小窯破壞區(qū)殘煤綜放開采覆巖破壞規(guī)律模擬研究

秦喜文

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

近年來，隨著煤炭資源整合及殘采煤炭資源回收計(jì)劃的開展，厚煤層遺棄資源成為資源整合礦井主要開采對(duì)象[1]。對(duì)于厚煤層遺煤而言，為減少資源浪費(fèi)，資源整合后的厚煤層一般則采用綜放開采方式進(jìn)行開采[2]，而在資源整合以前，受開采技術(shù)落后和追求短期利益的影響，小窯開采一般通過留設(shè)大量煤柱的方式進(jìn)行，開采設(shè)計(jì)、采掘接替、巷道布置無明顯規(guī)律可循，導(dǎo)致資源整合區(qū)內(nèi)小窯破壞區(qū)空間分布和結(jié)構(gòu)特征較為復(fù)雜，導(dǎo)致復(fù)采時(shí)圍巖活動(dòng)特征較常規(guī)工作面存在較大差異，嚴(yán)重影響工作面頂板管理與控制，制約著礦井安全高效開采[3，4]。

張俊文等[5]分析了近距殘采煤體的損傷力學(xué)特性，基于相似材料模擬試驗(yàn)，提出了增加頂煤自由面為手段的錯(cuò)層位巷道布置采煤法，顯著提高了殘煤的采出率；原野等[6]應(yīng)用相似模擬對(duì)舊采區(qū)冒落區(qū)圍巖變形與應(yīng)力進(jìn)行研究，得出了殘采工作面采場(chǎng)規(guī)律；張文陽等[7，8]運(yùn)用相應(yīng)的力學(xué)模型分析了殘采工作面支架-圍巖關(guān)系，給出了復(fù)采工作面支架初撐力與工作阻力，并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證；姜東海等[9]通過實(shí)測(cè)復(fù)采工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄唷⒅芷趤韷翰骄啵脤?shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法計(jì)算了支架的額定工作阻力，并采用FLAC3D模擬計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證；劉廣金[10]采用數(shù)值模擬的手段研究了復(fù)采工作面過水淹區(qū)覆巖破斷特征，并提出了相應(yīng)的回采工藝；仝佳[11]結(jié)合復(fù)采工作面的具體情況對(duì)回采巷道的支護(hù)方案、充填復(fù)采各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，并進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)；李鵬[12，13]等通過數(shù)值模擬、理論計(jì)算確定該工作面過空巷期間支架的最大工作阻力及支架型號(hào)，并通過數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)所選型支架工作阻力的合理性進(jìn)行了分析驗(yàn)證；張耀榮[14]對(duì)復(fù)采工作面的巷道布置、采高以及刀柱煤柱與復(fù)采工作面的位置關(guān)系等技術(shù)進(jìn)行了探討，得出了殘煤復(fù)采的條件以及要實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)應(yīng)采取的一系列技術(shù)措施；周傳龍[15]通過工作面“三機(jī)”合理選型配套和加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。上述研究從相似模擬、數(shù)值計(jì)算及理論分析的角度分析了殘采工作面覆巖力學(xué)行為及響應(yīng)特征，而關(guān)于殘采煤層下分層綜放開采回收煤柱前、后覆巖的破斷規(guī)律研究涉及較少。

以韓咀煤礦32101工作面為研究背景，采用相似模擬的方法研究殘采工作面圍巖的變形規(guī)律，從而，揭示殘采工作面過空區(qū)、煤柱時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)特征。研究成果對(duì)改善礦井安全生產(chǎn)現(xiàn)狀、延長(zhǎng)資源短缺服務(wù)年限等具有重要意義，對(duì)該類煤炭資源的安全高效開采具有重要的參考價(jià)值。

1 工程概況

韓咀煤礦位于山西省鄉(xiāng)寧縣西南部，井田內(nèi) 2#煤全區(qū)可采，平均厚度為5.8m。小窯巷柱式開采時(shí)期對(duì)2#煤上分層進(jìn)行開采，形成大面積的老空區(qū)、老巷和上分層采空區(qū)。基于破壞區(qū)殘煤賦存特征，采用相似模擬方法開展3#煤層殘煤綜放復(fù)采覆巖破壞規(guī)律研究。

