層間巖層厚度對(duì)上組煤的影響分析

王慶龍，楊永康，張智敏，張慧軍，何宏偉

(太原理工大學(xué) a.原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

上行開采時(shí)下組煤層的采動(dòng)勢(shì)必對(duì)上組煤層及其頂?shù)装逶斐梢欢ǖ钠茐腫1]，因此要對(duì)上行開采的可行性進(jìn)行分析。煤層的層間巖層厚度及巖層垮落特征對(duì)上組煤層能否安全開采起決定性作用[2-3]。實(shí)踐表明：層間巖層厚度越大，垮落后的巖層結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，上組煤層遭受到的破壞越小。但在實(shí)際生產(chǎn)中，層間巖層的厚度是不均勻的、變化的。探究層間巖層厚度的極限值及巖層垮落特征，是確保上行開采安全進(jìn)行的關(guān)鍵[4-5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在上行開采方面已經(jīng)做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[6]通過(guò)大量實(shí)例得出，下部煤層采動(dòng)影響倍數(shù)K>6時(shí)，上行開采可以成功進(jìn)行。文獻(xiàn)[7]借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)法分析了大量開采實(shí)例，提出對(duì)煤層頂板進(jìn)行分級(jí)，以判斷上行開采的可行性。前蘇聯(lián)學(xué)者對(duì)庫(kù)茲巴斯礦區(qū)上行開采實(shí)踐及研究進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為上、下煤層滿足上行開采的最小層間距與下煤層的煤層厚度成正比。汪理全等[8-9]認(rèn)為，上部煤層是否發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)是上行開采的核心問(wèn)題,所需圍巖高度與下煤層采高及巖石碎脹系數(shù)相關(guān)。馮國(guó)瑞[10]運(yùn)用矢量分析法確定了關(guān)鍵層位置，認(rèn)為巖層控制是上行開采的核心問(wèn)題，并提出層間巖層存在塊體梁-半拱結(jié)構(gòu)。

上述研究注重的是層間巖層的結(jié)構(gòu)特征，而關(guān)于層間巖層厚度及巖層垮落特征對(duì)上組煤層影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。大多礦井層間巖層厚度是不均勻的，即使都存在相同的層間關(guān)鍵層，所表現(xiàn)出的礦壓現(xiàn)象也大不相同，故層間巖層厚度及巖層垮落特征的影響不容忽視[11]。本文以山西省呂梁某礦上行開采的地質(zhì)條件為背景，研究層間巖層厚度及巖層垮落特征對(duì)上組煤層的影響。

1 工程概況

呂梁某煤礦4號(hào)煤層，煤層厚1.5 m，傾角3°～5°；直接頂主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，基本頂為中砂巖、粉砂巖，底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。4號(hào)煤層全區(qū)可采，面積約5.251 7 km2，采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法、垮落法處理采空區(qū)，至2010年基本被采空。現(xiàn)預(yù)開采4號(hào)煤層2采區(qū)(稱為42采區(qū))。42采區(qū)煤層厚1.4 m，煤層蹬空面積約1.963 8 km2.地質(zhì)資料顯示，4號(hào)煤層與42采區(qū)煤層間的層間巖層厚度變化較大(8～31 m)，平均厚度18.2 m，主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖構(gòu)成。目前經(jīng)鉆孔探測(cè)，最小厚度為10.2 m，最大厚度為28.2 m.

4207工作面是42采區(qū)首采工作面，該區(qū)域?qū)娱g巖層厚度約18 m，蹬空區(qū)域面積較小。在該工作面開展工業(yè)性試驗(yàn)，可為42采區(qū)其他工作面的可行性研究提供工程參考。

2 42采區(qū)蹬空開采可行性數(shù)值分析

為模擬4號(hào)煤層開采后42采區(qū)煤層及其頂?shù)装鍧u進(jìn)破裂直至失穩(wěn)的過(guò)程，并考慮到材料性質(zhì)的非均勻性，采用RFPA2D數(shù)值實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立4號(hào)煤層開采的數(shù)值計(jì)算模型。在4號(hào)煤層開采后，分析上組42采區(qū)煤層的破壞程度，以便判斷42采區(qū)煤層蹬空開采的可行性。

