頂板初次來壓時下沉量較小，說明此時支架載荷小于初次來壓時支架載荷，頂板發生垮落，工作面頂板出現周期來壓現象，加上第三個煤柱前方的4 m寬煤房，周期來壓步距為10 m。

圖2 工作面推進不同距離時上覆巖層垮落情況

3 遺留煤柱回收時工作面礦壓實測

該礦3101工作面在2016年7月布置完成并開始回采，為得到工作面礦壓顯現規律，分析工作面初次來壓步距與周期來壓步距，運用支架阻力儀對工作面推進過程中的支架阻力進行實測，選取工作面推進到50 m過程中的支架阻力數據制作成圖3，圖中，煤房為舊房式開采所遺留的空區，煤柱為3101工作面所需回收煤柱。可以看出，當工作面回采第一個煤柱時，支架工作阻力變化平穩，最大工作阻力為7 520 kN，工作面未出現來壓現象；當工作面全部回采完第二個煤柱時，支架工作阻力瞬時變大，最大工作阻力為11 900 kN，此時工作面發生初次來壓，加上第二個煤柱前方的4 m寬煤房，因此,初次來壓步距為24 m；隨著工作面繼續推進，當工作面回收完第三個煤柱時，支架工作阻力變大，但較工作面初次來壓時小，為8 950 kN，此時工作面發生周期來壓現象，加上第三個煤柱前方的4 m寬煤房，因此,周期來壓步距為10 m，約為初次來壓步距的1/2。

4 結 論

(1)經數值模擬與現場實測可以得出,某整合礦3101工作面初次來壓步距約24 m，周期來壓步距約12 m，周期來壓步距為初次來壓步距的1/2。

圖3 支架工作阻力曲線

(2)運用UDEC離散元軟件模擬得出房式開采遺留煤柱回收時的工作面初次來壓步距、周期來壓步距與現場實測結果一致，驗證了數值模擬方法可有效用于遺留煤柱回收時的工作面初次來壓與周期來壓步距計算中。