肖家洼煤礦雙煤層協同開采順序優化研究

王 潔,任 旭,石明明,張文亮

(山西錦興能源有限公司, 山西 呂梁 035300)

為有效緩解國內能源供求關系緊張與完成煤炭資源“保供”任務,國內煤層群資源富集煤炭生產基地陸續推進煤層群協同開采，即“一井兩面”方案。在兩煤層間距不大時,為保證生產安全、避免蹬空開采現象,通常選用下行開采方法[1-3]。由于同時開采上下兩層煤,上層煤推進時底板產生的采動集中應力會顯著增加下層煤工作面以及回采順槽的礦壓顯現強度。疊合上層煤工作面與本煤層工作面采動擾動產生的強礦壓,嚴重威脅下煤層工作面回采順槽圍巖穩定性[4-5]。因此,必須優化上下兩煤層采區與工作面的回采順序,避免兩煤層工作面采動應力耦合作用。眾多科研工作者針對這一問題進行了研究。李家卓、張繼兵等[6]針對張集煤礦1113工作面回采順槽失穩問題,結合現場實測與數值模擬的方法，驗證了鄰近兩煤層同翼交錯開采，是下煤層順槽失穩的主要來源,運用數值模擬方法優化兩煤層工作面開采順序為同翼順序開采,模擬結果顯示,可有效降低下煤層開采礦壓顯現強度。柴曉[7]針對杜家溝煤礦兩煤層采區內順采礦壓顯現強度大的現象,采用數值模擬方法，優化工作面回采順序為跨采區跳采,取得了較好的應用效果。康建寧[8]針對突出煤層實際條件,將優化采掘部署作為區域防突的重要措施,證明了合理的采掘接替方案有利于降低礦壓顯現強度。李海、李川[9]總結了工作面順序開采和跳躍開采的利弊和適用條件,提出了跳躍式開采的技術管理措施。李永武[10]利用數值模擬方法,研究了不同的工作面開采順序條件下對上覆巖層的影響,判斷了回采作業對地表建筑物的影響。

現有研究成果主要集中于同煤層跨采區跳采與鄰近兩煤層同翼交錯開采,但鮮有針對鄰近兩煤層換翼采區間跳采進行研究。結合肖家洼煤礦同時開采8號、13號鄰近煤層的有利工程技術條件,采用數值模擬的方法,基于下煤層回采巷道圍巖穩定性,對鄰近兩煤層換翼采區間跳采進行研究。

1 工程背景

肖家洼煤礦井田位于山西省興縣,礦井建設規模1 200萬t/a,主采8號、13號煤層。其中，8號煤煤層全厚2.40～4.60 m,平均3.75 m；煤層傾角7～17°,平均12°；煤層頂底板巖層分布見表1所示。13號煤層厚12.20～13.40 m,平均12.7 m；煤層傾角6～16°,平均11°；煤層頂底板巖層分布見表2所示。8號煤布置綜采工作面,全部垮落法管理頂板；13號煤布置大采高綜放工作面,全部垮落法管理頂板。兩煤層間距69.3 m,中部為砂巖、泥巖互層,層間巖層分布情況見表3所示。礦井地質與水文地質條件簡單。

表1 8號煤頂底板巖層分布

表2 13號煤頂底板巖層分布表

表3 兩層煤之間巖層分布

肖家洼煤礦同時開采8號和13號煤層,其中,13號煤層全區穩定賦存,8號煤層部分可采。為了避免踏空開采問題,在8號煤層及13號煤層同時可采的區域內,均先開采8號煤層再開采13號煤層。現場開采實踐表明,當13號煤層工作面上方存在8號煤層遺留煤柱時,靠近8號煤層遺留煤柱的回采巷道(本煤層區段煤柱30 m)強礦壓頻繁顯現,主要表現為巷道圍巖的劇烈變形,支護構件失效。而在距離8號煤層遺留煤柱較遠的回采巷道中,圍巖變形較小,很少出現圍巖劇烈變形的現象,各煤層采空區、煤柱及巷道的相對位置關系及221302材料順槽的圍巖破壞如圖1所示。根據以上現場實際情況,認為8號煤層工作面的開采對13號煤層回采巷道的穩定性產生了一定影響。

圖1 13號煤層回采巷道圍巖變形

當工作面接替方式不同時,其采動應力向底板深處傳遞的特征不同,因此,對工作面接替順序的優化選擇是減少13號煤層回采巷道強礦壓顯現的有效途徑。

2 數值模擬分析

2.1 數值模型建立

結合8號煤、13號煤頂底板巖性與黃土層、上石盒子組、下石盒子組、山西組及太原組相關地層埋藏特征,進行數值模型地層的劃分,構建三維數值計算模型。按照礦井采掘計劃,依據8號及13號煤層工作面參數及空間關系，在各煤層中分別建立4個工作面,并劃分2個采區,工作面命名方式為“煤層編號-采區編號-工作面編號”,如8-1-1工作面即為8號煤層1采區1工作面，三維數值模型如圖2所示。模型中包含從地表至太原組內全部巖層,其中在8號煤層和13號煤層中分別布置4個工作面：8號煤層工作面長度為264 m,13號煤層工作面長度為250 m,區段煤柱均為30 m,上下煤層工作面內錯27 m布置。數值模擬中各巖層物理力學參數以肖家洼煤礦現場取樣并測試物理力學參數結果為依據,見表4所示。