2.1 模型及方案

采用平面應(yīng)變模型模擬層間巖層的運(yùn)移過(guò)程。模型沿豎直方向取151 m；其中，4號(hào)煤層底板厚20 m，4號(hào)煤層與42采區(qū)煤層間距為18.2 m，42采區(qū)煤層頂板厚100 m.煤巖介質(zhì)力學(xué)特性服從Weibull分布[12]，采用莫爾-庫(kù)侖判據(jù)作為單元破壞準(zhǔn)則，煤巖殘余強(qiáng)度為0.1 MPa，殘余泊松比為1.1.約束模型的左、右水平位移，對(duì)模型底部約束水平位移和垂直位移。42采區(qū)煤層頂板距地表250 m，上部150 m厚的巖層以3.75 MPa的均布載荷代替。開挖4號(hào)煤層時(shí)，左右各留設(shè)100 m煤柱；每次開挖5 m，開挖高度為1.5 m，共推進(jìn)120 m.數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 層間巖層運(yùn)移模擬模型Fig.1 Simulation model of interlayer rock migration

2.2 模擬結(jié)果及分析

圖2為采動(dòng)影響下4號(hào)煤層層間巖層垮落的數(shù)值模擬結(jié)果。隨著工作面的推進(jìn)，受開挖引起的卸荷膨脹變形的影響，直接頂巖層最先產(chǎn)生離層，繼而發(fā)生破斷、冒落。

工作面開挖至20 m時(shí)，巖層1、2隨采垮落。開挖至40 m時(shí)，關(guān)鍵巖層3在巖梁中部產(chǎn)生離層，同時(shí)巖梁兩端的剪應(yīng)力和中部產(chǎn)生的拉應(yīng)力產(chǎn)生損失累積；當(dāng)損失累積達(dá)到一定程度后在巖梁兩端和下部產(chǎn)生宏觀裂隙，在重力作用下巖梁發(fā)生回轉(zhuǎn)和變形，下位巖層出現(xiàn)離層垮落，上位巖層彎曲下沉并同時(shí)帶動(dòng)其控制的巖層4變形、破斷。當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m時(shí)，巖層5和巖層6組成的巖梁的沉降值超出“假塑性巖梁”允許沉降值的范圍，并出現(xiàn)冒落，同時(shí)42采區(qū)煤層7出現(xiàn)離層現(xiàn)象。當(dāng)工作面開挖至80 m時(shí)，關(guān)鍵巖層8及其上方所控制巖層出現(xiàn)輕微離層現(xiàn)象。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為120 m時(shí)，42采區(qū)煤層頂?shù)装鍘r層裂隙基本閉合，最大主應(yīng)力集中在工作面推進(jìn)方向；在回采過(guò)程中形成傳統(tǒng)的“三帶”，42采區(qū)煤層處于4號(hào)煤層裂隙帶與彎曲下沉帶的交界處。42采區(qū)煤層在4號(hào)煤層的開采穩(wěn)定后，可以進(jìn)行開采。

圖2 采動(dòng)影響下4號(hào)煤層覆巖垮落的發(fā)展過(guò)程Fig.2 Development process of overlying strata under the influence of No.4 coal mining

3 層間巖層及其垮落對(duì)上組煤的影響

3.1 數(shù)值試驗(yàn)方案

采用離散元UDEC數(shù)值模擬軟件，研究4號(hào)煤層上覆巖層的垮落特征。工作面模型簡(jiǎn)化為平面模型，設(shè)定模型走向長(zhǎng)度為260 m，兩側(cè)分別留80 m邊界煤柱，實(shí)際模擬工作面推進(jìn)距離為100 m.模型沿垂直方向取121.5 m；其中，4號(hào)煤層厚1.5 m，底板厚20.0 m，頂板厚100.0 m.4號(hào)煤層實(shí)際埋深取250 m，在模型中以等效載荷代替上方150 m厚的巖層。等效載荷p按下式計(jì)算：

p=Hρg.

