肖家洼煤礦雙煤層協(xié)同開采順序優(yōu)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(nèi)能源供求關(guān)系緊張與完成煤炭資源“保供”任務(wù),國內(nèi)煤層群資源富集煤炭生產(chǎn)基地陸續(xù)推進(jìn)煤層群協(xié)同開采，即“一井兩面”方案。在兩煤層間距不大時,為保證生產(chǎn)安全、避免蹬空開采現(xiàn)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(jìn)時底板產(chǎn)生的采動集中應(yīng)力會顯著增加下層煤工作面以及回采順槽的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。疊合上層煤工作面與本煤層工作面采動擾動產(chǎn)生的強(qiáng)礦壓,嚴(yán)重威脅下煤層工作面回采順槽圍巖穩(wěn)定性[4-5]。因此,必須優(yōu)化上下兩煤層采區(qū)與工作面的回采順序,避免兩煤層工作面采動應(yīng)力耦合作用。眾多科研工作者針對這一問題進(jìn)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(wěn)問題,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)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(wěn)的主要來源,運(yùn)用數(shù)值模擬方法優(yōu)化兩煤層工作面開采順序為同翼順序開采,模擬結(jié)果顯示,可有效降低下煤層開采礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。柴曉[7]針對杜家溝煤礦兩煤層采區(qū)內(nèi)順采礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度大的現(xiàn)象,采用數(shù)值模擬方法，優(yōu)化工作面回采順序為跨采區(qū)跳采,取得了較好的應(yīng)用效果。康建寧[8]針對突出煤層實(shí)際條件,將優(yōu)化采掘部署作為區(qū)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(xiàn)強(qiáng)度。李海、李川[9]總結(jié)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(shù)管理措施。李永武[10]利用數(shù)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(yè)對地表建筑物的影響。

現(xiàn)有研究成果主要集中于同煤層跨采區(qū)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(qū)間跳采進(jìn)行研究。結(jié)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(shù)條件,采用數(shù)值模擬的方法,基于下煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性,對鄰近兩煤層換翼采區(qū)間跳采進(jìn)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(shè)規(guī)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?shù)装鍘r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?shù)装鍘r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(zhì)與水文地質(zhì)條件簡單。

表1 8號煤頂?shù)装鍘r層分布

表2 13號煤頂?shù)装鍘r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(qū)穩(wěn)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(qū)域內(nèi),均先開采8號煤層再開采13號煤層。現(xiàn)場開采實(shí)踐表明,當(dāng)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(qū)段煤柱30 m)強(qiáng)礦壓頻繁顯現(xiàn),主要表現(xiàn)為巷道圍巖的劇烈變形,支護(hù)構(gòu)件失效。而在距離8號煤層遺留煤柱較遠(yuǎn)的回采巷道中,圍巖變形較小,很少出現(xiàn)圍巖劇烈變形的現(xiàn)象,各煤層采空區(qū)、煤柱及巷道的相對位置關(guān)系及221302材料順槽的圍巖破壞如圖1所示。根據(jù)以上現(xiàn)場實(shí)際情況,認(rèn)為8號煤層工作面的開采對13號煤層回采巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定影響。

圖1 13號煤層回采巷道圍巖變形

當(dāng)工作面接替方式不同時,其采動應(yīng)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(yōu)化選擇是減少13號煤層回采巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的有效途徑。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

結(jié)合8號煤、13號煤頂?shù)装鍘r性與黃土層、上石盒子組、下石盒子組、山西組及太原組相關(guān)地層埋藏特征,進(jìn)行數(shù)值模型地層的劃分,構(gòu)建三維數(shù)值計算模型。按照礦井采掘計劃,依據(jù)8號及13號煤層工作面參數(shù)及空間關(guān)系，在各煤層中分別建立4個工作面,并劃分2個采區(qū),工作面命名方式為“煤層編號-采區(qū)編號-工作面編號”,如8-1-1工作面即為8號煤層1采區(qū)1工作面，三維數(shù)值模型如圖2所示。模型中包含從地表至太原組內(nèi)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(qū)段煤柱均為30 m,上下煤層工作面內(nèi)錯27 m布置。數(shù)值模擬中各巖層物理力學(xué)參數(shù)以肖家洼煤礦現(xiàn)場取樣并測試物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果為依據(jù),見表4所示。

