某礦近距離淺埋煤層房采區(qū)下層煤開采巖層運移分析

張華偉

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司雙柳煤礦)

某礦為典型的侏羅紀煤田淺埋多煤層群生產(chǎn)礦井[1-2]。隨著該礦2-2#煤層資源逐漸匱乏，目前礦井生產(chǎn)逐漸向其下部的3-1#煤層轉(zhuǎn)移。在3-1#煤層開采準備過程中，綜采工作面的合理布置受到2-2#煤層區(qū)段煤柱和房柱式采空區(qū)不同集中壓力的影響[3-4]。本研究針對3-1#煤層開采過程中的圍巖運移特征進行數(shù)值模擬分析，為該煤層安全回采提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

某礦綜采工作面主采3-1#煤層，其巷道均布置在該煤層中。3-1#煤層首采面為3301工作面，設(shè)計傾向長度200 m，走向長度2 260 m[5]。3301工作面的推進需經(jīng)過其上部2-2#煤層3類區(qū)域：①未采動區(qū)，位于房柱式開采區(qū)域東部到井田開采邊界處，走向長度為418 m；②房柱式采空區(qū)，位于2306工作面東側(cè)133～550 m區(qū)域，位于2306工作面和未采動區(qū)之間，房柱式開采區(qū)域走向長度為195 m，工作面長度為268 m；③2306長壁開采區(qū)，2306工作面長度為268 m，采高4 m，走向長度為1 820 m[5]。

2 試驗方案

試驗內(nèi)容為：①2-2#煤層采用房柱和長壁開采方式，3-1#煤層采用長壁開采方式，模擬分析3-1#煤層工作面在房區(qū)下開采時的頂板來壓特征；②模擬研究3-1#煤層在2-2#煤層房柱區(qū)下開采時上覆巖層的運動規(guī)律以及裂隙發(fā)育特征；③分析3-1#煤層長壁開采出上部2-2#煤層房柱式采空區(qū)間隔煤柱時的來壓特征。

結(jié)合該礦覆巖與煤層的實際條件，確定設(shè)計模型與實際的幾何比為1∶100，容重比為2∶3。試驗采用平面應(yīng)力模型，模型長寬分別為5 m和0.2 m。本研究構(gòu)建的試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。基巖層上部較厚的風(fēng)化層重量采用同等重量的鐵磚鋪設(shè)于其上部進行代替[6-7]。按設(shè)計要求在建模初期鋪設(shè)壓力傳感器，采用光學(xué)全站測量儀和百分表進行數(shù)據(jù)采集。

圖1 試驗?zāi)Ｐ褪疽?單位：cm)

3 試驗分析

3.1 工作面頂板來壓特征

為確保模擬試驗結(jié)果的準確性，按照該礦的實際生產(chǎn)條件進行模型搭建。模型搭建完畢后擱置數(shù)日，待風(fēng)干后按照一定的時間比例進行試驗開挖。首先進行2-2#煤層140 m房柱區(qū)和100 m長壁采動區(qū)開挖。模型左右兩側(cè)均留設(shè)30 m邊界煤柱，工作面由左至右進行推進。

當工作面推過2-2#煤層未采動區(qū)后進入140 m的房柱采空區(qū)范圍，當開挖進入房柱采空區(qū)10 m處時，頂板再次垮落，即進入房柱采空區(qū)的第1次頂板來壓。期間垮落8層巖層，厚度為12 m，破斷角約55°。裂隙發(fā)育至距離3-1#煤頂板62.5 m處，來壓步距為13.5 m。

裂隙隨著工作面的推進逐漸向上發(fā)育至2-2#煤層未采區(qū)，導(dǎo)致2-2#煤層與其頂板發(fā)生整體下沉，由于受工作面超前應(yīng)力及上覆巖層重量的雙重影響，煤柱開始出現(xiàn)塑性變形，試驗開挖過程中沿工作面方向前2個煤柱兩側(cè)有明顯的掉渣現(xiàn)象。

