范各莊礦近距離煤層上行開采礦壓顯現規律與可行性研究

王曉輝

(開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業分公司，河北 唐山 063109)

開灤集團范各莊煤礦南五采區北側7號煤層超前投入，將5號煤層暫時停滯。作為資源有限性礦井，隨著主力生產區域的加劇萎縮，為延長礦井服務年限，提高煤炭資源回收率，本文研究對5號煤層進行上行開采非常必要。

目前有大量上行開采研究案例，馮國瑞等[1]針對白家莊煤礦實際情況通過相似模擬實驗再現了上行開采煤層間巖層受兩層煤層開采共同影響作用下的移動變形和巖層結構演化過程；張勇等[2]提出了趙各莊煤礦煤層群放頂煤層上行開采的方案；黃慶享[3]通過現場實測和相似數值模擬探討了上行開采工作面底板失穩機理；王成等[4]對上行開采上覆巖層應力場和裂隙場進行研究，揭示了上行開采采動應力分區特征及裂隙呈分域特性的時空演化規律。盡管國內外對近距離煤層群上行開采開展了大量的研究工作和工程實踐，但由于各礦井條件差別較大，有必要對范各莊煤礦近距離煤層上行開采礦壓顯現規律與可行性進行研究。

為了充分回收煤炭資源，保證上行開采的成功，本文綜合應用理論分析、數值計算、數值模擬相結合的方法對范各莊煤礦7號煤層和5號煤層上行開采進行研究，揭示上行開采應力演化與巖層移動規律，評價上行開采的可行性，提出2551N工作面的布置方案。研究成果可為近距煤層上行安全開采提供依據，為類似條件下的上行開采提供技術借鑒。

1 范各莊煤礦采礦地質條件

范各莊煤礦煤系地層主要由石炭系、二疊系地層組成，煤系地層厚度為488.8 m，共含煤層17～20層，煤層總厚度15.62 m。5號煤層埋深429 m左右，采厚1.36 m，煤層傾角2°～12°，平均8°；7號煤層采厚3.16 m，煤層傾角2°～12°，平均8°。7號煤層位于5號煤層下方，兩層煤相距27.5～32.0 m，平均煤層間距29.7 m。煤層頂板巖性主要由泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖和中細砂巖構成；底板巖性主要由粉砂巖和細砂巖構成。7號煤層的2571NE工作面已開采，上方的5號煤層2551N工作面的開采布置方式需要進一步研究。5號煤層和7號煤層間巖層綜合柱狀如圖1所示。

圖1 煤系地層綜合柱狀圖

2 上行開采礦壓顯現規律數值模擬研究

2.1 模型設計

利用FLAC3D軟件對范各莊煤礦5號煤層和7號煤層上行開采過程進行模擬研究，揭示下(上)層煤層工作面開采應力演化與巖層移動。根據范各莊煤礦的地質條件以及5號煤層和7號煤層的綜合柱狀圖簡化后建立數值模擬模型，如圖2所示。 模型長×寬×高=400 m×230 m×135 m，模型下邊界設置為固定垂直位移，四周為水平方向固定[5]，上部施加10 MPa的等效載荷代替上覆巖層進行應力邊界條件設置，本構關系采用莫爾-庫侖屈服準則。兩煤層之間各煤巖層物理力學參數見表1。模型沿工作面推進方向分別布置測線1和測線2在兩層煤層頂板處，監測其頂板應力應變隨工作面推進的變化。沿工作面方向與測線1、測線2垂直在兩煤層頂板處布置測線3和測線4，監測其頂板應力因工作面寬度不同的變化。

圖2 三維計算模型

表1 模型巖層力學參數

2.2 下層煤層開采應力演化與巖層移動

模擬開采7號煤層，考慮邊界效應的影響[6]，在工作面兩側各留45 m保護煤柱，開挖處留50 m煤柱。分別已以30 m、90 m、150 m、210 m進行開挖。7號煤層開采過程中的應力演化和位移演化規律如圖3所示。

