近距離煤層上行開采的采動系數(shù)及巷道位置研究*

黃慶享，宋號號，曹 健，錢萬學，侯 挺，聶 謙

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司象山礦井，陜西 韓城 715400)

0 引言

煤礦開采過程中，由于開采解放層、上煤層含水、采掘接續(xù)、小煤窯開采影響等原因，采用了上行開采方式，導致采空區(qū)上方遺棄有大量的可采煤層。研究上行開采覆巖垮落規(guī)律，確定垮落帶煤層及頂?shù)装宓耐暾院涂刹尚?，確定合理的上行開采工作面巷道位置，對安全高效的上行開采具有重要意義。

劉天泉院士[1]基于不同巖性組合，提出了上行開采的可行性判斷方法；孫廣京[2]等采用釆動影響倍數(shù)法、三帶判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計法論證了上行開采的可行性；黃慶享[3]等通過物理模擬和理論分析，研究了條帶采空區(qū)上近距離煤層上行開采底板的穩(wěn)定性；張恩強[4]等通過物理模擬，給出了下煤層開采頂板橫、縱裂隙發(fā)育寬度、高度和間距的確定方法；曲華[5]等用數(shù)值模擬方法分析了上行開采的應力分布與卸壓規(guī)律；張金海[6]等利用FLAC軟件給出了下層煤開采后上層煤的下沉量和下沉曲率，提出了應力升高和降低區(qū)位置；馮國瑞[7-8]等通過物理模擬，給出了上行開采層間巖層的結(jié)構(gòu)特征；馬力強、汪理全等給出了圍巖平衡高度的求解公式[9-10]，認為上行開采不僅要考慮上、下煤層間隔巖層的巖性，還應考慮上煤層覆巖狀況；肖同強[11]等提出采場覆巖周期性斷裂拱，拱頂水平線是判斷上行開采的分水嶺。黃萬朋[12等基于下煤層釆動覆巖裂隙帶特征和集中應力分布，提出了上行開采的合理巷道位置。張春雷[13]等發(fā)現(xiàn)上行開采工作面具有大小周期來壓現(xiàn)象。

國外對于上行開采的可行性分析主要是基于層間距與采高的關(guān)系，研究結(jié)果具有差異性。如蘇聯(lián)的經(jīng)驗認為緩傾斜煤層的采動系數(shù)K≥10，波蘭的研究經(jīng)驗是K>6，中國的實踐經(jīng)驗是K>7.5，說明不同的巖層性質(zhì)對結(jié)果具有影響，需要具體研究[14]。

象山煤礦21305工作面位于下煤層采空區(qū)，間距17 m，屬于近距離煤層上行開采。其采動系數(shù)K為6.4，處于國內(nèi)外可上行開采的臨界區(qū)間，值得具體研究。以此為背景，采用物理相似模擬和數(shù)值模擬，研究21503工作面覆巖垮落三帶規(guī)律，確定21305工作面上行開采的可行性，為類似開采提供借鑒。

1 開采條件及實驗設(shè)計

1.1 工作面概況

象山煤礦21503綜采工作面位于南一上山采區(qū)，屬5#煤層第三個綜采工作面，如圖1所示。工作面寬度180 m，推進長度839.3 m，設(shè)計采高2.8 m，煤層傾角3°，其上覆3#煤層未開采，兩煤層間距17～26 m，平均24 m。

圖1 21305工作面與21503工作面位置圖

1.2 物理相似模擬實驗設(shè)計

物理相似模擬采用平面模型(長×寬×高)為200 cm×18 cm×102.5 cm，模型幾何相似比αl=1∶100；重力相似比αγ=2∶3；位移相似比αs=1∶100；彈模、強度、粘結(jié)力相似比αR=αE=αC=αlαγ=1∶100。本次實驗以最小層間距17 m進行實驗，地層參數(shù)，見表1。實驗采用測力支架測定采場壓力，全站儀觀測巖層移動，照相和素描記錄破斷運動。

表1 煤巖物理力學參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬模型設(shè)計

根據(jù)象山煤礦21305工作面地質(zhì)條件，采用UEDC軟件進行計算，模擬寬度300 m，高度200 m范圍。工作面開采寬度180 m，兩側(cè)預留60 m邊界區(qū)。模型頂部為自由邊界，施加均布載荷模擬至地表壓力，模型底部和左右兩側(cè)為固定邊界。計算運用摩爾-庫倫屈服準則。

