02 號煤層蹬空區域可采性研究★

范經天，謝建林，龐杰文，郝永江，柳 凱

（太原科技大學安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

近年來，因國家資源整合，中小型煤礦兼并改造政策的實施，要求許多小型礦井合并重組，從而進行更加完善的規劃和利用。目前，整合重組的礦井存在大量蹬空儲煤區域，然而蹬空開采區域會受到已開采區域的影響，可能會出現裂隙發育、煤體整體彎曲下沉的情況，存在一定危險性，會極大增大巷道掘進和回采過程中頂板管理難度。在我國大多數礦井中，依據煤層分布情況，一般的采煤順序為從上到下開采，即下行開采[1-2]，煤層初采之后形成的采空區，位于現采煤層上方。然而，由于考慮我國當前的采煤工藝、采煤設備以及資源利用等原因[3]，經常會優先開采煤質較好、圍巖情況較好的煤層，在這種情況下，上部煤層就會被擱置。綜合考慮我國當前的煤炭市場、煤炭資源儲備情況，回采上方擱置的煤層才能讓煤炭資源得到充分的利用。先采標高低的煤層，后采標高高的煤層，這種方法稱為上行開采，即蹬空開采[4-5]。下部煤層采空之后，會對上部煤層的開采產生影響，圍巖應力變化會導致開采過程中頂底板斷裂破碎，甚至大面積懸空，造成嚴重的頂板事故，同時造成吸附的瓦斯釋放，引起瓦斯和煤塵爆炸等一系列問題，增大開采危險性。近年來，國內煤炭科研專家對蹬空開采可行性進行了大量研究，侯文高[6]研究了朱子埠煤礦17煤蹬空開采效益，發現煤壁前方可能出現應力增高區，同時工作面支柱載荷和頂板下沉量呈周期性變化，提出了蹬空區域可采的理論開采條件和開采建議。張學東[7]使用概率分析法對蹬空去底板變形規律進行預判，同時用圍巖平衡法、“三帶”判別法、數理統計分析法等方法論證蹬空區域開采可行性，構建了蹬空采煤的理論架構。劉常榮等[8]研究了張家礦薄煤層蹬空開采區域的綜采工作面的頂底板壓力規律，得出頂底板應力集中現象可由支架工作阻力表示，并給出了特殊回采工藝和方法。馬菁花等[9]研究了蹬空開采時工作面在不同推進距離下的頂板圍巖變形特點、頂板來壓步距，垮落情況及液壓支架承載特點，得出頂板變形程度大小規律。劉超軍等[10]對開采中期、后期和停采后圍巖變形情況等現場數據進行分析，得出圍巖變形速率明顯小于停采后穩定條件下的圍巖變形速率，蹬空開采區域下方煤柱可以有效穩定工作面煤體應力分布，從而提高資源利用率。屯蘭煤礦在井田南部受2 煤回采影響，形成了02 煤的部分蹬空，需分析其可采性，為屯蘭礦儲量計算統計提供科學依據。

1 工程概況

井田位于太原西山煤田的西北部、馬蘭向斜的東翼。地層傾向南南西，傾角2°～15°，從井田整體構造形態看，呈一走向北北東～北北西傾向南西～南東的波浪狀單斜構造，有少量寬緩褶皺，但次一級小型波狀褶曲發育，斷層較多且成組出現，井田內的主要構造為斷層和陷落柱，其次為褶皺。

礦井采用“兩斜一立”綜合開拓方式，設計+750 m、+650 m 兩個水平開采，現生產水平為+750 m 水平，+650 m 為接替水平。根據屯蘭煤礦地質資料可知，02煤層厚0.00～2.32 m，平均0.78 m。井田北半部02 號煤層發育不好，多處出現尖滅區，蘊藏區煤層厚度由井田北部向南部逐漸增厚，大部分可采區位于井田南部。02 煤的頂底板多為砂質泥巖，泥巖或粉砂巖。2 煤頂板以砂質泥巖和泥巖為主，次為細粒砂巖和炭質泥巖，底板以炭質泥巖為主，次為砂質泥巖。