隨著3-1#煤層工作面不斷向前推進，頂板隨采隨落。當開挖至房柱采空區(qū)下24 m時，頂板再次來壓，即老頂在房柱采空區(qū)下的第2次周期性來壓，來壓步距14 m，破斷角約60°。裂隙發(fā)育至距離2-2#煤層房柱采空區(qū)邊界8.5 m處，房柱采空區(qū)內(nèi)前方煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，間隔一段時間后，失穩(wěn)的煤柱無法承受上覆巖層重量，2-2#煤層上覆巖層出現(xiàn)下沉，距房柱采空區(qū)與未采區(qū)邊界42.2 m處出現(xiàn)超前裂隙并沿此垮落，超前裂隙角約62°，從而導(dǎo)致沿下煤層工作面推進方向的連續(xù)7個煤柱發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)煤柱群的“多米諾骨牌”失穩(wěn)效應(yīng)。

當工作面推進至房柱采空區(qū)下36 m時，房柱采空區(qū)下老頂發(fā)生第3次周期來壓，巖層沿工作面后方破斷，破斷角約69°，來壓步距為12 m，裂隙超前發(fā)育至距工作面水平距離1.2 m處的2-2#煤層底板。當工作面開挖至房柱采空區(qū)下54 m時，房柱采空區(qū)下老頂發(fā)生第4次周期來壓，直接頂首先冒落，冒落高度為2 m，長度為9 m，隨后整體垮落，來壓步距為18 m，巖層破斷角約53°。當工作面推進至房柱采空區(qū)下60 m時，頂板發(fā)生冒落，冒落高度為0.8 m。2-2#煤層上覆巖層頂板出現(xiàn)臺階下沉。前8個煤柱被全部壓碎，頂板垮落距為40.2 m。沿工作面方向前端垮落裂隙貫通至地表，垮落角度約為58°，后端裂隙發(fā)育高度達12 m，裂隙角約59°。當工作面開挖至房柱采空區(qū)下72 m時，房柱采空區(qū)下發(fā)生老頂?shù)?次周期來壓，懸露的頂板垮落，垮落高度為7.2 m，垮落角約70°，來壓步距為18 m。巖層裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，9#～12#煤柱發(fā)生了剪切破壞。

當工作面開挖至房柱采空區(qū)下86 m時，老頂發(fā)生第6次周期來壓，來壓步距為14 m。工作面后方頂板垮落長度為10 m，裂隙發(fā)育至2-2#煤層14#煤柱處，垮落角為58°。2-2#煤層上覆巖層裂隙繼續(xù)向上和向前發(fā)育，再次導(dǎo)致煤柱群出現(xiàn)“多米諾骨牌”失穩(wěn)效應(yīng)，頂板整體垮落，破斷角為59°，出現(xiàn)第2次臺階下沉，14#煤柱發(fā)生剪切破壞。當工作面開挖至房柱采空區(qū)下102 m時，老頂發(fā)生第7次周期來壓，來壓步距為16 m，破斷角為60°，2-2#煤層上覆巖層出現(xiàn)斷裂臺階，10 m煤柱發(fā)生小范圍的剪切破壞。

當工作面開挖至房柱采空區(qū)下114 m時，老頂發(fā)生第8次周期來壓，來壓步距為12 m，垮落角為70°，7 m煤柱以45°角發(fā)生剪切破壞，緊隨其后的4個煤柱全部發(fā)生失穩(wěn)破壞。2-2#煤層頂板超前3-1#煤層工作面8 m發(fā)生破斷，破斷角為70°，其上覆巖層內(nèi)部產(chǎn)生斷裂臺階。當工作面開挖至房柱采空區(qū)下126 m時，房柱采空區(qū)下老頂發(fā)生第9次周期來壓，來壓步距為12 m，破斷角為55°。2-2#煤層房柱采空區(qū)裂隙發(fā)育至15 m間隔煤柱邊界，頂板產(chǎn)生彎曲下沉。

