混合殘采區(qū)復(fù)采上覆巖層應(yīng)力時(shí)空演變特征研究

王 昆，唐海波，劉大鵬，徐忠和

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

大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤炭企業(yè)在2009年煤企兼并組合政策出臺(tái)之前都是獨(dú)立生產(chǎn)作業(yè)的，其采掘設(shè)備的先進(jìn)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)有煤礦，這些礦井主要通過(guò)房式和巷式方法進(jìn)行采煤，造成煤炭剩余資源過(guò)大，也導(dǎo)致煤企整合后無(wú)法布置長(zhǎng)壁工作面進(jìn)行機(jī)械化采煤[1-3]。舊采工作面埋深較淺，如果不對(duì)舊采形成的采空區(qū)進(jìn)行有效處理，則地表水以及工作面覆巖含水層容易通過(guò)采動(dòng)引起的裂隙群滲流到采空區(qū)，從而引起更為強(qiáng)烈的地質(zhì)災(zāi)害[4-5]。舊式采煤法開(kāi)采形成的資源煤質(zhì)優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高[6-7]，殘煤復(fù)采對(duì)提高煤企經(jīng)濟(jì)效益以及煤炭回收率均具有重要意義。山西某礦井舊采區(qū)為房式和巷式混合殘采區(qū)，本文以此為背景，進(jìn)行了復(fù)采面與房式殘采區(qū)斜交布置房式開(kāi)采的三維相似模擬研究，從而得到工作面斜交過(guò)房式殘采區(qū)引起的覆巖礦壓演變規(guī)律，評(píng)價(jià)其布置的合理性，然后對(duì)工作面斜交過(guò)巷式殘采區(qū)引起的礦壓分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究，綜合評(píng)定混合殘采區(qū)復(fù)采上覆巖層應(yīng)力時(shí)空演變特征,為混合殘采區(qū)合理開(kāi)采方式研究提供依據(jù)。

1 房柱式殘煤復(fù)采的三維相似模擬試驗(yàn)

1.1 開(kāi)采方案建立

該礦井3號(hào)煤層是特厚煤層，厚度平均為4.2 m，為穩(wěn)定可采煤層。該煤層直接頂巖層以泥巖和粉砂巖為主，基本頂主要為泥巖和細(xì)粒砂巖互層，底板巖層主要是粉砂巖。3號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。礦井整合前開(kāi)采方式為房柱式和巷式，其開(kāi)采特點(diǎn)主要表現(xiàn)為采富棄貧、采易棄難，開(kāi)采范圍很不規(guī)則造成了大量的煤炭資源浪費(fèi)。

劉大鵬等[8-9]通過(guò)數(shù)值模擬和相似模擬結(jié)合的方法研究了復(fù)采工作面平行過(guò)房式殘采區(qū)對(duì)圍巖的擾動(dòng)規(guī)律，研究得到當(dāng)復(fù)采工作面采用這種方式布置時(shí)采場(chǎng)過(guò)空巷過(guò)程中頂板大范圍垮落以及壓架事故發(fā)生的概率極大。為了保證殘煤復(fù)采的安全可靠程度以及保證煤炭資源盡可能高的回收率，提出復(fù)采工作面45°斜交過(guò)房式殘采區(qū)的方案，房柱尺寸為25 m×30 m，房寬為10 m。本次試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)主要布置在待采煤層上部10 m和30 m層位的頂板處，分別用來(lái)監(jiān)測(cè)直接頂和基本頂巖層的應(yīng)力變化情況。不同層位巖層應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置方案見(jiàn)圖1。

1.2 直接頂巖層應(yīng)力演化規(guī)律

與正常綜采比較，房式殘采區(qū)復(fù)采過(guò)程中引起的礦壓分布特征更為復(fù)雜，直接頂?shù)目迓涓鼮槠扑椋以诠ぷ髅嫱七M(jìn)過(guò)程中直接頂會(huì)發(fā)生多次的垮落，垮落步距在12～17 m之間，同時(shí)伴隨2～5 m小范圍內(nèi)的垮落。其垮落特征如圖2所示。

s1點(diǎn)在直接頂兩次垮落過(guò)程中應(yīng)力變化特征如圖3所示。當(dāng)直接頂?shù)谝淮慰迓鋾r(shí)，作用在工作面支撐煤柱上的應(yīng)力從11.5 MPa增加到12 MPa，這是因?yàn)閟1點(diǎn)位于工作面邊緣，直接頂垮落使老頂裸露部分增大；當(dāng)直接頂?shù)诙慰迓鋾r(shí)，應(yīng)力從12 MPa增加到13 MPa。由此可見(jiàn)，復(fù)采過(guò)程中直接頂垮落前后，工作面前方頂板應(yīng)力值增加迅速，由于兩次垮落步距較為接近，故認(rèn)為應(yīng)力增大速率和增幅與直接頂垮落范圍呈現(xiàn)出線性正相關(guān)關(guān)系。