圖3 下層煤層不同推進距離的模擬圖

由圖3(a)可知，推進過程中開切眼和工作面前面始終存在應力集中現象，開挖30 m時開切眼處的應力峰值為21 MPa，應力集中系數達到2.1，位置基本保持穩定，位于煤柱內15 m，工作面前方的應力峰值隨工作面的推進保持在工作面前方15 m左右，應力峰值及應力集中系數與開切眼處大致相同。 當工作面推進30 m時，采空區上覆巖層開始出現拉應力，拉應力范圍高2 m左右；當推進到90 m時，其拉應力達到12 m左右，拉應力值達到0.6 MPa，呈逐漸增大的趨勢，采空區頂底板出現卸壓區域，隨著工作面的推進卸壓區域不斷擴大；當工作面推進距離大于150 m時，卸壓區域的高度保持在57 m基本不變。這是因為隨著工作面的推進，頂板周期性的垮落，圍巖的應力得到釋放[7]，頂板上方塑性區的最大高度不再發生變化，因此卸壓區域高度不再增加。由圖3(b)可知，隨著煤層的開挖，采空區上方巖層位移場呈現出拱形，距離煤層越遠的地方下沉量越小。當工作面推進30 m時，采空區上方最大下沉量為0.74 m；隨著工作面推進到90 m，最大下沉量增加到1.85 m，且下沉區域增大;當推進到150 m時，最大下沉量為2.61 m；當推進到210 m最大下沉量達到采高3.15 m。5號煤層發生的垂直位移在2.6 m左右。

模擬工作面寬度分別為90 m、120 m和150 m時的礦壓顯現，如圖4所示。由圖4可知，7號煤層開采過程中，隨著工作面寬度的增大，頂板卸壓區域范圍增大，工作面兩端應力集中越明顯。當工作面寬度為90 m時，7號煤層頂板應力集中為30 MPa，當工作面增加到150 m時，應力集中達到40 MPa。

圖4 下層煤層不同工作面寬度的應力變化曲線

2.3 上層煤層開采應力演化與巖層移動

在5號煤層開挖的過程中圍巖應力和位移演化規律如圖5所示。由圖5(a)可知，其采空區卸壓區同樣呈現拱形，但其范圍相比7號煤層有一定增加，這是由于在7號煤層的開采過程中已經對5號煤層上覆巖層造成了一定程度的破壞，形成了一定程度的裂隙發育，巖層的強度變小，在5號煤層采動的影響下達到強度極限而破裂。5號煤層開切眼和工作面前方同樣存在應力集中現象，推進30 m時開切眼應力峰值為18 MPa，應力集中系數為1.8，工作面前方為9 MPa。并且隨著5號煤層工作面不斷靠近7號煤層停采線，7號煤層停采線前方應力峰值由32 MPa降低到25.2 MPa，5號煤層工作面前方應力峰值由9 MPa增加到30 MPa。由圖5(b)可知，在7號煤層采動的影響條件下，5號煤層上方頂板下沉量相比7號煤層有所增加，同樣隨著工作面的推進不斷擴大最終形成拱形。位于下部采空區對應位置之外的層間巖層的垂直位移隨著上行開采的推進而逐漸增大；位于上行開采開切眼位置下方巖層的垂直位移隨著上行開采的推進而逐漸減小，與下煤層開采產生的位移相比有回升的趨勢；位于工作面推進方向的層間巖層的垂直位移呈現先增大后減小的變化。