圖2 三維數值模型

基于上述數值模型,選取“換翼采區間跳采”及“同翼采區內順采”兩種工作面接替開采方法,對各煤層工作面進行依次開挖,分析開挖過程中層間巖層不同層位的應力場分布規律,以明確13號煤層巷道強礦壓顯現的影響因素。其中,換翼采區間跳采,工作面開采模擬順序:8-1-1(工況①)→8-2-1+13-1-1(工況②)→8-1-2+13-2-1(工況③)→8-2-2+13-1-2(工況④)→13-2-2(工況⑤);同翼采區內順采,工作面開采模擬順序:8-1-1(工況①)→8-1-2+13-1-1(工況②)→8-2-1+13-1-2(工況③)→8-2-2+13-2-1(工況④)→13-2-2(工況⑤)。

表4 數值模擬參數表

2.2 換翼采區間跳采數值模擬結果分析

對于肖家洼煤礦采區間跳采接替方式的數值模擬包括5個過程,將5個過程模擬結束后研究區域內巷道中部水平剖面的垂直應力云圖匯總，如圖3所示。

由圖3可知,當僅有8-1-1工作面回采(工況①)時,研究區域內垂直應力分布較均勻,為7.20～7.57 MPa(圖3(a)),未出現明顯的應力集中現象,因此可以認為8-1-1工作面的開采對研究區域內垂直應力分布無明顯影響。當8-2-1及13-1-1工作面開采后(工況②),13-2-1運輸順槽也同步開挖(圖3(b)),研究區域內由于13-2-1運輸順槽的開挖而在巷道圍巖內部形成了應力集中現象,峰值為10.86 MPa,相比對照組數據(10.83 MPa)僅增加0.03 MPa,可以認為8-2-1及13-1-1工作面的回采對13號煤層回采巷道應力場的影響十分有限。當8-1-2及13-2-1工作面回采后(工況③),研究區域內直接受到了13-2-1工作面側向支承壓力的影響(圖3(c)),應力集中峰值達到18.17 MPa,從此時開始,13號煤層回采巷道圍巖內應力場開始受到較為嚴重的影響。當8-2-2及13-1-2工作面回采后(圖4(d)),在研究區域上方,形成了8-2-1及8-2-2之間的遺留煤柱,在該煤柱的影響下,研究區域內應力集中峰值達到了21.26 MPa,相較于只有13-2-1工作面側向支承壓力的影響,垂直應力峰值增加了3.09 MPa。當8-2-2工作面開始回采,在工作面前方形成了超前支承壓力,此時受到以上3個因素的綜合影響(圖3(e)),研究區域內垂直應力峰值達到了33.71 MPa,峰值增加12.45 MPa。

綜上可以認為，當肖家洼煤礦采用換翼采區間跳采接替方式時,13號煤層回采巷道先后在上區段工作面側向支承壓力、8號煤層遺留煤柱及本工作面超前支承壓力的影響下，導致了強礦壓顯現,在研究區域中部選取平行于工作面的測線,讀取各個階段測線各點垂直應力值,如圖4所示。

圖4 測線垂直壓力演化

由圖4可知,在本工作面回采前,區域內垂直應力場不斷增大,且在工況②(當8-2-1及13-1-1工作面開采后)中,研究區域內大部分測點的垂直應力出現了減小的現象,可以認為是上部煤層工作面的開采對下部煤層起到了一定的卸壓作用,其余各工況下測線垂直應力逐步上升；圖中藍色曲線即為13-2-1工作面側向支承壓力分布曲線,綠色曲線則受到了8號煤層遺留煤柱及上區段工作面側向支承壓力的共同影響。以工況④中13-2-2回風順槽巷幫垂直應力峰值位置(即測線22 m處)為例,當圍巖僅受13-2-1工作面側向支承壓力影響時,垂直應力在峰值位置達到10.71 MPa,應力集中系數為1.47;當圍巖受8號煤層遺留煤柱及上區段工作面側向支承壓力的共同影響時,垂直應力在峰值位置達到17.51 MPa,應力集中系數為2.40。根據以上分析可知,在測線22 m處巷道圍巖內垂直應力達到峰值,因此在討論本工作面超前支承壓力對圍巖應力場的影響時,在測線22 m位置處垂直另取一條測線,各點垂直應力值繪制曲線如圖5所示。

圖5 不同工況測線垂直應力

由圖5可知,對于本工作面超前支承壓力而言,在工作面前方形成了先增大后減小的賦存特征。圖中工況①～④測線垂直應力值基本保持穩定,變化幅度較小,證明在工作面推進方向上上區段工作面側向支承壓力及8號煤層遺留煤柱對13號煤層回采巷道的影響基本一致。而在本工作面推進過程中,在前方煤巖層中形成了超前支承壓力,其峰值位置在工作面前方10～15 m范圍內,達28.11 MPa,相較于圍巖受8號煤層遺留煤柱及上區段工作面側向支承壓力的共同影響時,垂直應力增加了10.6 MPa,應力集中系數達到3.85。

