厚煤層殘煤復(fù)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

路 鑫，宋旭斌，張曉巖

(潞安化工集團(tuán)有限公司 古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

近年來(lái)，殘煤復(fù)釆在我國(guó)越來(lái)越引起重視。從理論和技術(shù)層面上講，殘煤復(fù)釆作為一種較新的特殊開采方法，到目前為止,國(guó)內(nèi)外大多是一些定性的研究，定量的較少。國(guó)內(nèi)在殘煤資源開采工藝、殘煤資源開采經(jīng)濟(jì)效益等方面做了相關(guān)研究[1-4]。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)殘煤復(fù)采工作面的圍巖控制進(jìn)行了研究[5-8]。然而這些研究很少涉及到工作面在含老巷時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。本文以新嶺煤礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，研究工作面在通過(guò)老巷時(shí)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 地質(zhì)概況

由于新嶺煤礦歷史上各小礦井采煤方法落后，采用巷采方式進(jìn)行回采，采區(qū)回采率不足10%，造成了大量煤炭資源的浪費(fèi)。工作面煤層賦存有如下特點(diǎn)：

1) 煤層平均較厚，且厚度變化大，如煤層厚度變化3.70～8.96 m，平均5.92 m。

2) 復(fù)采工作面區(qū)段規(guī)模小，一般走向長(zhǎng)度300～500 m，傾斜長(zhǎng)度較短，一般不超過(guò)80 m。

3) 工作面內(nèi)部存在大量老空垮落區(qū)，頂板完整性差。

如采用綜采放頂煤采煤法，在回采過(guò)程中將面臨：工作面規(guī)模小(平均長(zhǎng)度70 m)造成搬家頻繁，從而無(wú)法發(fā)揮綜放面設(shè)備的產(chǎn)能與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，另外，工作面兩巷道間距變化大造成的延面和縮面問(wèn)題，以及端面頂板控制靈活性差造成易于冒頂?shù)膯?wèn)題等，嚴(yán)重影響工作面的推進(jìn)速度，容易引起采空區(qū)頂煤的自燃，從而帶來(lái)安全管理方面的困難。鑒于該礦在炮采放頂煤方面已擁有成熟的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)和完善的技術(shù)設(shè)備，決定選用炮采放頂煤采煤作為工作面復(fù)采工藝。

2 厚煤層殘煤復(fù)采工作面礦壓規(guī)律數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬方案

1) 建立模型。以新嶺煤礦復(fù)采工作面的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立二維數(shù)值計(jì)算模型。模型尺寸為240 m×90 m，為了消除邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，模型兩側(cè)各留50 m保護(hù)煤柱，工作面推進(jìn)距離為140 m，綜合各因素，模型寬度取240 m，模型垂直方向高度取90 m。模型共取8個(gè)完整巖層，自上而下分別是表土層、粉砂巖、砂巖、中砂巖、21號(hào)煤、粉砂巖、砂巖和細(xì)砂巖，各巖層的厚度修正后分別取14 m、18 m、8 m、4 m、5.92 m、6 m、16 m和18 m。所建數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型示意

2) 模型本構(gòu)關(guān)系與巖體屬性參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和前人的模擬參數(shù)取煤層和各巖層的屬性參數(shù)如表1和表2所示。

3) 模擬方案。根據(jù)研究需要，進(jìn)行了以下方案的模擬分析：

方案1：模型在無(wú)老巷的影響下求解平衡后，進(jìn)行開挖，分析工作面在無(wú)老巷時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

方案2：模型中開挖寬度為6 m的老巷，模擬老巷平行工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，求解平衡后進(jìn)行開挖，對(duì)比分析工作面在含老巷時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

方案3：模型中設(shè)置寬度為3 m、6 m、9 m和12 m的老巷分別求解平衡后，進(jìn)行開挖，對(duì)比分析不同寬度的老巷對(duì)工作面礦壓的影響。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)

2.2 不含老巷條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

上覆巖層的壓力使煤壁遭到破壞，支承壓力極限平衡區(qū)在煤壁的附近區(qū)域，支承壓力峰值出現(xiàn)在極限平衡區(qū)與彈性區(qū)的分界點(diǎn)；工作面超前應(yīng)力分布可以分為三個(gè)區(qū)，分別為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)。圖2和圖3分別為21號(hào)煤層不含老巷時(shí)沿工作面推進(jìn)方向的支承壓力分布圖和塑性區(qū)分布圖。

圖2 超前支承壓力分布圖

從圖2(a)看出工作面開切眼后，工作面超前支承壓力的應(yīng)力增高并不明顯，隨著工作面的不斷推進(jìn)，直接頂初次垮落，頂板壓力被傳遞到工作面前方，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作面前方約4 m處，如圖2(b)所示；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂初次垮落，如圖2(c)所示，相比直接頂初次垮落而言，工作面前方應(yīng)力峰值的位置前移至約4.5 m處，應(yīng)力增高區(qū)范圍增加。

圖3 塑性區(qū)分布圖

從圖3中可以看出，工作面開切眼后，只在工作面部分頂煤出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，表明工作面開切眼時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，應(yīng)力接近巖層自重產(chǎn)生的應(yīng)力大小。隨著工作面的推進(jìn)，直接頂初次垮落，在工作面前方4 m范圍內(nèi)有屈服現(xiàn)象，這表明上覆巖層對(duì)工作面造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸明顯。工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂垮落，工作面大部分頂煤和工作面前方4.5 m范圍內(nèi)大面積出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，頂煤中出現(xiàn)大面積塑性破壞區(qū)。

