高位巨厚堅硬巖層下煤層的合理開采方法研究

王崇剛

(潞安新疆煤化工(集團)有限公司二礦，新疆 哈密 839003)

0 引言

潞新二礦II102采區(qū)位于礦井二水平西部，在一水平I4采區(qū)的下部，采用下山開采10煤層。II102采區(qū)東以5號勘探線及HF7斷層為界，西以10煤層不可采區(qū)為界，上以一水平-475 m西運輸大巷保護煤柱為界，下以-700 m等高線為界。采區(qū)走向長2 000～2 670 m，平均2 340 m，傾斜280～900 m，平均700 m，面積1.638 km2。巖漿巖覆蓋在II102采區(qū)的上方，其整體表現(xiàn)穩(wěn)定。根據(jù)關鍵層判別軟件KSPB判別，為覆巖的主關鍵層。相關的探測顯示，該巖漿巖呈巖床形式分布在煤體上方。除了部分區(qū)域出現(xiàn)褶曲之外，整體分布均勻。

該巖漿巖抗壓強度可達140 MPa，抗拉強度在10 MPa以上。因此，由于巖漿巖的巖體強度高、厚度大，巖漿巖內積聚了大量的彈性能。隨著II102采區(qū)的II1022、II1024工作面的繼續(xù)推采，巖漿巖內積聚的彈性能進一步變化。由于巖漿巖強度高，不易破斷，而是將應力向采空區(qū)煤壁、煤柱傳遞，使這些區(qū)域的煤體產生應力集中。一旦這些區(qū)域的煤體達到其承載能力，便會將煤體內積聚的能量瞬間釋放出來，造成沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害。因此，探討合理的開采方法成為解決潞新二礦安全生產的重大課題。

1 開采方案模擬分析

1.1 模擬模型建立

沿工作面傾向建立模型，所建模型(長×寬)=1 600 m×402 m。高位巨厚堅硬巖層厚120 m，高位巨厚堅硬巖層與開采煤層之間層間距170 m，模擬3個工作面開采，每個工作面長度160 m，兩工作面之間留設5 m的煤柱。模型中選用的巖層參數(shù)參照潞新二礦II102采區(qū)的地質資料，建立的數(shù)值計算模型如圖1所示。

圖1 高位巨厚堅硬巖層條件下工作面開采通用模型

1.2 模擬開采方案運算

第一個工作面500～660 m一次開采，待運算平衡后，再對第二個工作面665～825 m一次開采，待運算平衡后，再開采第三個工作面830～990 m，直至運算平衡。

圖2 第一、二個工作面開采后高位巨厚堅硬巖層的下沉量

如圖2所示，在第一個工作面開采后，高位巨厚堅硬巖層發(fā)生較小的下沉，第二個工作面開采后，隨著采空區(qū)面積增大，高位巨厚堅硬巖層繼續(xù)下沉，但下沉量不大，僅為0.32 m。通過2個工作面開采后高位巨厚堅硬巖層下沉量，可以判斷出此時高位巨厚堅硬巖層尚未破斷。當開采第三個工作面時，通過采用不同的開采方案，對高位巨厚堅硬巖層的破斷情況進行分析研究，以實現(xiàn)高位巨厚堅硬巖層條件下安全開采。

1.3 模擬垮落法開采

第三個工作面采用垮落法開采時，高位巨厚堅硬巖層急劇下沉，如圖3所示，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量可達2.16 m，說明高位巨厚堅硬巖層發(fā)生破斷，此時，工作面易發(fā)生沖擊地壓等動力災害。因此，應采取有效措施控制高位巨厚堅硬巖層運動，防止其突然破斷，釋放其積聚的巨大能量。

圖3 垮落法開采第三個工作面高位巨厚堅硬巖層下沉量

1.4 模擬工作面留大煤柱，采用條帶開采

條帶開采是將所要開采的煤層區(qū)域劃分成若干個條帶，采用采一條留一條的方式，使留下的煤柱能夠有效地支承上覆巖層載荷，減少地表下沉。由于條帶開采能有效地控制地表坍陷，且采煤過程中增加的成本較少，所以大量的礦井廣泛采用此采煤方法。第二個工作面開采后，在第二個工作面和第三個工作面之間留設70 m的大煤柱，然后再進行第三個工作面的垮落法開采，開采結果如圖4所示，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.54 m，因此，可以判斷出高位巨厚堅硬巖層尚未發(fā)生破斷。