結合礦井采掘現狀，目前02 煤存在蹬空的區域分布在井田南部，主要受2 號煤層回采影響。蹬空區鉆孔參數見表1。

表1 蹬空區鉆孔參數

2 02 號煤層被蹬空煤炭資源可采性理論分析

影響上行開采的主要因素有：煤層間距、層間結構、層間巖性、煤層厚度、采高、采煤方法、開采間隔、煤層傾角等[11]。蹬空開采可行性論證的理論判別方法有比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法、數理統計分析法、經驗公式分析法和頂底板破壞規律實測法[12-13]，本文擬采用比值判別法、圍巖平衡法和數理統計分析法對02 煤層蹬空可行性進行分析。

2.1 比值判別法

比值判別法[12]是通過分析采動影響倍數及綜合采動影響倍數及上覆巖層的巖性，判定煤層是否可進行蹬空開采。其中，采動影響倍數K 是指上下煤層的層間距H 與下煤層采高M 之比，見公式（1）、圖1。

圖1 兩層煤層蹬空順序開采的比值判別

式中：K 為上下煤層層間距與下煤層采厚的比值；H為上下煤層層間距，m；M2為下位m2煤層的采厚，m。

我國蹬空開采的大量研究數據表明：當上、下煤層之間為堅硬巖層且K≥8 時，上層煤蹬空開采可行；當上、下煤層之間為中硬巖層且K≥7.5 時，上層煤蹬空開采可行；當上、下煤層之間為軟弱巖層且K≥7 時，上層煤蹬空開采可行。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中對覆巖巖性的判定依據可知02 煤層和2 煤層之間巖層屬于中硬巖層。將煤層厚度、層間距等數據帶入公式（1）計算，結果如表2 所示，K 值均小于7.5，因此02 煤蹬空開采不可行。

表2 02 煤蹬空區可采性比值判別法結果

2.2 圍巖平衡法

平衡巖層是指在回采過程中不產生臺階錯動現象的平衡巖層結構。蹬空開采會破壞煤巖的應力平衡狀態，出現應力集中現象，上覆煤巖受到橫向和縱向剪切拉伸破壞，產生大量煤層裂隙，導致煤層被破壞，但是煤層裂隙會隨著時間的延長慢慢閉合，縱向剪切變形會引起無煤層臺階錯動，是影響蹬空開采的主要因素。控制縱向剪切變形，就是蹬空區域圍巖壓力平衡問題。圍巖平衡高度[12]是下煤層頂板至平衡巖層頂板的高度，見公式（2）。

式中：M 為下煤層煤厚，m；hp為平衡巖層本身的厚度，m；K1為距煤壁L（來壓步距）處的巖石碎脹系數。

采用圍巖平衡法判別開采可行性時，需要考慮煤層之間的巖性，K1取值為1.1，平衡巖層厚度取4.8 m。將各數值代入公式（2），計算蹬空開采必要層間距HP，結果如表3 所示，02 煤與2 煤的層間距均小于蹬空開采必要層間距，因此02 號煤層不具備開采可行性。

表3 02 煤蹬空區可采性圍巖平衡法結果

2.3 數理統計分析法

北京開采所劉天泉院士[13]通過數理統計分析法出求出了受下部一個煤層采動影響的蹬空開采的必要層間距H 計算公式，見公式（3）。

式中：M 為下煤層煤厚，m；MS為上煤層煤厚，m。

將2 號煤采高與02 號煤厚度代入公式（3），計算受下部一個煤層采動影響的蹬空開采的必要層間距H，計算結果如表4 所示。02 煤與2 煤的層間距基本均小于蹬空開采必要層間距，因此區域內02 號煤層不具備開采可行性。

