近距離煤層上行開采的采動系數及巷道位置研究*

2019-05-17 02:24:32黃慶享宋號號錢萬學

陜西煤炭 2019年3期

黃慶享，宋號號，曹健，錢萬學，侯挺，聶謙

(1.西安科技大學能源學院，陜西西安 710054；2.陜西陜煤韓城礦業有限公司象山礦井，陜西韓城 715400)

0 引言

煤礦開采過程中，由于開采解放層、上煤層含水、采掘接續、小煤窯開采影響等原因，采用了上行開采方式，導致采空區上方遺棄有大量的可采煤層。研究上行開采覆巖垮落規律，確定垮落帶煤層及頂底板的完整性和可采性，確定合理的上行開采工作面巷道位置，對安全高效的上行開采具有重要意義。

劉天泉院士[1]基于不同巖性組合，提出了上行開采的可行性判斷方法；孫廣京[2]等采用釆動影響倍數法、三帶判別法、圍巖平衡法、數理統計法論證了上行開采的可行性；黃慶享[3]等通過物理模擬和理論分析，研究了條帶采空區上近距離煤層上行開采底板的穩定性；張恩強[4]等通過物理模擬，給出了下煤層開采頂板橫、縱裂隙發育寬度、高度和間距的確定方法；曲華[5]等用數值模擬方法分析了上行開采的應力分布與卸壓規律；張金海[6]等利用FLAC軟件給出了下層煤開采后上層煤的下沉量和下沉曲率，提出了應力升高和降低區位置；馮國瑞[7-8]等通過物理模擬，給出了上行開采層間巖層的結構特征；馬力強、汪理全等給出了圍巖平衡高度的求解公式[9-10]，認為上行開采不僅要考慮上、下煤層間隔巖層的巖性，還應考慮上煤層覆巖狀況；肖同強[11]等提出采場覆巖周期性斷裂拱，拱頂水平線是判斷上行開采的分水嶺。黃萬朋[12等基于下煤層釆動覆巖裂隙帶特征和集中應力分布，提出了上行開采的合理巷道位置。張春雷[13]等發現上行開采工作面具有大小周期來壓現象。

國外對于上行開采的可行性分析主要是基于層間距與采高的關系，研究結果具有差異性。如蘇聯的經驗認為緩傾斜煤層的采動系數K≥10，波蘭的研究經驗是K>6，中國的實踐經驗是K>7.5，說明不同的巖層性質對結果具有影響，需要具體研究[14]。

象山煤礦21305工作面位于下煤層采空區，間距17 m，屬于近距離煤層上行開采。其采動系數K為6.4，處于國內外可上行開采的臨界區間，值得具體研究。以此為背景，采用物理相似模擬和數值模擬，研究21503工作面覆巖垮落三帶規律，確定21305工作面上行開采的可行性，為類似開采提供借鑒。

1 開采條件及實驗設計

1.1 工作面概況

象山煤礦21503綜采工作面位于南一上山采區，屬5#煤層第三個綜采工作面，如圖1所示。工作面寬度180 m，推進長度839.3 m，設計采高2.8 m，煤層傾角3°，其上覆3#煤層未開采，兩煤層間距17～26 m，平均24 m。

圖1 21305工作面與21503工作面位置圖

1.2 物理相似模擬實驗設計

物理相似模擬采用平面模型(長×寬×高)為200 cm×18 cm×102.5 cm，模型幾何相似比αl=1∶100；重力相似比αγ=2∶3；位移相似比αs=1∶100；彈模、強度、粘結力相似比αR=αE=αC=αlαγ=1∶100。本次實驗以最小層間距17 m進行實驗，地層參數，見表1。實驗采用測力支架測定采場壓力，全站儀觀測巖層移動，照相和素描記錄破斷運動。

表1 煤巖物理力學參數

1.3 數值模擬模型設計

根據象山煤礦21305工作面地質條件，采用UEDC軟件進行計算，模擬寬度300 m，高度200 m范圍。工作面開采寬度180 m，兩側預留60 m邊界區。模型頂部為自由邊界，施加均布載荷模擬至地表壓力，模型底部和左右兩側為固定邊界。計算運用摩爾-庫倫屈服準則。

2 上行開采覆巖垮落規律物理模擬

2.1 上行開采覆巖走向垮落分帶特征

根據物理模擬，5#煤層21503工作面開采后，覆巖垮落可分為四帶，分別為冒落帶、強裂隙帶、弱裂隙帶、彎曲下沉帶。冒落帶高度為8 m；強裂隙帶發育高度為20 m，基本以3#煤層為界；弱裂隙帶發育高度為93 m；上部巖層處于彎曲下沉帶。工作面傾向兩側巖層破斷角平均60°，如圖2所示。

圖2 5#煤層開采后沿走向覆巖垮落狀況

根據模擬實驗，21503工作面開采后，除了初采段(左端)外，上部3#煤層基本處于均勻沉降，裂隙密度為5 m/條，煤層及頂底板完整性較好，可以進行上行開采。

2.2 覆巖及3#煤層傾向垮落與下沉規律

5#煤層21503工作面開采后，工作面傾向裂隙帶內3#煤層下沉曲線，如圖3所示，呈現對稱分布，3#煤層最大下沉量為1.9 m，下沉系數約為0.7。

圖3 采空區上部3#煤層傾向下沉曲線

21503工作面傾向垮落盆地邊緣形態，如圖4所示。覆巖傾向破斷角60°，在3#煤層位置形成自5#煤層邊界向采空區18 m的懸伸段，與該段相鄰為寬度15 m的傾斜離層帶，傾角為4.6°。傾斜離層帶處于下沉盆地邊緣的傾斜段，裂隙和離層較發育，3#煤層巷道布置應該避開傾斜離層帶。在傾斜離層帶之后，3#煤層及其底板進入下沉盆地底部，煤層及頂底板平整，是布置順槽的理想位置。但是，如此工作面將縮短66 m，煤柱損失較大。如果布置于懸伸段，3#煤層工作面可采寬度較大，煤柱損失小，但需避開集中應力的影響。

圖4 21503工作面覆巖傾向垮落狀態(邊界部分)

3 上行開采圍巖應力和垮落數值模擬

3.1 巷道周邊圍巖應力分布

數值模擬表明(圖5)，21503工作面回采后，在5#煤層邊界煤柱上覆圍巖中存在應力升高區，最大應力集中達18 MPa。工作面中部形成左右對稱分布的卸壓盆地，最小應力區域為2 MPa，頂板的垂直應力隨層位的升高而增大。

圖5 21503工作面采空區垂直應力分布

不同巷道位置的圍巖垂直應力分布的變化規律，如圖6所示，上煤層垂直應力與水平應力的變化，如圖7所示(內錯為負，外錯為正)。當巷道對齊布置時，上煤層垂直應力峰值達到10.5 MPa，水平應力峰值達到1.7 MPa；當巷道內錯布置時，上煤層垂直應力范圍為2～10 MPa，水平應力范圍為0.3～1.5 MPa，其中內錯10 m后垂直應力與水平應力均達到較小值；巷道外錯布置時，上煤層垂直應力為11～16 MPa，水平應力為2.0～4.5 MPa，外錯10～15 m垂直應力與水平應力均處于最大區域。