2 相似模擬方案

根據(jù)工作面的覆巖條件及上覆小窯采空區(qū)遺留煤柱的不同，參照32101工作面的鉆孔柱狀，如圖1所示，鋪設(shè)幾何相似比為1∶100的物理模型。32101工作面模型煤層總厚度為5.8m，上煤層開采2.0m，下分層開采3.8m，相似模型材料比例見表1。

圖1 32101工作面的鉆孔柱狀

將復(fù)采煤層(3#煤)劃分為上、下兩層，上分層采用巷柱式采煤法模擬殘采區(qū)圍巖穩(wěn)定特征，采高2m；下分層采用綜放開采，32101工作面采高3.8m。如圖3所示，模擬上分層小窯采空區(qū)煤柱賦存情況，模型中上分層共留設(shè)4個(gè)煤柱，由左至右依次編號(hào)為1—4號(hào)。為了對(duì)比分析上煤層小窯采空區(qū)所留設(shè)的煤柱處于不同的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)對(duì)下煤層開采礦壓的影響，在模型的4個(gè)煤柱中設(shè)計(jì)2個(gè)不完整的煤柱，分別為2號(hào)、4號(hào)，2號(hào)煤柱上部回采上煤層厚度的1/3，留2/3監(jiān)測(cè)對(duì)下煤層開采的影響，4號(hào)煤柱上部回采上煤層厚度的2/3，留1/3監(jiān)測(cè)對(duì)下煤層開采的影響。

具體實(shí)施方法：首先，對(duì)上分層進(jìn)行開采，按模擬方案設(shè)計(jì)留設(shè)4個(gè)煤柱；其次，開采2號(hào)、4號(hào)煤柱，2號(hào)煤柱留設(shè)2/3(采出上部1/3)、4號(hào)煤柱留設(shè)1/3(采出上部2/3)；最后，開采下分層，由左至右依次開采，開采步距0.02m，工作面支架模型(頂梁長(zhǎng)度/支護(hù)距離0.04m)隨開采前移。當(dāng)支架進(jìn)入上覆煤柱后，先開采本煤層，頂梁過后回采位于支架后方的頂煤，模擬放頂煤開采。

3 綜放工作面圍巖破壞特征研究

3.1 相似模擬研究

3.1.1 上分層開采

模型開采為了模擬上部不同程度遺留煤柱對(duì)下分層開采產(chǎn)生的影響，設(shè)置煤柱完整程度不同，以分析煤柱失穩(wěn)狀態(tài)不同的差異。在煤柱完整的情況，一般煤柱的承載性能較好，可以有效限制頂板的垮落高度。因此，在上分層開采之后，煤柱完整程度不同，影響了上分層開采后頂板覆巖破壞程度。

32101面模型下分層開采覆巖運(yùn)動(dòng)情況如圖2所示，由圖2可知，在1#、3#煤柱完整性比較好的情況下，上部巖層基本未發(fā)生垮落，2#、4#煤柱破壞差異不同，發(fā)生頂板垮落的高度也不同。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，煤柱遺留高度僅剩1/3時(shí)，兩側(cè)開采空間聯(lián)通，垮落高度約10m，為2倍上分層采高。上分層開采過程中，直接頂隨著開挖垮落，但由于老頂巖層厚度較大，且采高度小、開采尺寸小，因此并未發(fā)生明顯破斷垮落。在回采2#煤柱和4#煤柱頂部部分煤層之后，頂板破壞程度增加，回采頂煤2/3煤柱的情況下，破壞程度較大。

3.1.2 下分層開采

下分層開采過程中，上煤層留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性，對(duì)巖層破斷的影響特征更加明顯。下分層開采過程中，覆巖破壞演化的過程如圖2所示。工作面開采位置為模型底板巖層中箭頭所指的位置。

圖2 32101面模型下分層開采覆巖運(yùn)動(dòng)情況

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 殘煤綜放復(fù)采覆巖運(yùn)移規(guī)律分析

