復采工作面通過條帶式殘采區(qū)覆巖穩(wěn)定性特征研究

王 昆, 唐海波, 劉大鵬, 徐忠和

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024；2.承德石油高等?？茖W校，河北 承德 067000；3.煤炭工業(yè)太原設計研究院，山西 太原 030001)

在我國煤炭行業(yè)的發(fā)展過程中，一些中小型煤礦受限于較為落后的煤炭采掘設備和技術(shù)發(fā)展水平，主要通過舊式采煤方式(房式和巷式)進行煤炭開采，導致煤炭開采效率較低，致使大量煤炭資源被浪費[1-4]。舊式采煤方式(簡稱“舊采”)形成的殘煤工作面埋藏深度一般低于300 m，埋深較淺，開采形成的采空區(qū)也得不到適當處理，導致地表水體和植被等發(fā)生一系列的破壞，殘煤煤體容易自燃，地質(zhì)災害嚴重等[5-8]。隨著煤炭資源開采深度不斷加大，舊采形成的殘煤區(qū)內(nèi)煤體就形成了呆滯資源，大量優(yōu)質(zhì)煤炭被浪費[9-11]。因此，對殘采區(qū)進行復采對提高我國煤炭資源利用率具有重要意義。

山西煤銷集團西河煤礦3#煤層舊采殘煤區(qū)為條帶式殘采區(qū)，筆者以此為工程背景，先采用數(shù)值模擬方法研究工作面推進方向與條帶式殘采區(qū)走向方向斜交角度不同時采場覆巖的穩(wěn)定性演變規(guī)律，得到保證覆巖穩(wěn)定狀態(tài)的工作面推進方向與條帶式殘采區(qū)走向方向合理的斜交角度，然后通過三維相似模擬試驗對復采工作面過條帶式殘采區(qū)引起的覆巖運移變形特征進行分析，以期為殘煤復采合理開采方式的制定，以及開采過程中覆巖穩(wěn)定性的維護提供一定的參考。

1 工程背景

西河煤礦位于晉城礦區(qū)內(nèi)，屬山西省重組整合礦井；3#煤層屬于優(yōu)質(zhì)無煙煤，具有特低硫、特高熱值的特點。礦井重組整合前開采方法為條帶式等舊式采煤法，開采范圍極不規(guī)則，因此形成了大量的舊采殘煤資源。本次研究的舊采殘煤復采工作面位于3#煤層二采區(qū)西部。3#煤層埋藏深度為100～150 m，直接頂巖層以泥巖和粉砂巖為主，強度較低；基本頂為泥巖、細粒砂巖互層，完整性較低；底板巖層主要為泥巖和粉砂巖。舊采殘煤區(qū)內(nèi)條帶式采空區(qū)除直接頂由于開采形成部分垮落區(qū)外，其基本頂基本完整，未被破壞。

2 斜交角度對覆巖破壞影響的數(shù)值模擬研究

2.1 殘煤復采模型建立

基于現(xiàn)場實測資料，本次數(shù)值模擬所建的模型在工作面推進方向為147 m，寬度方向為90 m，煤層頂板取116 m，底板取14 m，如圖1所示。

圖1 殘煤復采模型示意圖

將模型網(wǎng)格單元劃分為六面體，水平方向尺寸為3 m×3 m，在高度方向基于開采煤層厚度、與工作面的距離和計算量進行劃分，一共劃分了20 580個單元和23 250個節(jié)點。模型四側(cè)和底部均進行位移約束，頂部為均布載荷，按50 m埋深取巖石自重應力1.25 MPa。

基于現(xiàn)場實際情況，本次制定的模擬開挖步距為3.0 m，數(shù)值模擬所用軟件為太原理工大學自主編程開發(fā)的采場礦壓分析軟件。國內(nèi)外諸多專家學者認為巖石的破壞遵循莫爾-庫侖準則和德魯克-普拉格準則，但進行巖石的彈塑性研究時使用德魯克-普拉格準則更加方便，故此次數(shù)值模擬采用該準則進行巖石彈塑性的研究。

復采工作面推進過程中容易形成的安全事故主要為頂板大范圍的垮落及壓架等。當復采工作面過條帶式殘采區(qū)時，推進方向?qū)Ω矌r穩(wěn)定性的影響較為顯著，故此次研究的重點為不同推進方向下覆巖塑性屈服的范圍和形式。工作面推進方向不同，則與條帶式殘采區(qū)巷道的交叉角度不同。此次模擬主要進行工作面推進方向與條帶式殘采區(qū)巷道走向方向形成的斜交角度不同(0°、20°、30°、45°、60°和90°)時覆巖穩(wěn)定性的研究。不同斜交角度下舊采殘煤長壁復采工作面數(shù)值模擬方案如圖2所示。

