房柱式殘采區(qū)蹬空開采可行性研究

關(guān)瑞斌

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

近年來，國(guó)家積極推進(jìn)煤炭資源整合和礦井兼并重組改造等相關(guān)政策，要求中小型礦井合并重組，同一地區(qū)重組后的礦井統(tǒng)一規(guī)劃開采，以提高煤炭資源回收率。目前，整合后煤礦均不同程度存在蹬空儲(chǔ)量，該區(qū)域受到采空區(qū)影響，往往會(huì)出現(xiàn)巖層彎曲下沉、裂隙貫通等現(xiàn)象，給礦井開采帶來極大難度[1-3]。蹬空開采是煤炭特殊開采方法之一，是在下部煤層開采完畢后進(jìn)行上部煤層開采，而下部煤層開采可能會(huì)對(duì)上部煤層帶來結(jié)構(gòu)性破壞，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。因此，蹬空開采前的可行性研究尤為重要。目前，關(guān)于蹬空開采可行性研究成果主要集中在理論判定和數(shù)值模擬[4-8]，其準(zhǔn)確性和可靠性難以估算，真正基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究鮮有報(bào)道。因此，本文以大同煤礦集團(tuán)精通興旺煤業(yè)有限公司9#煤層蹬空開采為研究背景，在理論分析的基礎(chǔ)上，采用鉆孔注水和鉆孔窺視等實(shí)測(cè)方法進(jìn)行研究，評(píng)估論證9#煤層蹬空開采的可行性，研究結(jié)果將有助于房柱式開采條件下蹬空開采技術(shù)發(fā)展，為類似條件下的工程實(shí)踐提供有益的參考。

1 工程概況

精通興旺煤礦為兼并重組煤礦。由于歷史原因，9#煤層大部分區(qū)域遭到破壞，下部12#煤層為房柱式開采殘采區(qū)。為了加強(qiáng)煤炭資源的回收，提高生產(chǎn)效率，需要對(duì)精通興旺煤礦下部12#煤層采空后造成的上部9#煤層蹬空開采可行性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

精通興旺煤礦井田面積1.4157km2，屬于低瓦斯礦井，兼并重組后獲批開采8#、9#、10#、11#、12#、14#和15#煤層，其中，9#、10#、11#煤層大部分被蹬空破壞，12#煤層大部分采空，14#、15#煤層未采。井田位于大同向斜北東部，呈單斜構(gòu)造，傾角5°～8°。9#煤層平均厚度2.5m，最大埋深295m，最小埋深175m。蹬空開采位置在9#煤層8902綜采工作面，8902工作面下部12#煤層為12-1層和12-2層合并，厚度較大，平均為5.0m，9#煤層和12#煤層的平均間距為53.71m，前期12#煤層開采方法為房柱式開采。9#煤層直接頂砂質(zhì)泥巖，厚度約3m；老頂細(xì)砂巖，厚度約7m；直接底細(xì)砂巖，厚度約13m。12#煤層直接頂砂質(zhì)泥巖，厚度1.8～4.2m；老頂細(xì)砂巖，厚度19～29m；直接底細(xì)砂巖，厚度約2.5m。

2 蹬空開采可行性理論分析

蹬空開采和上行開采的理論基礎(chǔ)極為相似，因此，可以借助上行開采的相關(guān)理論來分析蹬空開采的可行性。蹬空開采原則是下部煤層采動(dòng)影響不能造成上覆巖層強(qiáng)烈變形破壞。下部煤層開采后上覆巖層的下沉難以避免，但應(yīng)保證一定的整體性和連續(xù)性，煤層在垂直方向上不能形成較大位移的臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。目前，蹬空開采可行性判別方法主要有采動(dòng)影響倍數(shù)法、“三帶”判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法和時(shí)間間隔判別法等[9，10]?；趯?shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件的理論計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 蹬空開采可行性理論計(jì)算結(jié)果

由表1可知，綜合采用多種理論方法判斷下部12#煤層開采后上覆煤層的變形破壞程度，初步判定9#煤層蹬空開采可行。

3 房柱式殘采區(qū)煤柱穩(wěn)定性分析

12#煤層房柱式開采殘采區(qū)煤柱穩(wěn)定是保證上部9#煤層蹬空開采的前提。分別采用普氏拱理論和三向受力狀態(tài)理論判定12#煤層房柱式殘采區(qū)煤柱穩(wěn)定性。