如圖3所示，上分層開采過程中，直接頂隨著開挖垮落，但老頂巖層厚度較大，加之煤層開采高度小、開采尺寸小，并未發(fā)生明顯破斷垮落。在綜放2#煤柱和4#煤柱部分煤層之后，頂板破壞程度有所增加，回采頂煤2/3煤柱的情況下，破壞程度相對(duì)較大。

圖3 上分層開采過程中下部測(cè)線覆巖位移

圖4 下煤層開采過程中覆巖位移

下煤層開采過程中覆巖位移如圖4所示(圖中自上而下順序?yàn)椴?0—采210)，下分層開采過程中，回采至40m時(shí)，頂板破壞情況沒有發(fā)生明顯改變；回采至50m，尚未將頂煤采出之前，煤柱仍然發(fā)揮較為良好的支撐作用，頂板破壞情況變化不大，當(dāng)回采頂煤之后，巖層發(fā)生大范圍運(yùn)動(dòng)，以1#、3#煤柱邊界為界，覆巖出現(xiàn)明顯的橫向和豎向裂隙，其中在左側(cè)邊界的裂隙較為明顯，主要受到開采的不均勻性影響，而由于2#煤柱尚未開采，3#煤柱邊界的裂隙尚未明顯發(fā)育，但是已經(jīng)發(fā)生微裂縫，覆巖產(chǎn)生橫向裂隙的高度約68.5m。工作面繼續(xù)在采空區(qū)下開采，覆巖破壞高度和裂隙分布情況沒有發(fā)生改變。至工作面開采至90m，將2#煤柱下方對(duì)應(yīng)煤層和頂煤開采完畢，裂隙范圍變化不大，但是最上部離層的發(fā)育程度增加，直至開采至3#煤柱前，頂板垮落情況沒有明顯變化。工作面繼續(xù)開采至3#完整煤柱下方，煤柱尚未發(fā)生破壞之前，覆巖結(jié)構(gòu)和裂隙分布未發(fā)生改變，但當(dāng)工作面回采130m并放出頂煤之后，上部巖層發(fā)生整體下沉運(yùn)動(dòng)，并在上分層開采邊界上方形成明顯的邊界裂隙。由于煤柱承受壓力較大，底板表面發(fā)生一定程度的破壞。

3.2.2 支架受力分析

50#、51#、52#支架上不同的三個(gè)壓力盒數(shù)值變化規(guī)律如圖5所示。為了研究不同覆巖條件下支架阻力在不同煤柱條件下的受力特征，在下分層開采過程中，對(duì)頂板壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在工作面回采經(jīng)過完整的1#、3#煤柱方時(shí)，支架所承受的壓力明顯上升，不完整的2#、4#煤柱下方支架壓力也有所增加，但是相對(duì)較小。上分層遺留煤柱的穩(wěn)定性與完整性，將會(huì)對(duì)下分層開采造成比較明顯的影響。因此，在實(shí)際開采過程中，首先，要探查上覆分層中煤柱的位置以及可能存在的穩(wěn)定狀態(tài)，然后，在下分層開采時(shí)應(yīng)該在遺留煤柱的前后提前采區(qū)措施防范高壓力甚至壓架事故的發(fā)生。

圖5 32101開采模型下分層開采過程中支架壓力變化

4 結(jié) 論

1)煤柱遺留高度僅剩1/3時(shí)，兩側(cè)空區(qū)聯(lián)通，上部巖層垮落高度為10m，約為上分層采高的2倍；在回采2#煤柱和4#煤柱頂部部分煤層之后，頂板破壞范圍增加，回采頂煤2/3煤柱的情況下，破壞程度最大。

2)當(dāng)回采頂煤之后，巖層發(fā)生大范圍運(yùn)動(dòng)，以1#、3#煤柱邊界為界，覆巖出現(xiàn)明顯的橫向和豎向裂隙，其中在左側(cè)邊界的裂隙較為明顯，主要受到開采的不均勻性影響，而由于2#煤柱尚未開采，3#煤柱邊界的裂隙尚未明顯發(fā)育，但是已經(jīng)發(fā)生微裂縫，覆巖產(chǎn)生橫向裂隙的高度約68.5m。

3)3#完整煤柱下開采時(shí)支架阻力最大，1#煤柱次之，2#煤柱再次，4#煤柱最小，此規(guī)律與采空區(qū)下開采基本相同。