圖2 三維數(shù)值模型

基于上述數(shù)值模型,選取“換翼采區(qū)間跳采”及“同翼采區(qū)內(nèi)順采”兩種工作面接替開采方法,對各煤層工作面進(jìn)行依次開挖,分析開挖過程中層間巖層不同層位的應(yīng)力場分布規(guī)律,以明確13號煤層巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的影響因素。其中,換翼采區(qū)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(qū)內(nèi)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(shù)值模擬參數(shù)表

2.2 換翼采區(qū)間跳采數(shù)值模擬結(jié)果分析

對于肖家洼煤礦采區(qū)間跳采接替方式的數(shù)值模擬包括5個過程,將5個過程模擬結(jié)束后研究區(qū)域內(nèi)巷道中部水平剖面的垂直應(yīng)力云圖匯總，如圖3所示。

由圖3可知,當(dāng)僅有8-1-1工作面回采(工況①)時,研究區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力分布較均勻,為7.20～7.57 MPa(圖3(a)),未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此可以認(rèn)為8-1-1工作面的開采對研究區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力分布無明顯影響。當(dāng)8-2-1及13-1-1工作面開采后(工況②),13-2-1運(yùn)輸順槽也同步開挖(圖3(b)),研究區(qū)域內(nèi)由于13-2-1運(yùn)輸順槽的開挖而在巷道圍巖內(nèi)部形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象,峰值為10.86 MPa,相比對照組數(shù)據(jù)(10.83 MPa)僅增加0.03 MPa,可以認(rèn)為8-2-1及13-1-1工作面的回采對13號煤層回采巷道應(yīng)力場的影響十分有限。當(dāng)8-1-2及13-2-1工作面回采后(工況③),研究區(qū)域內(nèi)直接受到了13-2-1工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊?圖3(c)),應(yīng)力集中峰值達(dá)到18.17 MPa,從此時開始,13號煤層回采巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力場開始受到較為嚴(yán)重的影響。當(dāng)8-2-2及13-1-2工作面回采后(圖4(d)),在研究區(qū)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(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中峰值達(dá)到了21.26 MPa,相較于只有13-2-1工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊?垂直應(yīng)力峰值增加了3.09 MPa。當(dāng)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(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力峰值達(dá)到了33.71 MPa,峰值增加12.45 MPa。

綜上可以認(rèn)為，當(dāng)肖家洼煤礦采用換翼采區(qū)間跳采接替方式時,13號煤層回采巷道先后在上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Α?號煤層遺留煤柱及本工作面超前支承壓力的影響下，導(dǎo)致了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),在研究區(qū)域中部選取平行于工作面的測線,讀取各個階段測線各點(diǎn)垂直應(yīng)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(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力場不斷增大,且在工況②(當(dāng)8-2-1及13-1-1工作面開采后)中,研究區(qū)域內(nèi)大部分測點(diǎn)的垂直應(yīng)力出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象,可以認(rèn)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(yīng)力逐步上升；圖中藍(lán)色曲線即為13-2-1工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植记€,綠色曲線則受到了8號煤層遺留煤柱及上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ墓餐绊憽Ｒ怨r④中13-2-2回風(fēng)順槽巷幫垂直應(yīng)力峰值位置(即測線22 m處)為例,當(dāng)圍巖僅受13-2-1工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊憰r,垂直應(yīng)力在峰值位置達(dá)到10.71 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.47;當(dāng)圍巖受8號煤層遺留煤柱及上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ墓餐绊憰r,垂直應(yīng)力在峰值位置達(dá)到17.51 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.40。根據(jù)以上分析可知,在測線22 m處巷道圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力達(dá)到峰值,因此在討論本工作面超前支承壓力對圍巖應(yīng)力場的影響時,在測線22 m位置處垂直另取一條測線,各點(diǎn)垂直應(yīng)力值繪制曲線如圖5所示。

圖5 不同工況測線垂直應(yīng)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(yīng)力值基本保持穩(wěn)定,變化幅度較小,證明在工作面推進(jìn)方向上上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫?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(jìn)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(nèi),達(dá)28.11 MPa,相較于圍巖受8號煤層遺留煤柱及上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ墓餐绊憰r,垂直應(yīng)力增加了10.6 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.85。

2.3 同翼采區(qū)內(nèi)順采數(shù)值模擬結(jié)果分析

對于肖家洼煤礦同翼采區(qū)內(nèi)順采接替方式的數(shù)值模擬包括5個過程,將5個過程模擬結(jié)束后研究區(qū)域內(nèi)巷道中部水平剖面的垂直應(yīng)力云圖匯總,如圖6所示。