圖4 留大煤柱開采第三個工作面高位巨厚堅硬巖層下沉量

1.5 模擬離層區(qū)注漿充填開采

實驗及現(xiàn)場實測結果表明，高位巨厚堅硬巖層對地表的移動變形起控制作用。高位巨厚堅硬巖層的破斷將引起地表的快速下沉，地表的下沉速度也隨著高位巨厚堅硬巖層的周期性破斷發(fā)生跳躍性變化。通過關鍵層理論，可以對高位巨厚堅硬巖層下由于開采形成的離層區(qū)進行注漿，控制高位巨厚堅硬巖層的破斷下沉，實現(xiàn)工作面的安全回采[4-5]。離層技術的關鍵是覆巖中有典型的主關鍵層且離層區(qū)發(fā)育較好，主關鍵層遠離煤層，處在緩沉帶及以上位置時，才適用于離層注漿緩沉，如圖5所示。

圖5 離層區(qū)注漿示意圖

離層區(qū)充填之后，工作面兩側煤體所承受的載荷明顯小于未充填時煤體所承受的載荷，支承壓力增高區(qū)峰值降低，應力集中系數(shù)變小，此時形成“離層充填體+高位巨厚堅硬巖層+煤體”的支承結構，充填體分擔部分載荷，減小了煤體承受的載荷，有效地支承上覆巖層，控制地表沉陷。

兩個工作面開采過程中，對高位巨厚堅硬巖層下方的離層空間進行注漿充填，待運算平衡后，再進行第三個工作面的垮落法開采，直至運算平衡。

在實際注漿過程中，漿體擴散形態(tài)極其復雜，且注漿對現(xiàn)場條件的依賴性較強，因此注漿的動態(tài)過程不予考慮，而是對覆巖中賦存漿體的最終狀態(tài)進行模擬。本節(jié)將利用UDEC軟件中SUPPORT單元(即支柱)，將其設置于采動形成的離層之中，用來模擬漿體的充填與支撐作用。用支柱模擬注漿時，用剛度對支柱的增阻特性進行設置。為了使支柱與漿體在力學特性上近似，支柱參數(shù)的取值應保證二者的壓縮特性一致。通過現(xiàn)場實測的漿體壓縮特性確定SUPPORT單元參數(shù)為：剛度10 GN/m，角度90°，間距1 m，沿離層區(qū)水平方向共設置350根支柱。

圖6 采用離層區(qū)注漿充填開采第三個工作面高位巨厚堅硬巖層下沉量

如圖6所示，第三個工作面開采后，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.51 m，說明此時高位巨厚堅硬巖層尚未發(fā)生破斷，離層區(qū)注漿充填開采可有效地控制高位巨厚堅硬巖層的彎曲沉降。

1.6 模擬采空區(qū)充填開采

在工作面推采初期，工作面后方出現(xiàn)采空區(qū)，此時，可將采空區(qū)上覆巖層載荷視為一端由邊界煤柱支撐，另一端由工作面煤壁支撐的簡支梁結構，如圖7所示。隨著工作面的不斷向前推采，煤層頂板在其自重及覆巖載荷作用下，發(fā)生彎曲沉降，當沉降到一定位置，充填體開始參與支撐作用，此時，可將該支承結構視為“煤柱-充填體-煤壁”的力學支撐模型[6]。在充填體未參與支撐前，采空區(qū)頂板會在其自重及其上覆巖層載荷的作用下發(fā)生彎曲變形，當下沉到一定程度，充填體開始參與支撐，此時形成“煤柱-充填體-煤壁”力學結構模型，將上覆巖層載荷分布到多個支撐點上。在充填體參與支撐的情況下，頂板的撓度較小，從而可有效地減緩地表沉陷。

a-充填體作用前頂板受力特征；b-充填體作用后頂板受力特征圖7 頂板的受力特征

采空區(qū)充填采用隨采隨充開采方式，模擬第一個工作面充填開采并運算平衡后，再進行第二個工作面的充填開采，待運算平衡后，再進行第三個工作面的垮落法開采，直至運算平衡。

