混合殘采區復采上覆巖層應力時空演變特征研究

王 昆，唐海波，劉大鵬，徐忠和

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024；2.承德石油高等專科學校，河北 承德 067000；3.煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030001)

大部分鄉鎮煤炭企業在2009年煤企兼并組合政策出臺之前都是獨立生產作業的，其采掘設備的先進性遠遠落后于國有煤礦，這些礦井主要通過房式和巷式方法進行采煤，造成煤炭剩余資源過大，也導致煤企整合后無法布置長壁工作面進行機械化采煤[1-3]。舊采工作面埋深較淺，如果不對舊采形成的采空區進行有效處理，則地表水以及工作面覆巖含水層容易通過采動引起的裂隙群滲流到采空區，從而引起更為強烈的地質災害[4-5]。舊式采煤法開采形成的資源煤質優良，經濟價值高[6-7]，殘煤復采對提高煤企經濟效益以及煤炭回收率均具有重要意義。山西某礦井舊采區為房式和巷式混合殘采區，本文以此為背景，進行了復采面與房式殘采區斜交布置房式開采的三維相似模擬研究，從而得到工作面斜交過房式殘采區引起的覆巖礦壓演變規律，評價其布置的合理性，然后對工作面斜交過巷式殘采區引起的礦壓分布特征進行數值模擬研究，綜合評定混合殘采區復采上覆巖層應力時空演變特征,為混合殘采區合理開采方式研究提供依據。

1 房柱式殘煤復采的三維相似模擬試驗

1.1 開采方案建立

該礦井3號煤層是特厚煤層，厚度平均為4.2 m，為穩定可采煤層。該煤層直接頂巖層以泥巖和粉砂巖為主，基本頂主要為泥巖和細粒砂巖互層，底板巖層主要是粉砂巖。3號煤層結構簡單，為全區穩定可采煤層。礦井整合前開采方式為房柱式和巷式，其開采特點主要表現為采富棄貧、采易棄難，開采范圍很不規則造成了大量的煤炭資源浪費。

劉大鵬等[8-9]通過數值模擬和相似模擬結合的方法研究了復采工作面平行過房式殘采區對圍巖的擾動規律，研究得到當復采工作面采用這種方式布置時采場過空巷過程中頂板大范圍垮落以及壓架事故發生的概率極大。為了保證殘煤復采的安全可靠程度以及保證煤炭資源盡可能高的回收率，提出復采工作面45°斜交過房式殘采區的方案，房柱尺寸為25 m×30 m，房寬為10 m。本次試驗應力測點主要布置在待采煤層上部10 m和30 m層位的頂板處，分別用來監測直接頂和基本頂巖層的應力變化情況。不同層位巖層應力測點布置方案見圖1。

1.2 直接頂巖層應力演化規律

與正常綜采比較，房式殘采區復采過程中引起的礦壓分布特征更為復雜，直接頂的垮落更為破碎，而且在工作面推進過程中直接頂會發生多次的垮落，垮落步距在12～17 m之間，同時伴隨2～5 m小范圍內的垮落。其垮落特征如圖2所示。

s1點在直接頂兩次垮落過程中應力變化特征如圖3所示。當直接頂第一次垮落時，作用在工作面支撐煤柱上的應力從11.5 MPa增加到12 MPa，這是因為s1點位于工作面邊緣，直接頂垮落使老頂裸露部分增大；當直接頂第二次垮落時，應力從12 MPa增加到13 MPa。由此可見，復采過程中直接頂垮落前后，工作面前方頂板應力值增加迅速，由于兩次垮落步距較為接近，故認為應力增大速率和增幅與直接頂垮落范圍呈現出線性正相關關系。

圖1 應力測點布置方案示意圖

Fig.1 Schematic diagram of stress measuring point arrangement

圖2 復采過程中直接頂垮落特征示意圖

Fig.2 Characteristic sketch of direct roof spanning and falling in the process of remining

圖3 測點s1應力變化特征示意圖

Fig.3 Characteristics sketch of stress changes at measuring point s1

在試驗過程中還發現采場直接頂垮落并不會對老頂位移產生顯著影響，由此可得，在直接頂垮落前就與上覆老頂巖層間發生離層，即對老頂不會形成支撐。

圖4 頂板垮落的具體位置及尺寸示意圖

Fig.4 Drawing of the specific positions and sizes of roof fall

1.3 完整的復采過程中頂板應力時空演化特征

復采面推進至中部出現最大空頂距前后，頂板應力變化較明顯，期間頂板共發生4次垮落。結合應力變化特征對此過程進行分析，4次垮落具體發生的位置如圖4所示。由圖4可知，直接頂和基本頂的初次垮落步距分別為17 m和56 m。頂板垮落形態如圖5所示。

工作面推進中頂板測點s2和測點s3應力變化特征如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，當復采工作面推進至60 m時，測點s2應力值開始下降，由14 MPa下降到13.5 MPa，此時煤層上方實際10 m范圍開始運移。當推進距離為65 m時，測點s2應力值迅速從13.5 MPa減小至13.0 MPa， 頂板第一次垮落。在這個過程中測點s3的應力變化程度較小。