圖5 上層煤層不同推進距離的模擬圖

5號煤層開采過程中，不同工作面寬度對應的7號煤層和5號煤層頂板應力的變化如圖6所示。由圖6(a)可知,相較下層煤層開采時，7號煤層頂板應力集中均有所降低，工作面寬150 m時，應力集中值由圖4(a)中的40 MPa降低到35 MPa；工作面寬90 m時，應力集中值由30 MPa降低到27 MPa；工作面寬度越小降低越少。由圖6(b)可知,較下層煤開采時，5號煤層頂板應力集中均有所增加，工作面寬150 m時，應力集中值由圖4(b)中的20 MPa增加到37.5 MPa；工作面寬90 m時，由15 MPa增加到27.5 MPa。表明工作面寬度越大，兩層煤應力集中相互影響越大，總體有下層煤應力集中向上層煤應力集中轉移的現象，最終上下兩層煤應力集中值大致相同。

圖6 上層煤不同工作面寬度的應力變化曲線

圖7 測線1應力位移變化曲線

提取測線1所監測7號煤層頂板應力與位移的變化如圖7所示。由圖7(a)和圖7(b)可知，7號煤層開采過程中頂板拉應力值基本保持不變，工作面前方和開切眼后方都有應力集中且值大致相同，隨著工作面推進，其應力值不斷增大，遠離工作面的前方應力接近于原巖應力；5號煤層推進過程中，層間拉應力值基本不變，7號煤層停采線前方的應力峰值由32 MPa降低到25.2 MPa。 由圖7(c)和圖7(d)可知，隨著7號煤層的開挖，頂板的下沉量逐漸增大；在5號煤層開采過程中，采空區對應之外的7號煤層頂板下沉量隨著工作面推進逐漸增大，采空區對應范圍逐漸減小，而工作面前方的7號煤層頂板逐漸增大后減小，與位移云圖分析一致。

圖8 測線2應力位移變化圖

位于5號煤層頂板的測線2的應力位移變化如圖8所示。由圖8(a)和圖8(b)可知，隨著7號煤層工作面的推進，7號煤層采空區對應的5號煤層頂板所受應力逐漸減小，5號煤層處于卸壓區內，當推進距離大于150 m，其應力值為2 MPa；5號煤推進過程中，5號煤層工作面前方的應力由9 MPa增加到30 MPa，當5號煤層工作面推進到7號煤停采線上方時應力集中最為明顯。由圖8(c)和圖8(d)可知，7號煤層開采致使5號煤層頂板最大下沉量為2.6 m。

3 上行開采煤層間影響作用分析

3.1 經驗比值判定法

我國自20世紀80年代開始陸續開展了煤層上行開采實踐，依據我國大量的上行開采實踐及研究證明，上行開采可行性判斷的主要依據是煤層間距與下煤層采厚的比值(采動影響倍數)關系，當下部只進行了一個煤層開采，采動影響倍數K>7.5時[4-7]，可以滿足正常的上行開采需要。依據94-1、92-1、83-1、83-5四個鉆孔資料分析，范各莊礦的采動影響倍數可由式(1)計算所得。

K=H/M

(1)

式中：H為上下兩個煤層間的層間距(垂距)，為30.72 m；M為下層煤的采高，為3.16 m。計算得K=9.72>7.5，此層間距可以進行上行開采。

在采高一定的條件下，層間距是判斷上部煤層所在位置圍巖破壞程度的重要因素，滿足足夠的層間距是上行開采的基本條件。上煤層、下煤層的層間距越大，上部煤層破壞的可能性就越小，受到下部煤層開采的影響越小，對于上行開采有利；反之，層間距越小，下煤層開采后將破壞上一煤層的結構及完整性，上部煤層受到下部煤層開采的影響越大，甚至上部煤層會出現臺階下沉，上行開采的難度越大。

3.2 “三帶”判別法

若上下兩個煤層的煤層間距小于或等于冒落帶高度，上部煤層的結構遭到嚴重破壞，無法進行上行開采。若處于裂隙帶范圍內時，上部煤層的結構產生中等破壞，需依據具體情況采取相應的措施后開采。上部煤層位于裂隙帶范圍外時，煤層處于整體彎曲下沉帶，煤層結構不受破壞影響，可以正常上行開采。

根據煤系地質報告，可按中硬巖性計算，依據相關計算方法[4,8-12]，7號煤層開采后垮落帶高度和裂隙帶最大高度可由式(2)和式(3)計算得出。

(2)