2 上行開采覆巖垮落規(guī)律物理模擬

2.1 上行開采覆巖走向垮落分帶特征

根據(jù)物理模擬，5#煤層21503工作面開采后，覆巖垮落可分為四帶，分別為冒落帶、強裂隙帶、弱裂隙帶、彎曲下沉帶。冒落帶高度為8 m；強裂隙帶發(fā)育高度為20 m，基本以3#煤層為界；弱裂隙帶發(fā)育高度為93 m；上部巖層處于彎曲下沉帶。工作面傾向兩側(cè)巖層破斷角平均60°，如圖2所示。

圖2 5#煤層開采后沿走向覆巖垮落狀況

根據(jù)模擬實驗，21503工作面開采后，除了初采段(左端)外，上部3#煤層基本處于均勻沉降，裂隙密度為5 m/條，煤層及頂?shù)装逋暾暂^好，可以進行上行開采。

2.2 覆巖及3#煤層傾向垮落與下沉規(guī)律

5#煤層21503工作面開采后，工作面傾向裂隙帶內(nèi)3#煤層下沉曲線，如圖3所示，呈現(xiàn)對稱分布，3#煤層最大下沉量為1.9 m，下沉系數(shù)約為0.7。

圖3 采空區(qū)上部3#煤層傾向下沉曲線

21503工作面傾向垮落盆地邊緣形態(tài)，如圖4所示。覆巖傾向破斷角60°，在3#煤層位置形成自5#煤層邊界向采空區(qū)18 m的懸伸段，與該段相鄰為寬度15 m的傾斜離層帶，傾角為4.6°。傾斜離層帶處于下沉盆地邊緣的傾斜段，裂隙和離層較發(fā)育，3#煤層巷道布置應該避開傾斜離層帶。在傾斜離層帶之后，3#煤層及其底板進入下沉盆地底部，煤層及頂?shù)装迤秸遣贾庙槻鄣睦硐胛恢?。但是，如此工作面將縮短66 m，煤柱損失較大。如果布置于懸伸段，3#煤層工作面可采寬度較大，煤柱損失小，但需避開集中應力的影響。

圖4 21503工作面覆巖傾向垮落狀態(tài)(邊界部分)

3 上行開采圍巖應力和垮落數(shù)值模擬

3.1 巷道周邊圍巖應力分布

數(shù)值模擬表明(圖5)，21503工作面回采后，在5#煤層邊界煤柱上覆圍巖中存在應力升高區(qū)，最大應力集中達18 MPa。工作面中部形成左右對稱分布的卸壓盆地，最小應力區(qū)域為2 MPa，頂板的垂直應力隨層位的升高而增大。

圖5 21503工作面采空區(qū)垂直應力分布

不同巷道位置的圍巖垂直應力分布的變化規(guī)律，如圖6所示，上煤層垂直應力與水平應力的變化，如圖7所示(內(nèi)錯為負，外錯為正)。當巷道對齊布置時，上煤層垂直應力峰值達到10.5 MPa，水平應力峰值達到1.7 MPa；當巷道內(nèi)錯布置時，上煤層垂直應力范圍為2～10 MPa，水平應力范圍為0.3～1.5 MPa，其中內(nèi)錯10 m后垂直應力與水平應力均達到較小值；巷道外錯布置時，上煤層垂直應力為11～16 MPa，水平應力為2.0～4.5 MPa，外錯10～15 m垂直應力與水平應力均處于最大區(qū)域。

3.2 上行開采工作面巷道合理位置

根據(jù)物理模擬和數(shù)值模擬計算，巷道應內(nèi)錯布置于應力降低區(qū)，有利于巷道維護。傾斜離層帶雖然也處于應力降低區(qū)，但巖層底板存在4.6°傾斜，且煤層及頂?shù)装逵须x層，完整性相對較差，不適宜布置巷道。

a-內(nèi)錯30 m;b-內(nèi)錯15 m;c-內(nèi)錯10 m;d-內(nèi)錯5 m;e-對外布置;f-外錯5 m;g-外錯10 m;h-外錯15 m圖6 21305工作面巷道垂直應力分布