圖1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置方案示意圖

Fig.1 Schematic diagram of stress measuring point arrangement

圖2 復(fù)采過(guò)程中直接頂垮落特征示意圖

Fig.2 Characteristic sketch of direct roof spanning and falling in the process of remining

圖3 測(cè)點(diǎn)s1應(yīng)力變化特征示意圖

Fig.3 Characteristics sketch of stress changes at measuring point s1

在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)采場(chǎng)直接頂垮落并不會(huì)對(duì)老頂位移產(chǎn)生顯著影響，由此可得，在直接頂垮落前就與上覆老頂巖層間發(fā)生離層，即對(duì)老頂不會(huì)形成支撐。

圖4 頂板垮落的具體位置及尺寸示意圖

Fig.4 Drawing of the specific positions and sizes of roof fall

1.3 完整的復(fù)采過(guò)程中頂板應(yīng)力時(shí)空演化特征

復(fù)采面推進(jìn)至中部出現(xiàn)最大空頂距前后，頂板應(yīng)力變化較明顯，期間頂板共發(fā)生4次垮落。結(jié)合應(yīng)力變化特征對(duì)此過(guò)程進(jìn)行分析，4次垮落具體發(fā)生的位置如圖4所示。由圖4可知，直接頂和基本頂?shù)某醮慰迓洳骄喾謩e為17 m和56 m。頂板垮落形態(tài)如圖5所示。

工作面推進(jìn)中頂板測(cè)點(diǎn)s2和測(cè)點(diǎn)s3應(yīng)力變化特征如圖6(a)所示。由圖6(a)可知，當(dāng)復(fù)采工作面推進(jìn)至60 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)s2應(yīng)力值開(kāi)始下降，由14 MPa下降到13.5 MPa，此時(shí)煤層上方實(shí)際10 m范圍開(kāi)始運(yùn)移。當(dāng)推進(jìn)距離為65 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)s2應(yīng)力值迅速?gòu)?3.5 MPa減小至13.0 MPa， 頂板第一次垮落。在這個(gè)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)s3的應(yīng)力變化程度較小。

在頂板4次垮落的過(guò)程中，基本頂應(yīng)力值變化曲線如圖6(b)所示。當(dāng)復(fù)采工作面推進(jìn)至40 m的過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)s5的應(yīng)力變化極小，幾乎不受采動(dòng)的干擾，當(dāng)推進(jìn)距離在40～55 m之間時(shí)，應(yīng)力從15 MPa減小到了13 MPa。在整個(gè)復(fù)采過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)s6的應(yīng)力變化極小，從頂板初次垮落到開(kāi)采結(jié)束，應(yīng)力才呈極緩慢的增大趨勢(shì)，這是因?yàn)樵摐y(cè)點(diǎn)位于采場(chǎng)隔離煤柱邊緣位置。

測(cè)點(diǎn)s7應(yīng)力波動(dòng)范圍較大。在頂板發(fā)生2次垮落過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)s7應(yīng)力表現(xiàn)為先增后減的特征，最小為12.5 MPa，最大為13.5 MPa。而頂板發(fā)生2次垮落和3次垮落的間隔很小，復(fù)采工作面僅推進(jìn)了1刀，3次垮落和2次垮落過(guò)程中該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化特征相同。

在房式殘采區(qū)復(fù)采過(guò)程中，舊采區(qū)留設(shè)煤柱從邊緣到內(nèi)部可劃分為松散區(qū)域、過(guò)渡區(qū)域和彈性區(qū)域[10]。松散區(qū)域受采動(dòng)引起的礦山壓力影響最為顯著，其失穩(wěn)特征主要表現(xiàn)為破斷和片幫等，該區(qū)域深度最大可達(dá)2 m，如圖7所示。由圖7可知，在接近采場(chǎng)推進(jìn)方向的一側(cè)煤壁上方松散現(xiàn)象更為顯著，說(shuō)明該位置所受的礦山壓力更為明顯。

圖5 頂板垮落形態(tài)示意圖

Fig.5 Sketch map of roof spanning and falling form

圖6 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化特征示意圖

Fig.6 Characteristics diagram of stress changes at measured points

圖7 煤壁破壞特征示意圖

Fig.7 Characteristics sketch of coal wall failure

1.4 復(fù)采過(guò)程中煤柱穩(wěn)定性演變特征研究

復(fù)采采動(dòng)引起的礦山壓力對(duì)留設(shè)煤柱的主要影響特征表現(xiàn)為邊角煤體大范圍的垮落，該位置煤柱受到了明顯的應(yīng)力集中作用，垮落特征如圖8所示。從煤柱垮落的厚度來(lái)看，應(yīng)力集中區(qū)域的范圍與煤柱邊角垮落范圍大致相同。由此可以得到煤柱邊緣破碎區(qū)域范圍為邊緣2 m范圍、四角6 m范圍。在房式殘采區(qū)復(fù)采過(guò)程中要選擇合理的支護(hù)距離和控頂距，以避免冒頂現(xiàn)象的發(fā)生。