圖2 舊采殘煤長壁復采工作面數(shù)值模擬方案示意圖

2.2 結(jié)果分析

工作面推進40 m時不同斜交角度下覆巖的塑性屈服特征如圖3所示。

圖3 不同斜交角度下覆巖的塑性屈服特征圖

圖3中不同顏色區(qū)域代表不同屈服狀態(tài)區(qū)域，其中：黑色、深綠色和藍色區(qū)域分別表示剪切破壞區(qū)、彈性區(qū)及拉伸破壞區(qū)域；深紅色區(qū)域為拉剪復合破壞區(qū)域；灰色區(qū)域則表示不受應力干擾區(qū)域。

由圖3可知，當斜交角度為0°時，覆巖中既存在拉剪復合破壞區(qū)域，也存在拉伸屈服區(qū)域，但復合破壞區(qū)域占主導；而在工作面邊緣處為復采和舊采形成的塑性區(qū)域；同時在復采工作面邊緣位置外側(cè)還存在3 m范圍的拉伸屈服區(qū)域。

當斜交角度為20°時，加大范圍內(nèi)的覆巖屈服形式表現(xiàn)為復合破壞形式，且范圍達到了30 m長和 9 m 寬，這樣的屈服形式會影響工作面的安全復采和頂板穩(wěn)定性的維護，需要提前進行局部范圍的補強支護，以避免安全事故的發(fā)生。

當斜交角度為30°時，舊采形成的殘采區(qū)覆巖內(nèi)部形成了復合破壞區(qū)域。在復采工作面與舊采殘采區(qū)巷道交叉位置形成了18 m×12 m的破壞區(qū)域，形狀表現(xiàn)為直角三角形。由于復合破壞區(qū)域處于采場前方5 m的范圍內(nèi)，故不會對工作面的安全開采造成影響。

當斜交角度大于30°時，復采工作面與舊采殘采區(qū)巷道交叉位置形成較小的疊加破壞區(qū)域。90°斜交開采下覆巖內(nèi)部形成的拉伸破壞區(qū)域會更大一些，拉剪復合破壞區(qū)域的寬度達到了9 m，會對復采工作面的正常開采造成一定影響。因此在進行工作面布置時需要注重支架管理工作，避免架前冒頂現(xiàn)象的發(fā)生。

總體上，當工作面與舊采巷式采空區(qū)呈大于等于30°斜交時，工作面前方煤柱和頂板會對上覆巖層形成有效的支撐作用。

3 條帶式殘煤復采的相似模擬研究

3.1 殘煤復采相似模擬試驗系統(tǒng)

基于上述數(shù)值模擬結(jié)果，本次相似模擬的殘煤復采工作面與條帶式殘采區(qū)巷道呈30°夾角布置。為了使相似模擬結(jié)果更加貼近于現(xiàn)場情況，選擇三維架臺進行相似模擬研究。該架臺尺寸為2 m×3 m×2 m，主要組成部分包括加載系統(tǒng)、主體結(jié)構(gòu)和應力變形監(jiān)測系統(tǒng)[12-14]。殘煤復采相似模擬試驗系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 殘煤復采相似模擬試驗系統(tǒng)

3.2 測點布置

在進行應力監(jiān)測時，將應力盒置于覆巖內(nèi)部，通過動靜態(tài)應力監(jiān)測系統(tǒng)對復采工作面推進過程中不同層位覆巖的應力變化規(guī)律進行實時監(jiān)測[15-17]；在進行位移監(jiān)測時，通過與覆巖測點相接的百分表對復采工作面推進過程中覆巖的變形情況進行監(jiān)測和記錄。