(1)

式中：H為上覆巖層的厚度，H=150 m；ρ為巖層密度，ρ=2 500 kg/m3；g為重力加速度，g=9.81 m/s2.

為探究層間巖層厚度及巖層垮落特征對(duì)上組煤層的影響，該模擬共設(shè)計(jì)3個(gè)方案：方案1，層間距為18.2 m；方案2，層間距為28.2 m；方案3，層間距為10.2 m.模型中，巖體物理力學(xué)參數(shù)和接觸面力學(xué)參數(shù)取鉆孔巖芯實(shí)測(cè)結(jié)果，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)侖塑性模型，節(jié)理特性采用庫(kù)侖滑動(dòng)模型[13]。模型上部為應(yīng)力邊界條件，前后及兩側(cè)方向?yàn)樗轿灰萍s束，主要約束底部的水平位移和垂直位移。

3.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

方案1的模型及模擬結(jié)果如圖3所示，具體如下：

1) 工作面推進(jìn)21 m時(shí)，在42采區(qū)煤層下方出現(xiàn)小范圍塑性變形區(qū)域。42采區(qū)煤層最大下沉量為40 mm，整體應(yīng)力較小，此時(shí)42采區(qū)煤層幾乎未受到影響。

2) 工作面推進(jìn)40 m時(shí)，采空區(qū)上方關(guān)鍵巖層下沉，巖層出現(xiàn)較多裂隙，42采區(qū)煤層也出現(xiàn)較少微小裂隙，在42采區(qū)煤層下方塑性變形區(qū)域面積增大。42采區(qū)煤層最大下沉量為120 mm，煤層受到的影響較小。

3) 工作面推進(jìn)55 m時(shí)，開切眼處與工作面處及其上方塑性變形區(qū)域明顯增大，但42采區(qū)煤層仍未出現(xiàn)較大塑性變形區(qū)域，基本頂出現(xiàn)較小離層。42采區(qū)煤層最大下沉量為180 mm，此時(shí)42采區(qū)煤層受到較大影響。

4) 開挖結(jié)束時(shí)，42采區(qū)煤層下方塑性變形區(qū)域明顯增大，在42采區(qū)煤層上方巖層出現(xiàn)較大范圍塑性變形區(qū)域，但其變形量較小。4號(hào)煤層上覆巖層下沉量增大，并出現(xiàn)較多裂隙；在4號(hào)煤層采空區(qū)與煤柱交界處，出現(xiàn)了“懸空結(jié)構(gòu)”。42采區(qū)煤層最大下沉量400 mm，煤層受到一定的影響。

圖3 層間巖層厚度為18.2 m的模型及結(jié)果Fig.3 Model and result of interlayer rock thickness 18.2 m

方案2模型如圖4(a)所示，開挖結(jié)束時(shí)圍巖塑性變形如圖4(b)所示。相比于方案1，42采區(qū)煤層上下方巖層產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域面積減小，且變形較?。?號(hào)煤層采空區(qū)邊界塑性變形區(qū)域增大。42采區(qū)煤層最大下沉量270 mm，煤層的完整性、連續(xù)性受到的影響較小。

圖4 層間巖層厚度為28.2 m的模型及結(jié)果Fig.4 Model and result of interlayer rock thickness 28.2 m

方案3模型如圖5(a)所示，開挖結(jié)束時(shí)圍巖塑性變形如圖5(b)所示。層間巖層以及42采區(qū)煤層有大范圍塑性變形區(qū)域，并且破壞程度較大；4號(hào)煤層采空區(qū)上方巖層下沉量較大。42采區(qū)煤層下沉量最大值約1.01 m，煤層出現(xiàn)臺(tái)階下沉，受到的破壞較嚴(yán)重。

圖5 層間巖層厚度為10.2 m的模型及結(jié)果Fig.5 Model and result of interlayer rock thickness 10.2 m

