層間巖層厚度對上組煤的影響分析

王慶龍，楊永康，張智敏，張慧軍，何宏偉

(太原理工大學 a.原位改性采礦教育部重點實驗室，b.材料科學與工程學院，太原 030024)

上行開采時下組煤層的采動勢必對上組煤層及其頂底板造成一定的破壞[1]，因此要對上行開采的可行性進行分析。煤層的層間巖層厚度及巖層垮落特征對上組煤層能否安全開采起決定性作用[2-3]。實踐表明：層間巖層厚度越大，垮落后的巖層結構越穩定，上組煤層遭受到的破壞越小。但在實際生產中，層間巖層的厚度是不均勻的、變化的。探究層間巖層厚度的極限值及巖層垮落特征，是確保上行開采安全進行的關鍵[4-5]。

國內外學者在上行開采方面已經做了大量的研究工作。文獻[6]通過大量實例得出，下部煤層采動影響倍數K>6時，上行開采可以成功進行。文獻[7]借助數理統計法分析了大量開采實例，提出對煤層頂板進行分級，以判斷上行開采的可行性。前蘇聯學者對庫茲巴斯礦區上行開采實踐及研究進行了總結，認為上、下煤層滿足上行開采的最小層間距與下煤層的煤層厚度成正比。汪理全等[8-9]認為，上部煤層是否發生臺階錯動是上行開采的核心問題,所需圍巖高度與下煤層采高及巖石碎脹系數相關。馮國瑞[10]運用矢量分析法確定了關鍵層位置，認為巖層控制是上行開采的核心問題，并提出層間巖層存在塊體梁-半拱結構。

上述研究注重的是層間巖層的結構特征，而關于層間巖層厚度及巖層垮落特征對上組煤層影響的研究鮮見報道。大多礦井層間巖層厚度是不均勻的，即使都存在相同的層間關鍵層，所表現出的礦壓現象也大不相同，故層間巖層厚度及巖層垮落特征的影響不容忽視[11]。本文以山西省呂梁某礦上行開采的地質條件為背景，研究層間巖層厚度及巖層垮落特征對上組煤層的影響。

1 工程概況

呂梁某煤礦4號煤層，煤層厚1.5 m，傾角3°～5°；直接頂主要為泥巖、砂質泥巖，基本頂為中砂巖、粉砂巖，底板為泥巖或砂質泥巖。4號煤層全區可采，面積約5.251 7 km2，采用走向長壁后退式采煤法、垮落法處理采空區，至2010年基本被采空?，F預開采4號煤層2采區(稱為42采區)。42采區煤層厚1.4 m，煤層蹬空面積約1.963 8 km2.地質資料顯示，4號煤層與42采區煤層間的層間巖層厚度變化較大(8～31 m)，平均厚度18.2 m，主要由泥巖、砂質泥巖、砂巖構成。目前經鉆孔探測，最小厚度為10.2 m，最大厚度為28.2 m.

4207工作面是42采區首采工作面，該區域層間巖層厚度約18 m，蹬空區域面積較小。在該工作面開展工業性試驗，可為42采區其他工作面的可行性研究提供工程參考。

2 42采區蹬空開采可行性數值分析

為模擬4號煤層開采后42采區煤層及其頂底板漸進破裂直至失穩的過程，并考慮到材料性質的非均勻性，采用RFPA2D數值實驗系統建立4號煤層開采的數值計算模型。在4號煤層開采后，分析上組42采區煤層的破壞程度，以便判斷42采區煤層蹬空開采的可行性。

2.1 模型及方案

采用平面應變模型模擬層間巖層的運移過程。模型沿豎直方向取151 m；其中，4號煤層底板厚20 m，4號煤層與42采區煤層間距為18.2 m，42采區煤層頂板厚100 m.煤巖介質力學特性服從Weibull分布[12]，采用莫爾-庫侖判據作為單元破壞準則，煤巖殘余強度為0.1 MPa，殘余泊松比為1.1.約束模型的左、右水平位移，對模型底部約束水平位移和垂直位移。42采區煤層頂板距地表250 m，上部150 m厚的巖層以3.75 MPa的均布載荷代替。開挖4號煤層時，左右各留設100 m煤柱；每次開挖5 m，開挖高度為1.5 m，共推進120 m.數值計算模型如圖1所示。

