淺埋多煤層房柱式采空區(qū)下開采動壓模擬*

謝 沛

(陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

神府礦區(qū)作為西北地區(qū)主要產(chǎn)煤基地之一，在開采過程中發(fā)生工作面冒頂、異常壓架等工程問題，很多專家學(xué)者針對以上問題進(jìn)行了大量研究[1-3]，現(xiàn)有研究主要集中在單一煤層開采，對淺埋近距離煤層群重復(fù)擾動覆巖運移規(guī)律的研究仍顯不足，需繼續(xù)加強該方面的研究和認(rèn)識[4-6]。只有科學(xué)地認(rèn)識該礦的開采條件才能進(jìn)一步掌握覆巖破斷運移特征和關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機理，對以上內(nèi)容研究的深入，有利于發(fā)現(xiàn)控制工作面礦壓顯現(xiàn)異常的原因和提出解決問題的措施[7]。

韓家灣煤礦位于神府煤田，屬淺埋煤層，全井田共5層可采煤層。礦井主采煤層為1-2、2-2號煤層，兩層煤間距較小，平均23 m，均屬于近距離煤層重復(fù)開采。2-2、3-1號煤層間距平均25 m左右，也屬于近距離煤層重復(fù)開采。并且在1-2、2-2號煤層的開采過程除了近年的綜合機械化開采外，在以往都采用房柱式開采，留有部分采空區(qū)和煤柱，勢必對下煤層開采造成一定礦壓影響。為此，開展淺埋近距離煤層開采后重復(fù)采動覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機理的研究，以確定韓家灣煤礦淺埋近距離煤層上、下煤層的上覆巖層結(jié)構(gòu)的破斷失穩(wěn)特征及其對下煤層采場礦壓的影響因素，以期促進(jìn)榆神府礦區(qū)安全高效綠色開采技術(shù)的發(fā)展，為榆神府礦區(qū)類似重復(fù)采動時工作面的安全回采提供指導(dǎo)和借鑒。

1 煤層群動載礦壓機理

1.1 工程概況

韓家灣煤礦1-2號煤層為局部可采煤層，煤層可采厚度0.80～3.02 m，平均厚度2.27 m。最大埋深92.94 m，最小埋深46.63 m，底板標(biāo)高1 195～1 230 m。以傾斜長壁綜合機械化采煤法為主，采用“旺格維里”采煤法回收邊角煤。房采部分主要集中在一盤區(qū)邊角煤和四盤區(qū)1402工作面邊角煤。

2-2號煤層為大部分可采煤層，煤層可采厚度0.8～5.59 m，平均厚度4.60 m。最大埋深100.6 m，最小埋深40.95 m，一般埋深為80～90 m。底板標(biāo)高1 100～1 230 m。以傾斜長壁綜合機械化采煤法為主，二盤區(qū)全區(qū)為房柱式開采，盤區(qū)大巷間距22 m。礦內(nèi)1-2號煤層頂板穩(wěn)定型類別以Ⅰ和Ⅱ類為主。2-2號煤層頂板以Ⅳ類為主，分布糖漿渠以南及礦境北部，Ⅰ類分布于J42號鉆孔K78號鉆孔一帶至礦區(qū)南邊界。2-2號煤層頂板以老頂為主，直接頂零星分布，直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖和泥巖，直接頂厚度0.65～2.91 m。3-1號煤層頂板為Ⅱ類、Ⅳ類頂板，糖漿渠以南至礦區(qū)邊界為Ⅳ類。

1.2 動載礦壓機理分析

上煤層已采單一關(guān)鍵層或復(fù)合單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)條件下的采場礦壓顯現(xiàn)最為劇烈，這2種類型實際上都屬于上煤層已采單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)。據(jù)此，重點研究上煤層已采單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)對淺埋近距離煤層重復(fù)采動下煤層采場礦壓的影響規(guī)律[8]。如圖1、2所示，若在下煤層開采前，上煤層頂板關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)已失穩(wěn)，因失穩(wěn)的砌體梁結(jié)構(gòu)不能承擔(dān)載荷，而將所有巖層載荷作用于下煤層的關(guān)鍵層上，使得上煤層已采下關(guān)鍵層破斷后的結(jié)構(gòu)不能滿足結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)條件，易導(dǎo)致下煤層工作面開采時發(fā)生動載礦壓。