3.2 房柱采空區(qū)下開采覆巖裂隙發(fā)育狀態(tài)特征

受3-1#煤層采動影響，2-2#煤層房柱采空區(qū)遺留煤柱遭受失穩(wěn)破壞，加之房柱式采空區(qū)的影響，覆巖裂隙范圍將進一步擴大。在整個房柱區(qū)下，隨著工作面不斷向前推進，采場周圍頂板發(fā)生周期破斷，形成了裂隙超前發(fā)育區(qū)；2-2#煤層房柱采空區(qū)與未采區(qū)邊界上方的巖層處于頂板斷裂邊界，隨著3-1#煤層工作面的采動影響，在一段時間內(nèi)產(chǎn)生的裂隙不會閉合，形成的與工作面成一定傾角的裂隙區(qū)，稱為裂隙暫時發(fā)育區(qū)；隨著工作面向前推進，其后方采空區(qū)達到充分采動，3-1#、2-2#煤層已采段上覆巖層之間的裂隙基本被壓實，該區(qū)域稱為裂隙壓實區(qū)。在裂隙發(fā)育區(qū)與壓實區(qū)之間，覆巖裂隙趨向于閉合狀態(tài)，形成了傾斜于工作面推進方向的裂隙閉合區(qū)。因此，沿工作面由左至右的推進方向，覆巖裂隙發(fā)育區(qū)可分為裂隙暫時發(fā)育區(qū)、裂隙閉合區(qū)、裂隙壓實區(qū)和裂隙超前發(fā)育區(qū)(圖2)。

圖2 房柱采空區(qū)下開采覆巖裂隙區(qū)分布

3.3 工作面采出間隔煤柱時的頂板來壓特征

當3201工作面開挖至間隔煤柱下方時，通過觀測發(fā)現(xiàn)工作面并無明顯的礦壓顯現(xiàn)。當工作面采出上層2-2#煤層間隔煤柱后，進入充分采動區(qū)下8 m時，工作面上覆巖層出現(xiàn)整體下沉，沿著工作面煤壁突然切落，礦壓非常強烈，地表下沉4.3 m；3-1#煤層上方裂隙超前工作面4.5 m發(fā)育，破斷角約65°，上覆巖層整體在垮落過程中發(fā)生錯動剪切破壞，形成了6 m寬的破碎帶。

3201工作面向前推進過程中，間隔煤柱附近的2-2#煤層上覆關(guān)鍵層巖塊之間以及長壁采動區(qū)垮落巖塊之間的縫隙逐漸閉合，表明關(guān)鍵巖塊之間發(fā)生了回轉(zhuǎn)運動，當兩巖塊回轉(zhuǎn)到一定程度時，致使傳遞到下部關(guān)鍵層的載荷過大，下部關(guān)鍵層的破斷巖塊形成的鉸接結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落失穩(wěn)，最終造成下煤層關(guān)鍵塊體上載荷急劇增加，整個過程的持續(xù)時間非常短暫。

3.4 房柱采空區(qū)下開采礦壓規(guī)律

3201工作面推進過程中，工作面前方出現(xiàn)了支承壓力區(qū)，上下2層煤層之間存在較大間距，模型傳感器顯示的壓力變化較明顯。當工作面推進至房柱采空區(qū)下時，老頂處于周期來壓期間，由于上部2-2#煤層采用房柱式開采，當工作面推進進入房柱采空區(qū)24 m ，即在房柱采空區(qū)下發(fā)生第2次周期來壓時，2-2#煤層煤柱發(fā)生了失穩(wěn)破壞，上覆巖層中的應(yīng)力得到一定程度釋放，位于3-1#煤層底板上的壓力傳感器數(shù)據(jù)顯示房柱采空區(qū)下的壓力比初始值有所減小，而在工作面煤壁前方的應(yīng)力集中程度增加，出現(xiàn)峰值。當工作面推進進入房柱采空區(qū)36 m時，房柱采空區(qū)下老頂發(fā)生第3次周期來壓。