圖1 層間巖層運移模擬模型Fig.1 Simulation model of interlayer rock migration

2.2 模擬結果及分析

圖2為采動影響下4號煤層層間巖層垮落的數值模擬結果。隨著工作面的推進，受開挖引起的卸荷膨脹變形的影響，直接頂巖層最先產生離層，繼而發生破斷、冒落。

工作面開挖至20 m時，巖層1、2隨采垮落。開挖至40 m時，關鍵巖層3在巖梁中部產生離層，同時巖梁兩端的剪應力和中部產生的拉應力產生損失累積；當損失累積達到一定程度后在巖梁兩端和下部產生宏觀裂隙，在重力作用下巖梁發生回轉和變形，下位巖層出現離層垮落，上位巖層彎曲下沉并同時帶動其控制的巖層4變形、破斷。當工作面推進至60 m時，巖層5和巖層6組成的巖梁的沉降值超出“假塑性巖梁”允許沉降值的范圍，并出現冒落，同時42采區煤層7出現離層現象。當工作面開挖至80 m時，關鍵巖層8及其上方所控制巖層出現輕微離層現象。當工作面推進距離為120 m時，42采區煤層頂底板巖層裂隙基本閉合，最大主應力集中在工作面推進方向；在回采過程中形成傳統的“三帶”，42采區煤層處于4號煤層裂隙帶與彎曲下沉帶的交界處。42采區煤層在4號煤層的開采穩定后，可以進行開采。

圖2 采動影響下4號煤層覆巖垮落的發展過程Fig.2 Development process of overlying strata under the influence of No.4 coal mining

3 層間巖層及其垮落對上組煤的影響

3.1 數值試驗方案

采用離散元UDEC數值模擬軟件，研究4號煤層上覆巖層的垮落特征。工作面模型簡化為平面模型，設定模型走向長度為260 m，兩側分別留80 m邊界煤柱，實際模擬工作面推進距離為100 m.模型沿垂直方向取121.5 m；其中，4號煤層厚1.5 m，底板厚20.0 m，頂板厚100.0 m.4號煤層實際埋深取250 m，在模型中以等效載荷代替上方150 m厚的巖層。等效載荷p按下式計算：

p=Hρg.

(1)

式中：H為上覆巖層的厚度，H=150 m；ρ為巖層密度，ρ=2 500 kg/m3；g為重力加速度，g=9.81 m/s2.

為探究層間巖層厚度及巖層垮落特征對上組煤層的影響，該模擬共設計3個方案：方案1，層間距為18.2 m；方案2，層間距為28.2 m；方案3，層間距為10.2 m.模型中，巖體物理力學參數和接觸面力學參數取鉆孔巖芯實測結果，圍巖本構關系采用摩爾-庫侖塑性模型，節理特性采用庫侖滑動模型[13]。模型上部為應力邊界條件，前后及兩側方向為水平位移約束，主要約束底部的水平位移和垂直位移。

3.2 數值模擬試驗結果及分析

方案1的模型及模擬結果如圖3所示，具體如下：

1) 工作面推進21 m時，在42采區煤層下方出現小范圍塑性變形區域。42采區煤層最大下沉量為40 mm，整體應力較小，此時42采區煤層幾乎未受到影響。

2) 工作面推進40 m時，采空區上方關鍵巖層下沉，巖層出現較多裂隙，42采區煤層也出現較少微小裂隙，在42采區煤層下方塑性變形區域面積增大。42采區煤層最大下沉量為120 mm，煤層受到的影響較小。

3) 工作面推進55 m時，開切眼處與工作面處及其上方塑性變形區域明顯增大，但42采區煤層仍未出現較大塑性變形區域，基本頂出現較小離層。42采區煤層最大下沉量為180 mm，此時42采區煤層受到較大影響。