圖1 上關(guān)鍵層破斷形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.1 Stable structure formed after breaking of upper key layer

圖2 上關(guān)鍵層破斷未形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.2 No stable structure formed after breaking of upper key layer

2 煤層群開采相似模擬研究

為了再現(xiàn)上煤層開采過程中覆巖層的破壞規(guī)律，按照實際開采參數(shù)進(jìn)行了上煤層開采的試驗，主要研究房柱式開采后覆巖的破壞規(guī)律和煤柱的破壞情況，分析上煤層開采對下煤層工作面機械化開采的影響。

2.1 模型比例選擇

由于總的覆蓋層厚度大于100 m，基巖厚度平均49 m，覆蓋層最厚處達(dá)141 m，最小為94 m，平均厚度120 m。模擬工作面有足夠厚度的，模型幾何比例選擇宜小，但過小的幾何比例因煤層模擬厚度太小會影響模擬結(jié)果[9-10]，因此幾何比例選擇1∶100的3 m平面模型架，以保證模擬的工作面達(dá)到開采時上覆巖層自然垮落，模擬的區(qū)段煤柱應(yīng)力分布與實際相似的目的。另外，因為受模型大小的限制，煤柱上的應(yīng)力集中和關(guān)鍵巖塊的運動達(dá)不到實際影響的效果，為了模擬煤柱對下煤層開采的影響，同時設(shè)計了1.2 m的平面模型，專項模擬工作面過煤柱時的動載現(xiàn)象，以彌補現(xiàn)場實際開采可能遇到的動載災(zāi)害。分別對1-2號煤層、2-2號煤層和3-1號煤層開采設(shè)計了3個方案來完成。

2.2 物理模擬方案的建立

2.2.1 測點布置

模型在覆巖中設(shè)計了3排固定位移測點，第1排測點布置在1-2號煤層頂板巖層的關(guān)鍵層之上，距離關(guān)鍵層5 cm(原型5 m，)，測點水平間距20 cm；第2排測點布置在2-2號煤層頂板巖層的關(guān)鍵層之上，距離關(guān)鍵層5 cm，測點水平間距20 cm；第3排測點布置在3-1號煤層頂板巖層的關(guān)鍵層之上，距離關(guān)鍵層5 cm，測點水平間距20 cm。地表測點采用百分表測量，水平間距30 cm，各排第1個測點距模型右邊界30 cm。另外在試驗中隨著模型的開采，設(shè)計移動觀測點，在模型架上15 m、25 m、35 m、57 m、67 m、84 m、95 m、105 m高處布置了8條測線，每條測線有16個測點，測點間距20 cm，各測線1號測點和16號測點均布置于模型架邊界處。聲發(fā)射鉆孔在開采1-2號煤層時，用1號、2號、4號鉆孔檢測，開采2-2號煤層和3-1號煤層時，用2號、3號、4號鉆孔檢測，這樣需要的鉆孔數(shù)目小，裂隙位置判斷在能量傳遞方面容易體現(xiàn)。

2.2.2 方案步驟

方案步驟一：根據(jù)現(xiàn)場實際開采參數(shù)設(shè)計1-2號煤層開采方案，本煤層采用房柱式開采和長壁開采布置方案，模型從左向右分為110 m和190 m這2部分，在左側(cè)110 m設(shè)計為房柱式開采，并且在房柱式右側(cè)設(shè)計30 m區(qū)段煤柱，煤柱右側(cè)為長壁開采。房柱式開采5 m煤房，留5 m煤柱，長壁開采由煤柱右側(cè)回采推進(jìn)至模型右側(cè)邊界15 m處停采，試驗時的開采順序為從左向右依次進(jìn)行。

方案步驟二：為了模擬2-2號煤層回采過程中通過1-2號煤層回采完后留下房柱式開采煤柱和區(qū)段煤柱及長壁開采采空區(qū)時覆巖移動破壞規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場實際開采參數(shù)設(shè)計2-2號煤層房柱式開采和區(qū)段煤柱的布置方案，模型從左向右分為190 m和110 m這2部分，在左側(cè)190 m設(shè)計長壁開采，右側(cè)110 m設(shè)計房柱式開采，并在模型中間設(shè)計30 m煤柱，房柱式開采5 m煤房，留5 m煤柱，長壁開采由模型左側(cè)留15 m邊界煤柱向右側(cè)一直采到160 m處停采，留設(shè)30 m煤柱，再向右以房柱式開采完右側(cè)。試驗時的開采順序由左側(cè)向右側(cè)依次進(jìn)行，研究1-2號煤層綜采采空區(qū)和房柱式采空區(qū)對2-2號煤層開采的影響。