隨著工作面繼續(xù)推進，房柱采空區(qū)壓力的變化規(guī)律為先減小后增加，主要表現(xiàn)為開采過程中底板首先卸壓，然后隨著上覆巖層的垮落壓實壓力逐漸增加。當工作面推進進入房柱采空區(qū)86 m時，老頂發(fā)生第6次周期來壓。

下煤層工作面依次向前開挖的過程中，房柱采空區(qū)下老頂也逐次發(fā)生周期性來壓，來壓期間3-1#煤層底板壓力峰值均在35 kPa左右。當工作面開挖出間隔煤柱8 m時，頂板大面積切落，上覆巖層壓力突然釋放，造成工作面壓架事故。工作面煤壁前方應(yīng)力集中增加，應(yīng)力約為上述周期來壓時1.6倍，應(yīng)力集中程度相對較高。此時壓力傳感器數(shù)據(jù)變化如圖3所示。

圖3 工作面開挖出間隔煤柱8 m時的頂板壓力分布

下煤層工作面在房柱區(qū)下開采時，在前段小煤柱集中區(qū)域中，工作面老頂連續(xù)發(fā)生周期性來壓，來壓過程中礦壓顯現(xiàn)較明顯，工作面實際生產(chǎn)過程中需要增加支架的支護強度。當工作面開挖出間隔煤柱8 m時，頂板發(fā)生大面積切落，礦壓顯現(xiàn)強烈，上覆巖層應(yīng)力瞬間被釋放，造成工作面支架受壓嚴重，甚至被壓死，在工作面煤壁前方形成了較大的應(yīng)力集中，峰值與其他次周期來壓時相比明顯加大，開采難度相對增大。因此，與淺埋單一煤層相比，近距離淺埋煤層工作面在房柱區(qū)下開采時，工作面支護需要增加液壓支架的工作阻力，提高支護強度，必要時應(yīng)采取有效卸壓措施預(yù)防頂板災(zāi)害事故發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1)在3-1#煤層工作面推進至房柱區(qū)下直至推出房柱區(qū)的過程中，老頂共發(fā)生9次周期來壓，平均來壓步距約15 m，小于未采區(qū)下來壓步距，由于受到上部房柱采空區(qū)殘留煤柱在底板巖層中形成的應(yīng)力集中作用，來壓強度相比在未采動區(qū)下大。煤柱失穩(wěn)破壞引起2-2#煤層上覆巖層下沉垮落，裂隙超前發(fā)育，最終可能誘發(fā)煤柱群的“多米諾骨牌”失穩(wěn)效應(yīng)，巖層發(fā)生垮落并出現(xiàn)下沉臺階。

(2)3201工作面采出15 m間隔煤柱時，2-2#煤層上覆關(guān)鍵層巖塊之間發(fā)生回轉(zhuǎn)運動，使傳遞到下部關(guān)鍵層的載荷過大，形成的鉸接結(jié)構(gòu)發(fā)生滑落失穩(wěn)，覆巖整體沿工作面煤壁破斷線切落，積聚的能量得到突然釋放，造成工作面支架被壓死等動力災(zāi)害。

(3)沿著3201工作面的走向方向，隨著采場上覆巖層的運動，裂隙發(fā)育區(qū)可劃分為裂隙暫時發(fā)育區(qū)、裂隙閉合區(qū)、裂隙壓實區(qū)和裂隙超前發(fā)育區(qū)。

(4)3201工作面采出15 m間隔煤柱時，2-2#煤層上覆關(guān)鍵巖塊的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)是造成工作面發(fā)生動壓事故的原因之一。