2.3 老巷影響下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，若前方有老巷，隨著工作面不斷靠近老巷，工作面與老巷之間就會(huì)形成寬度不斷變化的煤柱，煤柱寬度隨著工作面的不斷推進(jìn)而逐漸減小，煤柱上的應(yīng)力集中現(xiàn)象也就愈加明顯。下面就以老巷寬度為6 m的模擬結(jié)果來(lái)分析含有老巷條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

從圖4(a)中可以看出，工作面前方約4 m處出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力峰值點(diǎn)。隨著工作面的推進(jìn)，工作面前方的應(yīng)力峰值點(diǎn)也逐漸向前移動(dòng)。當(dāng)工作面距老巷11 m時(shí)，如圖4(c)所示，煤柱上的應(yīng)力開始出現(xiàn)疊加，達(dá)到5.57 MPa，老巷兩側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

圖4 支承壓力分布圖

圖5 塑性區(qū)分布圖

圖5是老巷條件下工作面推進(jìn)過(guò)程中塑性區(qū)分布情況。在工作面與老巷距離大于25 m時(shí)，工作面與老巷之間的煤柱不受老巷影響。當(dāng)工作面與老巷相距11 m時(shí)，兩塑性區(qū)相匯，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，煤柱塑性破壞程度不斷增加，老巷遠(yuǎn)離工作面一側(cè)塑性區(qū)則開始擴(kuò)展。當(dāng)工作面推過(guò)老巷后，塑性區(qū)范圍又逐步減小到正常推進(jìn)情況。由此可見(jiàn),老巷的存在，增大了工作面前方煤體的破壞范圍，為工作面頂板控制帶來(lái)困難。根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)工作面距離老巷11 m時(shí)，需要開始加強(qiáng)頂板支護(hù)。

2.4 不同老巷寬度條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對(duì)比分析

為了分析不同老巷寬度條件下工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，針對(duì)工作面距離老巷11 m的情況進(jìn)行分析，分別模擬了老巷寬度0 m(不含老巷)、3 m、6 m、9 m和12 m等五種不同的情形，圖6是不同老巷寬度條件下，工作面超前支承壓力的分布情況。

圖6 不同老巷寬度條件下工作面超前支承壓力分布圖

在幾種不同的模擬方案中設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)一致，對(duì)不同老巷寬度條件下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 不同老巷寬度條件下應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表3可以看出，隨著老巷寬度的增加，煤柱上的應(yīng)力不斷增大，當(dāng)老巷寬度超過(guò)6 m時(shí)，煤柱上的應(yīng)力不再增大，表明煤柱已發(fā)生塑性破壞，失去承載能力，應(yīng)力不再升高，工作面超前應(yīng)力影響區(qū)域向老巷另一側(cè)轉(zhuǎn)移。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于老巷寬度超過(guò)6 m的巷道應(yīng)該尤其注意加強(qiáng)支護(hù)，保證工作面安全通過(guò)老巷。

圖7 不同老巷寬度條件下塑性區(qū)分布圖

圖7為不同老巷寬度條件下塑性區(qū)分布圖。圖中所示工作面距離老巷均為11 m且均為充分采動(dòng)條件下的塑性區(qū)分布圖，塑性區(qū)分布大小隨著老巷寬度的增加而出現(xiàn)擴(kuò)大的趨勢(shì)，在老巷寬度超過(guò)6 m時(shí)，工作面與老巷之間的煤柱塑性區(qū)貫通，煤柱出現(xiàn)破壞，如圖7(c)所示；隨著老巷寬度的繼續(xù)擴(kuò)大，煤柱出現(xiàn)全面的塑性破壞，可見(jiàn)，老巷的出現(xiàn)導(dǎo)致工作面前方塑性區(qū)比不含老巷時(shí)大，并且老巷寬度越大，工作面超前塑性區(qū)的范圍就越大，因此，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)該探明老巷的寬度，為做好有針對(duì)性的支護(hù)提供依據(jù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 由于工作面規(guī)模受到限制，工作面兩巷道間距變化也造成工作面長(zhǎng)度變化，故難以采用綜采放頂煤法；鑒于該礦在炮采放頂煤方面已擁有成熟的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)和完善的技術(shù)設(shè)備，故選用炮采放頂煤工藝。

2) 當(dāng)工作面與老巷相距11 m時(shí)，兩塑性區(qū)相匯，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，煤柱塑性破壞程度不斷增加。當(dāng)工作面推過(guò)老巷后，塑性區(qū)范圍又逐步減小到正常推進(jìn)情況。表明老巷的存在增大了工作面前方煤體的破壞范圍。

3) 隨著老巷寬度的增加，煤柱上的應(yīng)力值不斷增大，塑性區(qū)也逐漸擴(kuò)大，當(dāng)老巷寬度超過(guò)6 m時(shí)，煤柱發(fā)生塑性破壞。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)老巷的探測(cè)工作，對(duì)于寬度超過(guò)6 m的老巷應(yīng)該尤其注意加強(qiáng)支護(hù)。