由上述模擬實(shí)驗(yàn)可知：當(dāng)層間巖層厚度為18.2 m時(shí)，42采區(qū)煤層處于4號(hào)煤層裂隙帶，層間巖層結(jié)構(gòu)遭受破壞后仍具有較強(qiáng)的承載能力；42采區(qū)煤層上下方巖層有一定的破壞變形，加強(qiáng)支護(hù)等措施后，42采區(qū)煤層可進(jìn)行開采；值得注意的是，4號(hào)煤層采空區(qū)與煤柱交界處出現(xiàn)了懸空結(jié)構(gòu)，在開采42采區(qū)煤層時(shí)，應(yīng)采取采空區(qū)注漿充填或調(diào)斜工作面等措施，快速通過(guò)該邊界。層間巖層厚度為28.2 m時(shí)，42采區(qū)煤層處于4號(hào)煤層裂隙帶與彎曲下沉帶的交界處，所受影響較小，此時(shí)可開采42采區(qū)煤層。當(dāng)層間巖層厚度為10.2 m時(shí)，42采區(qū)煤層處于4號(hào)煤層規(guī)則垮落帶與裂隙帶的交界處，層間巖層結(jié)構(gòu)已折斷垮落，失去承載能力。

4 工業(yè)試驗(yàn)

基于上述數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)4號(hào)煤層與42采區(qū)煤層層間巖層厚度大于18.2 m時(shí)，42采區(qū)煤層是可采的。現(xiàn)對(duì)該礦開展工業(yè)性試驗(yàn)以驗(yàn)證模擬結(jié)果。在4207工作面推進(jìn)之前，在蹬空區(qū)域兩順槽分別鉆孔窺視，如圖6所示，可看到層間巖層結(jié)構(gòu)連續(xù)性、完整性較好，出現(xiàn)輕微離層。在4207工作面的推進(jìn)過(guò)程中，采取底板注漿并調(diào)斜工作面，對(duì)該工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：當(dāng)4207工作面完全處于非蹬空區(qū)域或蹬空區(qū)域時(shí)，與正常下行開采時(shí)的礦壓顯現(xiàn)無(wú)異；當(dāng)4207工作面經(jīng)過(guò)下方采空區(qū)邊緣時(shí)，支架載荷急速增加至3 223 kN，但仍在正常范圍內(nèi)，整個(gè)過(guò)程未出現(xiàn)片幫、臺(tái)階下沉等礦壓異?，F(xiàn)象。

圖6 4207工作面底板窺視Fig.6 4207 work surface floor peep

5 結(jié)論

1) 呂梁某礦4號(hào)煤層與42采區(qū)煤層間的層間距為18.2 m時(shí)，42煤層處于4號(hào)煤層的裂隙帶，4號(hào)煤層采空區(qū)與煤柱交界處上方出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)。這對(duì)42采區(qū)煤層開采構(gòu)成一定的安全隱患，需提前充填采空區(qū)并加快推進(jìn)速度以便安全通過(guò)。

2) 層間巖層厚度為28.2 m時(shí)，42采區(qū)煤層處于4號(hào)煤層裂隙帶與彎曲下沉帶的交界處，42采區(qū)煤層底板出現(xiàn)輕微塑性變形。此時(shí)42采區(qū)煤層的完整性、連續(xù)性受到的影響較小，可對(duì)其進(jìn)行上行開采。

3) 當(dāng)層間巖層厚度為10.2 m時(shí)，42采區(qū)煤層處于4號(hào)煤層規(guī)則垮落帶與裂隙帶的交界處。此時(shí)4號(hào)煤層的開采對(duì)42采區(qū)煤層及其頂?shù)装逶斐蓢?yán)重破壞，因此不建議對(duì)42采區(qū)煤層進(jìn)行開采。

4) 當(dāng)層間巖層厚度為10.2～18.2 m時(shí)，42采區(qū)煤層處于4號(hào)煤層裂隙帶，但裂隙較為發(fā)育。此時(shí)需采取一系列安全技術(shù)措施或延長(zhǎng)間隔時(shí)間，方可進(jìn)行開采。