(a) 工況①

由圖6可知,當(dāng)僅有8-1-1工作面回采(工況①)時,研究區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力分布較均勻,為7.20～7.57 MPa,未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此可以認(rèn)為8-1-1工作面的開采對研究區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力分布無明顯影響。當(dāng)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(cè),因此所劃定研究區(qū)域的影響較小。當(dāng)8-2-1及13-1-2工作面回采后(工況③)，研究區(qū)域內(nèi)由于13-2-1運(yùn)輸順槽的開挖而在巷道圍巖內(nèi)部形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象,峰值為12.63 MPa,相比對照組數(shù)據(jù)(10.83 MPa)增加1.80 MPa,可以認(rèn)為8-2-1及13-1-2工作面的回采對13號煤層回采巷道應(yīng)力場的影響十分有限。當(dāng)8-2-2及13-2-1工作面回采后(工況④),研究區(qū)域內(nèi)直接受到了13-2-1工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ挠绊?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(qū)域同時受到了來自上區(qū)段工作面的側(cè)向支承壓力和上煤層遺留煤柱的共同影響,應(yīng)力峰值達(dá)到21.66 MPa,較工作面開挖前增加了9.03 MPa。當(dāng)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(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力峰值達(dá)到了34.25 MPa,峰值增加12.59 MPa(工況⑤)。

綜上所述可以認(rèn)為，當(dāng)肖家洼煤礦采用采區(qū)內(nèi)順采接替方式時,13號煤層回采巷道先同時受到上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫?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(dǎo)致了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。在研究區(qū)域中部選取平行于工作面的測線,讀取各個階段測線各點(diǎn)垂直應(yīng)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(qū)間跳采不同,當(dāng)工作面接替方式為采區(qū)內(nèi)順采時,13號煤層回采巷道的圍巖垂直應(yīng)力場的升高分為兩個主要階段:一是為上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫εc上煤層遺留煤柱共同影響下的垂直應(yīng)力場增加;二是本工作面超前支承壓力影響下的垂直應(yīng)力場增加。以工況④中13-2-2回風(fēng)順槽巷幫垂直應(yīng)力峰值位置(即測線22 m處)為例,當(dāng)圍巖受8號煤層遺留煤柱及上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ墓餐绊憰r,垂直應(yīng)力在峰值位置達(dá)到20.72 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.83。根據(jù)以上分析可知,在測線22 m處巷道圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力達(dá)到峰值,因此在討論本工作面超前支承壓力對圍巖應(yīng)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(diǎn)垂直應(yīng)力值，繪制曲線如圖8所示。

圖8 不同工況測線垂直應(yīng)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(yīng)力值基本保持穩(wěn)定,變化幅度較小,證明在工作面推進(jìn)方向上上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫?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(yīng)力值大小基本相同,在工況④條件下,垂直應(yīng)力急劇增加,說明在采區(qū)內(nèi)順采接替方式下,13號煤層回采巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較采區(qū)間跳采要小。而在本工作面推進(jìn)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(nèi),達(dá)30.59 MPa；相較于圍巖受8號煤層遺留煤柱及上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ墓餐绊憰r(18.41 MPa),垂直應(yīng)力增加了12.18 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.18。

根據(jù)上述研究結(jié)果,將采區(qū)間跳采及采區(qū)內(nèi)順采兩種接替方式下,13號煤層回采巷道所經(jīng)歷的應(yīng)力場演化規(guī)律進(jìn)行匯總分析,如表5所示。

表5 不同接替方式下圍巖應(yīng)力場分布結(jié)果

3 結(jié)論

圍繞肖家洼煤礦雙煤層協(xié)同開采技術(shù)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(xiàn)的影響,得出以下主要結(jié)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(yīng)力集中現(xiàn)象均出現(xiàn)在8號煤層對應(yīng)位置附近出現(xiàn)遺留煤柱后,且隨著上區(qū)段工作面的開采及本工作面的推進(jìn),應(yīng)力集中現(xiàn)象不斷加劇,集中系數(shù)不斷增大。

2)當(dāng)接替方式為“換翼采區(qū)間跳采”時,13號煤層回采巷道圍巖應(yīng)力場集中系數(shù)小,應(yīng)力增高持續(xù)時間長,增大幅度較小,因此當(dāng)雙煤層開采時采用換翼區(qū)間跳采方法時,有利于減弱13號煤層回采巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。