此次應力監(jiān)測對象為煤體上部10 m和30 m位置的巖層，分別對應于三維相似模擬煤體上部100 mm和300 mm的位置，應力測點布置方案如圖5所示。

(a)煤層上方100 mm處應力測點分布圖

(b)煤層上方300 mm處應力測點分布圖

位移測點布置在煤體上部5 m處頂板位置，這樣可充分得到殘煤復采過程中覆巖的變形特征。位移測點布置方案如圖6所示。

圖6 位移測點布置示意圖

3.3 覆巖應力和覆巖變形特征

工作面推進過程中不同測點監(jiān)測到的覆巖應力和覆巖變形特征分別如圖7和圖8所示。

圖7 覆巖應力變化特征

圖8 覆巖變形變化特征

由圖5和圖7可知，隨著工作面推進，不同測點表現(xiàn)出的應力變化特征不同。以hj2測點為例，在復采工作面推進40 m的范圍內(nèi)，覆巖應力隨著工作面的推進而緩慢增加，在開切眼位置頂板應力為 17 MPa；當工作面推進40 m時距該測點15 m位置處，應力增至19 MPa；當工作面推進距離在40～55 m 時，頂板應力緩慢減小至16 MPa，這主要是因為采場前方煤體穩(wěn)定性降低，對覆巖的支撐能力減弱，頂板內(nèi)部發(fā)生離層所致；復采工作面繼續(xù)向前推進5 m(距開切眼60 m)，覆巖應力快速降低至 10 MPa，而此時hj2測點處于煤壁后方5 m的位置，說明煤體上方10 m層位的覆巖的變形較大，發(fā)生了較為顯著的破壞，其原因為采空區(qū)范圍較大，因此采動引起的礦山壓力較為顯著，覆巖穩(wěn)定性明顯降低，承載能力降低。

由圖6和圖8可知，當復采工作面推進距離從60 m推進到65 m時，測點C2所處巖層的變形量突增，底板出現(xiàn)明顯的變形，同時hj2測點的應力減小，但減小幅度較緩，其原因為該測點在煤柱中部，所處煤體穩(wěn)定性高，對覆巖的支撐較好，覆巖穩(wěn)定性相對較高，故覆巖應力不會明顯減小。

綜上所述，在復采工作面推進過程中，當覆巖與舊采殘采區(qū)留設煤柱的相對位置不同時，則頂板覆巖應力變化特征和覆巖穩(wěn)定性情況也不同。通過對hj2測點和hj4測點進行應力監(jiān)測，并對覆巖應力的變化特征進行研究，當復采工作面推進通過應力測點時，2個測點的應力變化一致，說明舊采殘采區(qū)留設煤柱主要影響到的區(qū)域為復采區(qū)的前方，而非后方的采空區(qū)覆巖。

工作面頂板垮落位置如圖9所示，工作面圍巖垮落形態(tài)如圖10所示。

圖9 工作面頂板垮落位置示意圖

(a)殘煤復采工作面煤柱垮落形態(tài)

(b)殘煤復采工作面頂板垮落形態(tài)

(c)巷道壁破裂形態(tài)

(d)工作面前方煤體破裂形態(tài)

由圖9和圖10可知，當復采工作面與條帶式殘采區(qū)斜交布置時，覆巖垮落形式表現(xiàn)為分段局部垮落，復采工作面推進引起的礦山壓力變化并不大，因此舊采殘采區(qū)煤柱開采到很小范圍時煤柱仍能保持一定的穩(wěn)定性，但在局部位置復采工作面前方煤柱還是發(fā)生了明顯的破裂。整體上，復采工作面通過條帶式殘采區(qū)時覆巖的垮落特征主要表現(xiàn)為隨采隨落，幾乎不會滯后工作面而垮落；垮落形式主要表現(xiàn)為分段分步的方式，同時覆巖垮落形成的塊體塊度相對較小，因此避免了頂板大范圍來壓導致的支架被壓垮等事故。

4 結(jié)論

1)當復采工作面推進方向與條帶式殘采區(qū)斜交角度為30°時，在復采工作面與舊采殘采區(qū)巷道交叉位置形成了18 m×12 m的破壞區(qū)域，處于采場前方5 m的范圍內(nèi)，不會對工作面的安全開采造成影響。

2)復采工作面30°斜交過條帶式殘采區(qū)時，在工作面推進通過應力測點的過程中煤層上方 100 mm 處測點的應力變化一致，舊采殘采區(qū)留設煤柱主要影響到的區(qū)域為復采區(qū)的前方，而非后方的采空區(qū)覆巖。

3)復采工作面通過條帶式殘采區(qū)時，覆巖的垮落特征主要表現(xiàn)為隨采隨落，垮落形式主要表現(xiàn)為分段分步的方式。

4)復采工作面通過條帶式殘采區(qū)時，工作面與條帶式殘采區(qū)巷道呈30°夾角布置的方式是合理可行的。