2 復(fù)采工作面與殘采區(qū)合理斜交角度的研究

本次相似模擬主要進(jìn)行了復(fù)采工作面45°斜交過(guò)房式殘采區(qū)覆巖應(yīng)力時(shí)空演化和穩(wěn)定性變化特征的研究，從結(jié)果來(lái)看，該布置方式有效避免了復(fù)采過(guò)采空區(qū)引起的架前頂板垮落事故，采場(chǎng)上覆巖層表現(xiàn)為分步小范圍垮落的特征。

圖8 煤柱邊角處的應(yīng)力集中區(qū)域示意圖

Fig.8 Schematic diagram of stress concentration area at the edge and corner of coal pillar

圖9 不同推進(jìn)距離下覆巖應(yīng)力分布特征

Fig.9 Stress distribution characteristics of overburden rock under different propulsion distances

從覆巖垮落特征角度來(lái)看，在整個(gè)殘煤復(fù)采過(guò)程中，頂板共出現(xiàn)了4次垮落現(xiàn)象，前2次垮落范圍較小，破斷位置處于復(fù)采工作面左右兩側(cè)，第3次垮落的覆巖厚度較大，而最后一次垮落的覆巖層位更高，頂板破斷位置處于采場(chǎng)后方。故認(rèn)為采用該種方式進(jìn)行殘煤復(fù)采時(shí)，舊采過(guò)程中已經(jīng)使得直接頂和基本頂巖層發(fā)生了一次垮落。

從覆巖應(yīng)力演化特征角度分析，在復(fù)采過(guò)程中煤體應(yīng)力變化程度很小，這是由于在舊采房式開(kāi)采過(guò)程中覆巖應(yīng)力釋放已經(jīng)較多。復(fù)采工作面45°斜交過(guò)房式殘采區(qū)可以防止工作面過(guò)空巷引起的覆巖大范圍來(lái)壓現(xiàn)象的發(fā)生。復(fù)采工作面推進(jìn)過(guò)一個(gè)留設(shè)煤柱時(shí)形成的控頂距最大，此時(shí)覆巖垮落發(fā)生的可能性也最高，所以在房式殘煤復(fù)采時(shí)要特別加強(qiáng)該時(shí)刻的頂板支護(hù)工作。

在頂板垮落前覆巖的變形量較為顯著，應(yīng)力增大明顯，故在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境中要注意該現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，在復(fù)采采動(dòng)引起的礦壓作用下煤柱邊緣破碎范圍會(huì)逐步增加，煤壁發(fā)生片幫的概率也會(huì)愈來(lái)愈大，當(dāng)復(fù)采臨近采空區(qū)時(shí)更要加強(qiáng)煤壁防片幫的工作。

3 復(fù)采工作面斜交過(guò)巷式殘采區(qū)覆巖應(yīng)力特征

上述通過(guò)相似模擬試驗(yàn)得到復(fù)采工作面與房柱式殘煤巷道呈45°夾角布置的開(kāi)采方案是合理的，該礦井殘采區(qū)為房式和巷式混合殘采區(qū)，故此次對(duì)復(fù)采工作面45°角斜交過(guò)巷式殘采區(qū)的可行性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。建立模型工作面推進(jìn)方向147 m，寬度90 m，頂板116.0 m，底板14.0 m，模型四側(cè)和底部進(jìn)行位移約束，頂部施加均布載荷。圖9為復(fù)采工作面推進(jìn)至51 m和54 m位置時(shí)覆巖應(yīng)力分布特征，前者復(fù)采工作面橫跨了2條舊采巷道，后者橫跨了3條舊采巷道。由圖9可知，應(yīng)力降低區(qū)域出現(xiàn)在復(fù)采和舊采采空區(qū)相交的位置，還未進(jìn)行開(kāi)采的三角區(qū)域內(nèi)煤柱和頂板對(duì)覆巖的支撐效果顯著，從而使得該范圍應(yīng)力顯著增大。

4 結(jié) 論

1) 復(fù)采過(guò)程中直接頂垮落前后，工作面前方頂板應(yīng)力值增加迅速，由于兩次垮落步距較為接近，故認(rèn)為應(yīng)力增加幅度和速度與直接頂垮落面積大小呈正比關(guān)系。

2) 復(fù)采工作面45°角斜交過(guò)房式殘采區(qū)過(guò)程中，煤柱邊緣破碎區(qū)域范圍為邊緣2 m范圍、四角6 m 范圍。在房式殘采區(qū)復(fù)采過(guò)程中要選擇合理的支護(hù)距離和控頂距，以避免冒頂現(xiàn)象的發(fā)生。

3) 同樣的開(kāi)采方式過(guò)巷式殘采區(qū)時(shí)，采場(chǎng)上部0～5 m層位頂板對(duì)覆巖有明顯應(yīng)力支撐作用，由此可見(jiàn)，無(wú)論過(guò)房式還是巷式殘采區(qū)，復(fù)采工作面斜交過(guò)殘采區(qū)方案都是合理可行的。