4) 開挖結束時，42采區煤層下方塑性變形區域明顯增大，在42采區煤層上方巖層出現較大范圍塑性變形區域，但其變形量較小。4號煤層上覆巖層下沉量增大，并出現較多裂隙；在4號煤層采空區與煤柱交界處，出現了“懸空結構”。42采區煤層最大下沉量400 mm，煤層受到一定的影響。

圖3 層間巖層厚度為18.2 m的模型及結果Fig.3 Model and result of interlayer rock thickness 18.2 m

方案2模型如圖4(a)所示，開挖結束時圍巖塑性變形如圖4(b)所示。相比于方案1，42采區煤層上下方巖層產生塑性變形的區域面積減小，且變形較??；4號煤層采空區邊界塑性變形區域增大。42采區煤層最大下沉量270 mm，煤層的完整性、連續性受到的影響較小。

圖4 層間巖層厚度為28.2 m的模型及結果Fig.4 Model and result of interlayer rock thickness 28.2 m

方案3模型如圖5(a)所示，開挖結束時圍巖塑性變形如圖5(b)所示。層間巖層以及42采區煤層有大范圍塑性變形區域，并且破壞程度較大；4號煤層采空區上方巖層下沉量較大。42采區煤層下沉量最大值約1.01 m，煤層出現臺階下沉，受到的破壞較嚴重。

圖5 層間巖層厚度為10.2 m的模型及結果Fig.5 Model and result of interlayer rock thickness 10.2 m

由上述模擬實驗可知：當層間巖層厚度為18.2 m時，42采區煤層處于4號煤層裂隙帶，層間巖層結構遭受破壞后仍具有較強的承載能力；42采區煤層上下方巖層有一定的破壞變形，加強支護等措施后，42采區煤層可進行開采；值得注意的是，4號煤層采空區與煤柱交界處出現了懸空結構，在開采42采區煤層時，應采取采空區注漿充填或調斜工作面等措施，快速通過該邊界。層間巖層厚度為28.2 m時，42采區煤層處于4號煤層裂隙帶與彎曲下沉帶的交界處，所受影響較小，此時可開采42采區煤層。當層間巖層厚度為10.2 m時，42采區煤層處于4號煤層規則垮落帶與裂隙帶的交界處，層間巖層結構已折斷垮落，失去承載能力。

4 工業試驗

基于上述數值模擬實驗可知，當4號煤層與42采區煤層層間巖層厚度大于18.2 m時，42采區煤層是可采的?，F對該礦開展工業性試驗以驗證模擬結果。在4207工作面推進之前，在蹬空區域兩順槽分別鉆孔窺視，如圖6所示，可看到層間巖層結構連續性、完整性較好，出現輕微離層。在4207工作面的推進過程中，采取底板注漿并調斜工作面，對該工作面進行礦壓監測。結果表明：當4207工作面完全處于非蹬空區域或蹬空區域時，與正常下行開采時的礦壓顯現無異；當4207工作面經過下方采空區邊緣時，支架載荷急速增加至3 223 kN，但仍在正常范圍內，整個過程未出現片幫、臺階下沉等礦壓異?，F象。

圖6 4207工作面底板窺視Fig.6 4207 work surface floor peep

5 結論

1) 呂梁某礦4號煤層與42采區煤層間的層間距為18.2 m時，42煤層處于4號煤層的裂隙帶，4號煤層采空區與煤柱交界處上方出現懸空結構。這對42采區煤層開采構成一定的安全隱患，需提前充填采空區并加快推進速度以便安全通過。

2) 層間巖層厚度為28.2 m時，42采區煤層處于4號煤層裂隙帶與彎曲下沉帶的交界處，42采區煤層底板出現輕微塑性變形。此時42采區煤層的完整性、連續性受到的影響較小，可對其進行上行開采。

3) 當層間巖層厚度為10.2 m時，42采區煤層處于4號煤層規則垮落帶與裂隙帶的交界處。此時4號煤層的開采對42采區煤層及其頂底板造成嚴重破壞，因此不建議對42采區煤層進行開采。

4) 當層間巖層厚度為10.2～18.2 m時，42采區煤層處于4號煤層裂隙帶，但裂隙較為發育。此時需采取一系列安全技術措施或延長間隔時間，方可進行開采。