模型中考慮到充填層的壓縮性、充填體的密實程度等是影響上覆巖層活動的重要因素，因此，結合現(xiàn)場充填體實際壓縮率，在數(shù)值計算時設定充填體的壓縮率為4%。當采用采空區(qū)充填法進行開采時，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.42 m，如圖8所示，可以判斷出高位巨厚堅硬巖層尚未發(fā)生破斷。

圖8 采用采空區(qū)充填開采第三個工作面高位巨厚堅硬巖層下沉量

2 開采方案綜合分析

采用垮落法開采時，隨著煤層不斷開采，高位巨厚堅硬巖層達到其破斷步距發(fā)生破斷，會造成地表沉降量大，損壞地表建筑。并且，高位巨厚堅硬巖層破斷會引發(fā)嚴重的動力災害。

從安全、經濟等角度來看，條帶開采缺點明顯。①條帶開采損失了大量的煤炭資源；②條帶開采過程中留設的條帶煤柱的穩(wěn)定性對條帶開采能否取得理想的效果有極其重要的影響；③煤層開采結束后，留下的孤島煤柱、上山煤柱等將會形成一定的應力集中，在這些區(qū)域很容易發(fā)生煤柱型動力災害；④條帶開采后留下的煤柱還將會對其它煤層的開采造成應力集中，引發(fā)動力災害。

當采空區(qū)充填開采煤體時，充填體參與支撐，與采空區(qū)周圍煤體形成的“煤柱-充填體-煤壁”力學結構模型，使上覆巖層載荷分布到多個支承點上，有效地控制了上覆巖層運移沉降，因而有效地減緩了地表下沉，但工程量大，技術要求高。

離層區(qū)注漿充填開采，離層區(qū)注漿充填開采，盡管一次性投入成本較高，但可有效地緩解地表下沉，控制高位巨厚堅硬巖層破斷運移效果更加明顯。

綜上分析，從安全和技術等方面考慮，建議高位巨厚堅硬巖層下開采方案為：離層區(qū)注漿充填開采方案。

3 結論

(1)每個工作面開采寬度160 m，第一個工作面開采后地表下沉量很小，第二個工作面開采后地表下沉量有一定增加，但下沉量仍不大，僅為0.32 m，此時高位巨厚堅硬巖層尚未破斷。

(2)第三個工作面采用垮落法開采時，高位巨厚堅硬巖層急劇下沉，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量可達2.06 m，說明高位巨厚堅硬巖層發(fā)生破斷。因此，應采取有效措施控制高位巨厚堅硬巖層運動，防止高位巨厚堅硬巖層突然破斷釋放其積聚的巨大能量。

(3)第二個工作面開采后，在第二個工作面采空區(qū)與第三個工作面之間留設70 m的大煤柱，再開采第三個工作面后，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.54 m，因此，可以判斷出高位巨厚堅硬巖層尚未破斷。

(4)第一、二個工作面開采過程中進行覆巖離層區(qū)充填，第三個工作面開采后，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.54 m，說明此時高位巨厚堅硬巖層尚未破斷。表明離層區(qū)充填之后，工作面兩側煤體所承受的載荷明顯小于未充填時煤體所承受的載荷，支承壓力增高區(qū)峰值降低，應力集中系數(shù)變小，形成了“離層充填體+高位巨厚堅硬巖層+煤體”的支承結構，充填體分擔部分載荷，減小了煤體承受的載荷，有效地支承上覆巖層，控制地表沉陷。

(5)當采用采空區(qū)充填法開采時，在充填體參與支承前，上覆巖層載荷勢必會使頂板中間產生較大的撓度，在頂板中間位置彎曲下沉量較大，而充填體參與支承形成的“煤柱-充填體-煤壁”力學結構模型，能將上覆巖層載荷分布到多個支承點上，使頂板的撓度值變小，在此情況下頂板的彎曲下沉量很小，因而可有效地減緩高位巨厚堅硬巖層的沉降。此時，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.51 m，可以判斷出高位巨厚堅硬巖層未發(fā)生破斷。

(6)通過對比留大煤柱開采、離層區(qū)注漿充填開采、采空區(qū)充填開采等多種開采方法對高位巨厚堅硬巖層破斷運移影響，考慮安全、技術等因素，確定高位巨厚堅硬巖層條件下煤層開采技術方案為：離層區(qū)注漿充填開采方案。