3.1 普氏拱理論

普氏拱理論的關(guān)鍵在于確定拱的形狀。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件對(duì)稱時(shí)，壓力拱受力和形狀也對(duì)稱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件該工程可以將壓力拱當(dāng)成對(duì)稱問題研究。12#煤層采寬b=8～18m，留寬a=3～5m，煤層平均厚度5.0m，平均埋深320m。普氏拱理論計(jì)算模型如圖1所示，圖中陰影部分為可能的塑性區(qū)或坍塌范圍。

圖1 普氏拱理論計(jì)算圖

煤柱兩側(cè)煤幫破壞范圍c按照式(1)估算：

(1)

式中，Kc為采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)，受采動(dòng)時(shí)取1.5～2.0；γ為巖層平均容重，kN/m3；H為采深，m；Bc為水平擠壓系數(shù)，一般取1.0～2.0；σm為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，kPa；h為煤柱高度，m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)得到：

c=[1.5×25×103×320×1.0/(103×10×

103)-1]×6.3×tan(45°-40°/2)=0.588m

房柱式煤柱穩(wěn)定核區(qū)寬度：

s=a-2c=(3.0～5.0)-2×0.588=1.8～3.8m

據(jù)此可知，煤柱中間有1.8～3.8m的穩(wěn)定核區(qū)，但煤柱兩側(cè)難免會(huì)出現(xiàn)片幫現(xiàn)象?？紤]煤層流變特性，煤柱穩(wěn)定性會(huì)逐加降低。

3.2 三向受力狀態(tài)理論

房柱式煤柱存在“核區(qū)”時(shí)，則保留的房柱式煤柱呈三向受力狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 三向受力狀態(tài)理論計(jì)算圖

威爾遜通過煤柱加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，屈服區(qū)寬度Y與開采深度H和煤柱高度h有關(guān)：

Y=0.005hH

(2)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)得到Y(jié)=6.4～9.6m。由現(xiàn)場(chǎng)資料可知，12#煤層留寬約3～5m，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)范圍較大，煤柱穩(wěn)定性較差。

綜合以上兩種理論判定結(jié)果可知，12#煤層房柱式開采后，殘采區(qū)煤柱經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的變形累計(jì)，中部不可能存在大范圍的穩(wěn)定核區(qū)，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)不斷擴(kuò)展貫通，對(duì)后續(xù)9#煤層的蹬空開采有一定影響。

4 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的蹬空開采可行性分析

為了確保9#煤層蹬空開采的安全性，在初步論證可行性結(jié)論的基礎(chǔ)上，需要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段更加直觀、可靠地驗(yàn)證理論分析的正確性。因此，現(xiàn)場(chǎng)選擇在9#和12#煤層重疊區(qū)域，圍繞8902綜采工作面，借助鉆孔注水和鉆孔窺視等手段，研究12#煤層房柱式開采引起的巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示其覆巖分布特征，進(jìn)一步評(píng)估9#煤層蹬空開采的可行性。

4.1 鉆孔注水方案

鉆孔注水的目的是監(jiān)測(cè)12#煤層開采后上覆巖層垮落帶和裂隙帶高度。由于12#煤層開采后上覆巖層會(huì)形成不同的分層結(jié)構(gòu)且各個(gè)分層的裂隙發(fā)育程度不同，因此在其內(nèi)部注水時(shí)其注水速度不盡相同，據(jù)此可以大致判定各個(gè)分層的范圍。一般而言，垮落帶裂隙高度發(fā)育，導(dǎo)水性極好；裂隙帶裂隙較發(fā)育，導(dǎo)水性一般；彎曲下沉帶相對(duì)完整，裂隙不發(fā)育，導(dǎo)水性很差。鉆孔注水系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 鉆孔注水系統(tǒng)示意圖

鉆孔注水監(jiān)測(cè)位置選擇在9#煤層8902綜采工作面上方的排水巷中，現(xiàn)場(chǎng)總共布置5個(gè)鉆孔，分別編號(hào)Z1—Z5，鉆孔自上而下由排水巷底板向12煤層殘采區(qū)方向垂直施工，鉆孔深度不低于60m，鉆孔兩側(cè)用封孔器阻塞嚴(yán)密。鉆孔布置如圖4所示。