在頂板4次垮落的過程中，基本頂應力值變化曲線如圖6(b)所示。當復采工作面推進至40 m的過程中，測點s5的應力變化極小，幾乎不受采動的干擾，當推進距離在40～55 m之間時，應力從15 MPa減小到了13 MPa。在整個復采過程中，測點s6的應力變化極小，從頂板初次垮落到開采結束，應力才呈極緩慢的增大趨勢，這是因為該測點位于采場隔離煤柱邊緣位置。

測點s7應力波動范圍較大。在頂板發生2次垮落過程中，測點s7應力表現為先增后減的特征，最小為12.5 MPa，最大為13.5 MPa。而頂板發生2次垮落和3次垮落的間隔很小，復采工作面僅推進了1刀，3次垮落和2次垮落過程中該測點應力變化特征相同。

在房式殘采區復采過程中，舊采區留設煤柱從邊緣到內部可劃分為松散區域、過渡區域和彈性區域[10]。松散區域受采動引起的礦山壓力影響最為顯著，其失穩特征主要表現為破斷和片幫等，該區域深度最大可達2 m，如圖7所示。由圖7可知，在接近采場推進方向的一側煤壁上方松散現象更為顯著，說明該位置所受的礦山壓力更為明顯。

圖5 頂板垮落形態示意圖

Fig.5 Sketch map of roof spanning and falling form

圖6 測點應力變化特征示意圖

Fig.6 Characteristics diagram of stress changes at measured points

圖7 煤壁破壞特征示意圖

Fig.7 Characteristics sketch of coal wall failure

1.4 復采過程中煤柱穩定性演變特征研究

復采采動引起的礦山壓力對留設煤柱的主要影響特征表現為邊角煤體大范圍的垮落，該位置煤柱受到了明顯的應力集中作用，垮落特征如圖8所示。從煤柱垮落的厚度來看，應力集中區域的范圍與煤柱邊角垮落范圍大致相同。由此可以得到煤柱邊緣破碎區域范圍為邊緣2 m范圍、四角6 m范圍。在房式殘采區復采過程中要選擇合理的支護距離和控頂距，以避免冒頂現象的發生。

2 復采工作面與殘采區合理斜交角度的研究

本次相似模擬主要進行了復采工作面45°斜交過房式殘采區覆巖應力時空演化和穩定性變化特征的研究，從結果來看，該布置方式有效避免了復采過采空區引起的架前頂板垮落事故，采場上覆巖層表現為分步小范圍垮落的特征。

圖8 煤柱邊角處的應力集中區域示意圖

Fig.8 Schematic diagram of stress concentration area at the edge and corner of coal pillar

圖9 不同推進距離下覆巖應力分布特征

Fig.9 Stress distribution characteristics of overburden rock under different propulsion distances

從覆巖垮落特征角度來看，在整個殘煤復采過程中，頂板共出現了4次垮落現象，前2次垮落范圍較小，破斷位置處于復采工作面左右兩側，第3次垮落的覆巖厚度較大，而最后一次垮落的覆巖層位更高，頂板破斷位置處于采場后方。故認為采用該種方式進行殘煤復采時，舊采過程中已經使得直接頂和基本頂巖層發生了一次垮落。

從覆巖應力演化特征角度分析，在復采過程中煤體應力變化程度很小，這是由于在舊采房式開采過程中覆巖應力釋放已經較多。復采工作面45°斜交過房式殘采區可以防止工作面過空巷引起的覆巖大范圍來壓現象的發生。復采工作面推進過一個留設煤柱時形成的控頂距最大，此時覆巖垮落發生的可能性也最高，所以在房式殘煤復采時要特別加強該時刻的頂板支護工作。

在頂板垮落前覆巖的變形量較為顯著，應力增大明顯，故在現場實際環境中要注意該現象的發生。同時，在復采采動引起的礦壓作用下煤柱邊緣破碎范圍會逐步增加，煤壁發生片幫的概率也會愈來愈大，當復采臨近采空區時更要加強煤壁防片幫的工作。

3 復采工作面斜交過巷式殘采區覆巖應力特征

上述通過相似模擬試驗得到復采工作面與房柱式殘煤巷道呈45°夾角布置的開采方案是合理的，該礦井殘采區為房式和巷式混合殘采區，故此次對復采工作面45°角斜交過巷式殘采區的可行性進行數值模擬研究。建立模型工作面推進方向147 m，寬度90 m，頂板116.0 m，底板14.0 m，模型四側和底部進行位移約束，頂部施加均布載荷。圖9為復采工作面推進至51 m和54 m位置時覆巖應力分布特征，前者復采工作面橫跨了2條舊采巷道，后者橫跨了3條舊采巷道。由圖9可知，應力降低區域出現在復采和舊采采空區相交的位置，還未進行開采的三角區域內煤柱和頂板對覆巖的支撐效果顯著，從而使得該范圍應力顯著增大。

4 結 論

1) 復采過程中直接頂垮落前后，工作面前方頂板應力值增加迅速，由于兩次垮落步距較為接近，故認為應力增加幅度和速度與直接頂垮落面積大小呈正比關系。

2) 復采工作面45°角斜交過房式殘采區過程中，煤柱邊緣破碎區域范圍為邊緣2 m范圍、四角6 m 范圍。在房式殘采區復采過程中要選擇合理的支護距離和控頂距，以避免冒頂現象的發生。

3) 同樣的開采方式過巷式殘采區時，采場上部0～5 m層位頂板對覆巖有明顯應力支撐作用，由此可見，無論過房式還是巷式殘采區，復采工作面斜交過殘采區方案都是合理可行的。