方案步驟三：為了掌握淺埋近距離煤層重復(fù)采動過煤柱和采空區(qū)時下關(guān)鍵層破斷機理以及覆巖垮落規(guī)律，為韓家灣煤礦即將采的3-1號煤層提供理論和技術(shù)上的指導(dǎo)。按照上述設(shè)計開采完1-2號煤層和2-2號煤層，從模型左側(cè)留15 m邊界煤柱，采用綜合機械化開采，工作面連續(xù)推進(jìn)至右側(cè)邊界15 m停采，研究上覆巖層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以及1-2號煤層和2-2號煤層綜采采空區(qū)和房柱式采空區(qū)對3-1號煤層開采的影響。

2.2.3 測試手段和采集設(shè)備

采用壓力傳感器監(jiān)測上覆巖層應(yīng)力分布，采用光學(xué)全站儀監(jiān)測上覆巖層位移。采用壓力計算機采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，采用聲發(fā)系統(tǒng)監(jiān)測巖層中的破壞和損傷。

2.2.4 物理模擬試驗?zāi)Ｐ?/p>

由于邊界效應(yīng)的影響，模型架留15 m邊界煤柱作為試驗邊界條件。在1-2號煤層左側(cè)95 m內(nèi)布置房采區(qū)，在2-2號煤層右側(cè)95 m內(nèi)布置房采區(qū)，兩煤層均為開采5 m房，留設(shè)5 m煤柱，如圖3所示。

圖3 物理模擬試驗?zāi)Ｐ虵ig.3 Physical simulation test model

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 開采過程中壓力變化規(guī)律分析

1-2號煤層開采過程支撐壓力分布特征：由于模型鋪設(shè)高度的限制，需要加配鐵磚模擬模型頂部以上巖層重量。根據(jù)實際巖層承載能力，加配鐵磚一層，模擬部分巖層重量，以滿足礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的相似模擬試驗研究。開采前各壓力測點數(shù)據(jù)如圖4所示。在1-2號煤層工作面綜合機械化開采完后底板上應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)變化不明顯，盡管在模型左邊采用的房柱式開采，對本煤層的底板有一定的應(yīng)力集中，但煤層距離3-1號煤層底板較遠(yuǎn)，應(yīng)力集中只在2-2號煤層中一定范圍出現(xiàn)，到3-1號煤層時幾乎沒有明顯的集中現(xiàn)象，傳感器上壓力基本無變化。

圖4 開采前各壓力測點數(shù)據(jù)Fig.4 Data of pressure measuring points before mining

2-2號煤層開采過程支撐壓力分布特征：推進(jìn)至128 m老頂?shù)?次周期來壓，壓力傳感器數(shù)據(jù)變化如圖5所示。最終工作面推進(jìn)至131 m時停止，模型的右邊為房柱式開采。從超前煤壁中支撐壓力集中的程度來看，應(yīng)力集中程度為1.7倍左右，應(yīng)力集中程度相對較高，此處受上煤層煤柱的影響，部分應(yīng)力集中傳遞到工作面煤壁中。

圖5 2-2號煤老頂?shù)?次周期來壓Fig.5 Fifth periodic weighting of main roof of No.2-2 coal seam

3-1號煤層開采過程支撐壓力分布特征：3-1號煤層工作面在繼續(xù)推進(jìn)的過程中，底板上的壓力傳感器數(shù)據(jù)顯示，在采空區(qū)壓力的變化規(guī)律是先減小后增大，主要是開采過程中底板上先是卸壓，然后隨著上覆巖層的垮落壓實而壓力又逐漸增加。工作面推進(jìn)至144 m時，也就是工作面再進(jìn)入煤柱13 m，老頂發(fā)生第6次周期來壓，老頂沿工作面煤壁切落，頂板破碎程度大，礦壓顯現(xiàn)劇烈，動載現(xiàn)象明顯。而當(dāng)工作面推進(jìn)至160 m老頂發(fā)生第7次周期來壓時，區(qū)段煤柱由于支撐面積不斷減少，煤柱中部出現(xiàn)劈尖裂隙，由于工作面剛出上煤層的煤柱，部分應(yīng)力集中傳遞到工作面煤壁中，煤壁中應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增加，壓力傳感器數(shù)據(jù)變化如圖6所示。