內(nèi)錯33～34 m布置時，上部工作面及巷道都位于平整下沉盆地內(nèi)，但工作面寬度減小66～68 m，煤柱損失較大。

綜合考慮，巷道合理位置應處于懸伸段，內(nèi)錯10 m布置，該位置3#煤層及頂?shù)装灞容^完整，巷道穩(wěn)定性較好，并且處于圍巖應力降低區(qū)，是布置巷道的合理位置。

通過象山煤礦井按照上述研究，將上行開采的21305工作面巷道內(nèi)錯10 m布置，位于懸伸段距5#煤層邊界10～14.4 m處。21305工作面實踐表明，煤層及頂?shù)装灞容^完整，可以進行上行開采。

a-垂直應力分布曲線；b-水平應力分布曲線圖7 巷道圍巖最大應力隨錯距的變化規(guī)律

4 上行開采安全間距及采動系數(shù)確定

關(guān)于近距離煤層上行開采可行性的主要指標，國際上通用的指標是采動系數(shù)K，即間隔巖層厚度H與下煤層采高M之比

(1)

前蘇聯(lián)的研究普遍認為，采動系數(shù)需要大于10；波蘭的研究經(jīng)驗，上行開采的采動系數(shù)需要大于7；國內(nèi)以往的成功經(jīng)驗是采動系數(shù)大于7.5。本次韓城象山煤礦上行開采取得成功的采動系數(shù)是6.4，突破了國內(nèi)的傳統(tǒng)認識，為同類上行開采提供了借鑒。

下面就確定可行的上行開采層間距(或采動系數(shù))進行分析。

4.1 前蘇聯(lián)的上行開采經(jīng)驗

r.H.庫茲涅佐夫認為，層間距與下煤層采高及巖石碎脹系數(shù)Kp有關(guān)[15]，即

(2)

B.д.斯列沙烈夫認為，上行開采的層間距需要大于冒落帶高度，計算公式為

(3)

4.2 波蘭的上行開采經(jīng)驗公式

M.胡德克等人認為，上行開采的層間距與下煤層采高成正比，與巖石碎脹系數(shù)及冒落矸石壓縮率成反比關(guān)系[16]，即

(4)

馬克葉夫斯認為，層間距與下煤層采高的平方成正比，與巖石碎脹系數(shù)成反比，即

(5)

式(2)-(5)中：H—上、下煤層的層間距，m；M—下煤層采高，m；Kp—巖石碎脹系數(shù)；η—冒落矸石的壓縮率；α—煤層傾角，(°)。

根據(jù)國外經(jīng)驗公式，若Kp=1.3，公式(2)和公式(5)計算得出K值分別為23和26，均偏大。公式(3)得出K為3.3，明顯偏小。

4.3 中國象山公式

由于國外的經(jīng)驗公式均不適用，為此，根據(jù)作者對象山煤礦上行開采的研究與實踐，只要上煤層位于強裂隙帶之上，就可進行上行開采。為此，提出可上行開采的煤層間距為

即，上行開采的采動系數(shù)經(jīng)驗公式為

(6)

可見，上行開采的采動系數(shù)與下煤層采高和間隔巖層的碎脹系數(shù)有關(guān)，上行開采的層間距約為冒落帶的2倍。

5 結(jié)論

(1)為了準確地分析上行開采條件，提出了頂板垮落四帶劃分，即冒落帶、強裂隙帶、弱裂隙帶、彎曲下沉帶。

(2)上行開采煤層必須位于強裂隙帶之上的弱裂隙帶，才能進行安全開采。象山煤礦的研究與實踐表明，3#煤層處于5#煤層開采的強裂隙帶頂界，21503工作面開采后其上3#煤層裂隙密度為5 m/條，煤層及頂?shù)装逋暾暂^好，上部3#煤層可進行開采。

(3)沿走向?qū)旅簩映醪呻A段，上煤層存在下沉集中現(xiàn)象，煤層完整性較差，工作面開采需要避開該段。沿傾向，對應下煤層開采邊界向采空區(qū)方向，存在懸伸段和傾斜離層段。上行開采工作面順槽可內(nèi)錯布置于懸伸段。該段圍巖完整，工作面寬度較大，回采率較高。

(4)根據(jù)研究，象山煤礦21305工作面巷道采用內(nèi)錯10 m布置，實踐表明，巷道處于減壓區(qū)，圍巖穩(wěn)定，是較理想的位置。