表4 02 煤蹬空區可采性數理統計法結果

2.4 02 煤蹬空區域可采性綜合分析

經上述方法判定，比值判別法、圍巖平衡法、數理統計分析法判定結果均為02 煤不符合可采判別依據，因此綜合判定02 煤蹬空區域不具備可采性。

3 02 號煤層被蹬空煤炭資源可采性數值模擬

3.1 數值模型的建立

根據屯蘭煤礦煤層賦存情況，建立FLAC3D 仿真模型，如圖2 所示。模型尺寸為300 m×320 m×260 m，共有74 層巖層，8 種巖性。巖石力學參數如表5所示。模型共劃分948 000 個單元，1 013 549 個節點。模型施加初始應力，水平應力與垂直應力比為1.2∶1。自上而下為遞增應力，垂直應力梯度為2.5×10-2MPa/m，水平應力梯度為3.0×10-2MPa/m。根據礦方所提供的地質資料，2 煤埋深約為325 m，計算可知模型上部均布荷載為4.63 MPa，模型的前、后、左、右四側采用鉸支邊界。考慮數值模擬的邊界效應問題，模型四周各留50 m 煤柱用以消除開挖模型帶來的邊界影響，工作面沿Y 方向布置，工作面長度為220 m，X 方向為工作面推進方向。

圖2 模型圖

表5 煤巖物理力學參數

3.2 模擬方案

模擬計算分為兩步，第一步：在初始應力條件下，模型運算至平衡狀態，模擬巖層開挖前的狀態；第二步：2 煤層開挖，每開挖10 m，進行一次運算，共開挖200 m，以此分析煤層開挖后上覆巖層的破壞規律以及其對上層煤的影響。

3.3 2 煤回采對02 煤的影響分析

圖3 為2 煤工作面推進10、40、80、120、160、200 m時塑性區分布圖。由圖3 可以看出，工作面推進10 m時，工作面上覆巖層受到剪切應力和拉應力作用，作用范圍是工作面上方直接頂；工作面推進40 m 時，工作面上覆巖層發生不同程度的剪切和張拉破壞，導致工作面直接頂密閉性被破壞；直接頂上方細砂巖和粉砂巖巖層應力區域趨于穩定，未受到破壞，之上的砂質泥巖受剪切應力影響；工作面推進80 m 時，上方粉砂巖發生程度較大的張拉破壞，直接頂砂質泥巖和細砂巖受到剪切應力和拉應力作用，工作面兩端發生較深的剪切破壞區域，高度為12.4 m，影響區域為工作面兩端以內9 m，作用范圍為工作面上方直接頂、基本頂和之上的粉砂巖，最高破壞區域為工作面兩端以內15 m 位置的17.6 m 高處；工作面推進120 m 時，塑性破壞高度穩定，不再向上擴展，橫向繼續延伸，張拉破壞作用厚度由4.5 m 延伸到9 m，影響區域為工作面兩端以內6 m；工作面推進160 m 時，位于基本頂上方的粉砂巖受到張拉破壞的區域趨于穩定，張拉破壞作用厚度約為10 m，影響區域為工作面兩端以內4 m；工作面推進200 m 時，位于基本頂上方的粉砂巖張拉破壞區域穩定，幾乎沒有變化，影響區域為超出工作面兩端8 m；煤層開采后，上覆巖層沉降離層，頂板受到破壞。

圖3 2 煤回采過程中上覆巖層塑性破壞圖

圖4 為2 煤回采時上覆巖層塑形破壞區的高度變化曲線，由圖可以看出，工作面推進至60 m 時，塑形破壞區高度達到18.8 m，之后塑形破壞高度穩定，不再向上擴展，而在橫向方向延伸。

圖4 2 煤回采過程中塑形破壞區高度變化曲線

2 煤與02 煤之間的層間距平均厚度為14.3 m，小于18.8 m，02 煤位于2 煤回采后形成的破壞區域內，如果在02 煤被蹬空區域內布置工作面，其危險性大，不具備開采可行性。

4 結論

以屯蘭煤礦為研究對象，通過理論分析以及數值模擬等多種研究手段，對02 號煤層上行開采的可行性進行系統分析，研究結論具體如下：

1）采用比值判別法、圍巖平衡法和數理統計分析法對02 煤層被蹬空煤炭資源的可采性進行判別，結果表明2 煤層回采后，02 煤層無法蹬空開采。

2）采用FLAC3D 數值仿真軟件，模擬2 煤回采后上覆巖層的破壞規律，發現2 煤層回采后，02 煤位于2 煤回采后形成的破壞區域內，如果在02 煤被蹬空區域內布置工作面，其危險性大，不具備開采可行性。