圖6 3-1號煤層動壓監(jiān)測Fig.6 Dynamic pressure monitoring of No.3-1 coal seam

2.3.2 聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果分析

當(dāng)3-1號煤層工作面進(jìn)入上煤層房采區(qū)下部，頂板壓力增大，所以上覆巖體初始破壞范圍較大，監(jiān)測到的聲發(fā)射信號較強，大事件、總事件數(shù)目較多[11-12]。在90 s、180 s左右有明顯的事件發(fā)生，伴隨著較大的能率釋放，同時上部2-2號煤層房采煤柱發(fā)生崩落，地表有臺階式下沉。推進(jìn)到173 m附近，2號、3號、4號聲發(fā)射傳感器周圍圍巖受開采擾動影響較大，隨著能量逐漸積聚，聲發(fā)射信號增強，能量在經(jīng)過前一段時間的積累后釋放，此時圍巖內(nèi)應(yīng)力不斷升高，上覆巖層內(nèi)部裂隙擴(kuò)展劇烈，且有新的損傷擴(kuò)展，能量不斷增加。此時頂板大面積垮落，顯現(xiàn)劇烈，同時2號、3號、4號傳感器所接收到的信號增強，有大事件發(fā)生，如圖7所示。振鈴計數(shù)達(dá)到578 196個/s，能率值達(dá)到2.101 503 18×108mV·us/s。在90 s、180 s左右時2號、3號、4號傳感器上信號都比較明顯，伴隨著頂板的大面積垮落，巖層發(fā)生了較明顯的位移，房采區(qū)煤柱被壓壞，地表沉陷明顯。之后，巖層變化趨于穩(wěn)定。

圖7 3-1號煤層動壓點聲發(fā)射監(jiān)測Fig.7 Acoustic emission monitoring of No.3-1 coal seam

2.4 動壓區(qū)域預(yù)測分析

針對韓家灣煤礦的2-2號煤層和3-1號煤層過采空區(qū)和過煤柱開采，開采前應(yīng)先對地面裂縫進(jìn)行勘察，分析采掘工程平面圖。如果在工作面采空區(qū)內(nèi)存在地面臺階下沉，表明上煤層采后在上關(guān)鍵層處于臨近失穩(wěn)狀態(tài)，采用GPS進(jìn)行定位，在井上下對照圖上進(jìn)行危險區(qū)域標(biāo)識。對于過較大的煤柱而言，根據(jù)前述的研究結(jié)果認(rèn)為，在下煤層進(jìn)入煤柱之前10 m至出煤柱后15 m期間均為動載礦壓危險區(qū)域。

3 結(jié)論

(1)對于淺埋近距離煤層上煤層已采下層單一關(guān)鍵層而言，當(dāng)上煤層采后其上關(guān)鍵層破斷后的結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)狀態(tài)，下煤層開采時下關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)破斷后的結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，工作面礦壓顯現(xiàn)異常強烈，工作面易出現(xiàn)臺階下沉和壓架事故。尤其是進(jìn)出煤柱期間，工作面易發(fā)生動載礦壓。

(2)下煤層開采在采空區(qū)下壓力先減后增，在工作面前方形成應(yīng)力集中峰值。1-2號煤層采后應(yīng)力傳感器變化不明顯，2-2號煤層采后壓力峰值在煤壁前方7 m左右，過煤柱時應(yīng)力集中達(dá)到1.7倍。3-1號煤過房柱式采空區(qū)時房柱逐漸破壞，一般在工作面來壓前支撐壓力峰值較大。聲發(fā)射監(jiān)測表明，在周期來壓的位置或者動壓出現(xiàn)前有明顯征兆。

(3)提出了淺埋近距離煤層房柱式開采采空區(qū)下煤層重復(fù)采動關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的控制及防范措施，主要為采前采空區(qū)和煤柱下動載礦壓危險區(qū)域作出預(yù)測，下煤層工作面周期來壓位置動態(tài)預(yù)測，在可能遇到動載礦壓危險區(qū)域時工作面支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測等。