2.3 同翼采區內順采數值模擬結果分析

對于肖家洼煤礦同翼采區內順采接替方式的數值模擬包括5個過程,將5個過程模擬結束后研究區域內巷道中部水平剖面的垂直應力云圖匯總,如圖6所示。

(a) 工況①

由圖6可知,當僅有8-1-1工作面回采(工況①)時,研究區域內垂直應力分布較均勻,為7.20～7.57 MPa,未出現明顯的應力集中現象,因此可以認為8-1-1工作面的開采對研究區域內垂直應力分布無明顯影響。當8-1-2及13-1-1工作面開采后(工況②),由于回采的工作面均在模型左側,因此所劃定研究區域的影響較小。當8-2-1及13-1-2工作面回采后(工況③)，研究區域內由于13-2-1運輸順槽的開挖而在巷道圍巖內部形成了應力集中現象,峰值為12.63 MPa,相比對照組數據(10.83 MPa)增加1.80 MPa,可以認為8-2-1及13-1-2工作面的回采對13號煤層回采巷道應力場的影響十分有限。當8-2-2及13-2-1工作面回采后(工況④),研究區域內直接受到了13-2-1工作面側向支承壓力的影響,且在其上方形成了8-2-1及8-2-2之間的遺留煤柱,此時研究區域同時受到了來自上區段工作面的側向支承壓力和上煤層遺留煤柱的共同影響,應力峰值達到21.66 MPa,較工作面開挖前增加了9.03 MPa。當8-2-2工作面開始回采,在工作面前方形成了超前支承壓力,此時受到以上3個因素的綜合影響,研究區域內垂直應力峰值達到了34.25 MPa,峰值增加12.59 MPa(工況⑤)。

綜上所述可以認為，當肖家洼煤礦采用采區內順采接替方式時,13號煤層回采巷道先同時受到上區段工作面側向支承壓力及8號煤層遺留煤柱的影響,再受到本工作面超前支承壓力的影響，導致了強礦壓顯現。在研究區域中部選取平行于工作面的測線,讀取各個階段測線各點垂直應力值,如圖7所示。

圖7 測線垂直壓力演化

由圖7可知,與采區間跳采不同,當工作面接替方式為采區內順采時,13號煤層回采巷道的圍巖垂直應力場的升高分為兩個主要階段:一是為上區段工作面側向支承壓力與上煤層遺留煤柱共同影響下的垂直應力場增加;二是本工作面超前支承壓力影響下的垂直應力場增加。以工況④中13-2-2回風順槽巷幫垂直應力峰值位置(即測線22 m處)為例,當圍巖受8號煤層遺留煤柱及上區段工作面側向支承壓力的共同影響時,垂直應力在峰值位置達到20.72 MPa,應力集中系數為2.83。根據以上分析可知,在測線22 m處巷道圍巖內垂直應力達到峰值,因此在討論本工作面超前支承壓力對圍巖應力場的影響時,在測線22 m位置處垂直另取一條測線,提取各點垂直應力值，繪制曲線如圖8所示。

圖8 不同工況測線垂直應力

由圖8可知,對于本工作面超前支承壓力而言,在工作面前方形成了先增大后減小的賦存特征。圖中工況①～④測線垂直應力值基本保持穩定,變化幅度較小,證明在工作面推進方向上上區段工作面側向支承壓力及8號煤層遺留煤柱對13號煤層回采巷道的影響基本一致。工況①～③中測線垂直應力值大小基本相同,在工況④條件下,垂直應力急劇增加,說明在采區內順采接替方式下,13號煤層回采巷道礦壓顯現強度較采區間跳采要小。而在本工作面推進過程中,在前方煤巖層中形成了超前支承壓力,其峰值位置在工作面前方10～15 m范圍內,達30.59 MPa；相較于圍巖受8號煤層遺留煤柱及上區段工作面側向支承壓力的共同影響時(18.41 MPa),垂直應力增加了12.18 MPa,應力集中系數達到4.18。

根據上述研究結果,將采區間跳采及采區內順采兩種接替方式下,13號煤層回采巷道所經歷的應力場演化規律進行匯總分析,如表5所示。

表5 不同接替方式下圍巖應力場分布結果

3 結論

圍繞肖家洼煤礦雙煤層協同開采技術背景,分析了不同的工作面接替方式對下煤層回采巷道礦壓顯現的影響,得出以下主要結論。

1)不論工作面采用何種接替方式,13號煤層回采巷道的應力集中現象均出現在8號煤層對應位置附近出現遺留煤柱后,且隨著上區段工作面的開采及本工作面的推進,應力集中現象不斷加劇,集中系數不斷增大。

2)當接替方式為“換翼采區間跳采”時,13號煤層回采巷道圍巖應力場集中系數小,應力增高持續時間長,增大幅度較小,因此當雙煤層開采時采用換翼區間跳采方法時,有利于減弱13號煤層回采巷道礦壓顯現強度。