圖4 鉆孔布置平面圖

4.2 鉆孔注水監(jiān)測(cè)分析

圖5 鉆孔注水監(jiān)測(cè)結(jié)果

排水巷底板距離12#煤層頂板的距離約為60m，鉆孔注水監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，距排水巷底板距離0～30m范圍內(nèi)巖層的注水速度基本小于0.01m3/min，注水速度較慢，說明該范圍內(nèi)的巖層完整性較好，裂隙不發(fā)育，判定為彎曲下沉帶；距排水巷底板距離30～50m范圍內(nèi)巖層的注水速度發(fā)生跳躍性變化，最大值達(dá)到0.09m3/min，注水速度為彎曲下沉帶的近10倍，該范圍內(nèi)注水速度較大的區(qū)段位于硬巖下方，這是由于硬巖的存在，使得硬巖上下部巖層的變形程度相差較大，總體而言，該范圍內(nèi)的巖層完整性遭到一定程度的破壞，裂隙發(fā)育，判定為裂隙帶；距排水巷底板距離50～60m范圍內(nèi)巖層的注水速度較大，均在0.15m3/min以上，注水速度大約為彎曲下沉帶的10多倍，該范圍內(nèi)的巖層完整性遭到嚴(yán)重破壞，巖層破碎，裂隙發(fā)育，判定為冒落帶。

綜上分析可知，冒落帶高度距離12#煤層頂板不超過10m，裂隙帶高度約為25m左右，而9#煤層和12#煤層的間距為53.17m，因此，可以判定9#煤層位于12#煤層房柱式開采形成的采場(chǎng)彎曲下沉帶內(nèi)，節(jié)理裂隙發(fā)育不顯著，巖層的整體性和完整性未得到嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞，可以進(jìn)行蹬空開采。

4.3 煤層間巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)

考慮到9#和12#煤層的間距不大，且12#煤層房柱式開采殘留的煤柱失穩(wěn)可能會(huì)導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生沉降、變形甚至破壞，從而影響9#煤層的安全開采，因此需要采用更加直觀的手段觀測(cè)巖層的結(jié)構(gòu)特征。

借助于注水實(shí)驗(yàn)后遺留的鉆孔，采用鉆孔窺視儀對(duì)9#煤層底板一定范圍的巖層進(jìn)行成像觀測(cè)，再現(xiàn)巖層的真實(shí)結(jié)構(gòu)。觀測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，12#煤層開采后，9#煤層底板巖層出現(xiàn)一定程度的變形，距離底板20m范圍內(nèi)的巖層出現(xiàn)寬度較小的節(jié)理裂隙，且基本上以水平方向分布，貫通性較差，并未出現(xiàn)縱向剪切變形，巖層的整體性較好，說明9#煤層及底板巖層未發(fā)生劇烈破壞，僅出現(xiàn)煤巖體的內(nèi)部損傷，未出現(xiàn)嚴(yán)重影響9#煤層蹬空開采的臺(tái)階下沉現(xiàn)象。而距離底板20m范圍以外的巖層出現(xiàn)寬度較大的裂隙，并伴隨有縱向裂縫，橫縱貫通，巖層的整體性遭到嚴(yán)重破壞，判定為裂隙帶范圍，這也從與之前鉆孔注水實(shí)驗(yàn)得到的裂隙帶范圍基本一致。

圖6 巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

1)通過采動(dòng)影響倍數(shù)法、“三帶”判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法和時(shí)間間隔判別法等從理論上研究了精通興旺煤礦9#煤層蹬空開采的可行性，得到9#煤層位于12#煤層殘采區(qū)上方的彎曲下沉帶內(nèi)，初步判定了9#煤層蹬空開采可行。

2)采用普氏拱理論和三向受力狀態(tài)理論分別判定了12#煤層房柱式開殘采區(qū)煤柱穩(wěn)定性：12#煤層房柱式開采后，殘采區(qū)煤柱中部不可能存在大范圍的穩(wěn)定核區(qū)，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)不斷擴(kuò)展貫通，對(duì)后續(xù)9#煤層的蹬空開采有一定影響。

3)借助鉆孔注水技術(shù)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法得到冒落帶高度距離12#煤層頂板不超過10m，裂隙帶高度約為25m左右，結(jié)合鉆孔窺視結(jié)果綜合判定9#煤層位于12#煤層房柱式開采形成的采場(chǎng)彎曲下沉帶內(nèi)，節(jié)理裂隙發(fā)育不顯著，巖層的整體性和完整性較好，可以進(jìn)行蹬空開采。