(3)

計算得垮落帶高度為7.1～11.5 m，導水裂縫帶高度為30.90～42.11 m。依據范各莊礦2553S工作面的導水裂縫帶實際觀測結果，該工作面開采形成的導水裂縫帶高度37.3 m。綜合分析，范各莊礦7號煤層2571NE工作面開采后，垮落帶最大高度為11.5 m、導水裂縫帶高度為37.3 m，其上部的5號煤層處于2571NE工作面的垮落帶上方15 m以外，處于導水裂隙帶的上位巖層平衡帶，煤層整體性較好，具備上行開采的條件。

3.3 概率積分法

根據設計區域地質采礦條件，采用概率積分法進行地表移動變形預計[13-14]。參照根據范各莊礦一石門1171S、1152、1172S、1170N和1170S五個巖層鉆孔覆巖采動變形實測資料以及地表觀測站實測資料，利用巖移預計程序，對觀測數據進行概率積分法的擬合分析綜合確定概率積分法巖移預計參數：下沉系數為0.95，水平移動系數為0.3，影響角正切為1.6，影響傳播系數為0.6。對2571NE工作面采后上覆5煤層底板的形態進行計算，計算結果如圖9所示。

圖9 2571NE工作面開采后5號煤層底板沉陷變形剖面圖

由上述計算分析可知，下方7號煤層工作面開采雖然已經穩定，但由于設計區域下方為單個工作面開采，且開采煤層厚度大、煤層間距小，開采后在上方煤層形成一個深陷的下沉盆地，下沉盆地不同位置其煤層的狀態差別較大，在盆底下方煤炭開采中形成的臺階、裂縫逐漸閉合形成新的較為平坦的底部，煤層相對較為平整，在下沉盆地的邊緣，由于受拉伸、壓縮等變形影響，形成了永久的裂縫帶和臺階，煤層的完整度差。由計算結果可知，5號煤層底板最大下沉量在3.1 m左右，相比數值模擬計算結果偏大，可知5號煤層頂板最大下沉量為2.6～3.1 m，最終5號煤層在7號煤層采動影響下最大下沉量選取3.1 m。

4 2551N工作面上行開采設計方案

為確保5號煤層2551N工作面的安全正常開采，工作面應布置于下部7號煤層2571NE工作面開采形成的下沉盆地底部，兩巷與采面保持在同一平面上。按照上行開采的可行性分析、論證以及工作面設計原則，確定2551N工作面寬為120 m、長為1 295 m，可采出煤炭42.3萬t，如圖10所示。

設計的2551N工作面位于下部7號煤層2571NE工作面開采沉陷的5號煤層下沉盆地底部，工作面區域最大下沉差小于250 mm，傾斜小于3%區域，位于開采主要影響范圍以外，能夠保證2551N工作面的正常開采。

5 結 論

1) 隨工作面推進，7號煤層頂板出現應力卸壓區，并逐漸發育至57 m，頂板下沉量不斷增大形成頂板下沉區。開切眼和工作面前方15 m左右，側壓系數為1.5。

2) 5號煤層開采與7號煤層開采相比，5號煤層頂板應力卸壓區范圍和頂板下沉量都有所增加，5號煤層開采過程中，7號煤層工作面采空區邊界應力集中存在向5號煤層采空區邊界應力集中轉移的現象。

3) 2551N設計工作面位于下部2571NE工作面的垮落帶上方15 m以外，處于導水裂隙帶的上位巖層平衡帶，具備上行開采的條件。由概率積分法分析得在下方的2571NE已采工作面的影響之下，5號煤層最大下沉量在3.1 m左右。

4) 確定2551N工作面寬為120 m、長為1 295 m，可采出煤炭42.3萬t。設計的2551N工作面位于煤層下沉差小于250 mm，傾斜小于3%區域，位于開采主要影響范圍以外，能夠正常開采。