錢家營礦近距離煤層上行開采礦壓規(guī)律研究

李 準(zhǔn)，劉建莊，柳樹弟，薛福祥

（華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

0 引 言

隨著優(yōu)質(zhì)單一煤層資源逐漸減少，近距離煤層群的開采比例不斷增加，在廣泛使用的下行法回采中，受上部采掘擾動影響，上部煤層回采后底板出現(xiàn)大體積塑性區(qū)，且下部工作面頂板破壞程度與煤層間隔呈現(xiàn)明顯負相關(guān)，礦壓顯現(xiàn)明顯、頂?shù)装迤扑?、支護工程難以起效等問題嚴(yán)重制約了近距離煤層開采[1-3]。學(xué)術(shù)界對近距離煤層群開采的礦壓防治理論和技術(shù)做了大量研究，張煒等通過理論計算，獲得了下部煤層巷道的合理位置[4]；程志恒等通過相似模擬實驗研究了保護層與被保護層雙重采動影響下圍巖應(yīng)力-裂隙分布與演化特征[5]；徐敬民等通過研究發(fā)現(xiàn)，淺埋房采區(qū)近距離煤層動壓顯現(xiàn)強烈的原因在于過大的覆巖載荷作用于下方關(guān)鍵塊體并導(dǎo)致其滑落失穩(wěn)[6]；郭放等以FLAC3D 軟件模擬和工程實踐相結(jié)合的方式，得到了煤柱下方與采空區(qū)下方的礦壓活動規(guī)律，煤柱下部大于采空區(qū)下部并于煤柱中線處出現(xiàn)峰值[7]。

開灤集團東歡坨礦南一采區(qū)為典型近距離煤層群，礦壓顯現(xiàn)明顯，采掘銜接困難，為破解東歡坨礦近距離煤層群開采的頂?shù)装寤顒右?guī)律，特開展了“東歡坨礦-500 m 水平近距離煤層群開采礦壓活動規(guī)律研究”，以期查明南一采區(qū)頂煤工作面回采后，頂?shù)装鍛?yīng)力場、支架結(jié)構(gòu)內(nèi)力演化規(guī)律研究，為采場支架選型、巷道支護設(shè)計提供依據(jù)，為區(qū)域采掘工作面計劃銜接提供保障。

1 理論計算

1.1 概 況

東歡坨礦南一采區(qū)位于礦井-230～-500 水平，東南至煤12-1 沖積層防水煤柱線，東北至中央上段采區(qū)煤柱，西北至煤12-1 的-500 m 底板等高線，西南至第17 勘探線。上限標(biāo)高-405—260m，下限標(biāo)高-500 m，地面標(biāo)高+12—+19 m，走向長3 392 m，傾向長300～610 m，面積1.62 km2。采區(qū)東北部（翼） 煤8 正在回采，東北側(cè)為-500 m 中央上段采區(qū)煤12-1、12-2 正在采掘，西北側(cè)為-690 m 水平中央下段采區(qū)，西南側(cè)的南二采區(qū)尚未開發(fā)。

本地層為一簡單的單斜構(gòu)造區(qū)，但煤層間距離除煤9 與煤11 的變化較小外，其余間距變化是由東北向西南增厚，個別間距可達17.5 m。煤5 與煤7 厚度極不穩(wěn)定，分別在0～2.70 m 和0～1.86 m無規(guī)律變化。煤8 西南部變薄（局部無煤）、煤9、煤11、煤12-1、煤12-2、煤12 下的厚度變化不大，屬穩(wěn)定至較穩(wěn)定煤層。煤14-1 的厚度不穩(wěn)定，在0~3.51 m 無規(guī)律變化。

1.2 螺紋螺距、牙高與預(yù)緊力的關(guān)系

隨著工作面回采，支承應(yīng)力范圍不斷移動，幅度發(fā)生變化，相應(yīng)塑性區(qū)不斷調(diào)整，當(dāng)應(yīng)力達到某一數(shù)值時，數(shù)個塑性區(qū)相互連通成為一個大的塑性區(qū)。該塑性區(qū)內(nèi)的巖體在擠壓力作用下向采空區(qū)擴展，成為一個連續(xù)的滑移面，在該狀態(tài)時底板破壞程度最大。

利用滑移線場理論，建立采空區(qū)下底板巖體破壞模型，將滑移線場繪制成圖，具體如圖1 所示。煤層底板塑性破壞區(qū)主要包含3 個部分，I 主動應(yīng)力區(qū)，II 過渡區(qū)，III 被動應(yīng)力區(qū)。煤層底板巖體受支承壓力影響在垂直方向受至擠壓，相應(yīng)在水平方向產(chǎn)生變形，巖體向水平方向擴展并擠壓過渡區(qū)范圍的巖體，進一步擠壓被動區(qū)范圍的圍巖。受過渡區(qū)和被動區(qū)2 個區(qū)域影響，底板向采空區(qū)產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。

圖1 支撐壓力底板破壞分區(qū)Fig.1 Failure zone of support pressure floor

由圖1 推導(dǎo)底板屈服破壞深度h 為：

根據(jù)極限平衡理論計算出煤壁塑性寬度為：

式中：M 為采高；γ 為采場上覆巖層的平均容重；k 為應(yīng)力集中系數(shù)；H 為埋深；φ為煤體的內(nèi)摩擦角；c為煤體的內(nèi)聚力；f 為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；ξ 為三軸應(yīng)力系數(shù)；φf為底板巖層內(nèi)摩擦角。

根據(jù)經(jīng)驗公式的計算結(jié)果，并結(jié)合煤礦的實際情況，取埋深529.35 m，煤體內(nèi)摩擦角30°，應(yīng)力集中系數(shù)2.5，覆巖容重2.5×104kN/m3，煤與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)0.7，煤內(nèi)聚力0.8 MPa，底板內(nèi)摩擦角40°，分別計算8 煤、9 煤、11 煤、12 煤開采后，煤壁塑性寬度、底板屈服破壞深度、最大破壞深度點距工作面端部的平距、底板破壞區(qū)最大水平長度，結(jié)果見表1，8 煤底板破區(qū)超出8 煤與9 煤層間距，9 煤和11 煤底板破壞區(qū)未貫入下伏煤層，但距離下伏煤層距離僅為1.05 m 和4.64 m，底板應(yīng)力重分布會嚴(yán)重影響下伏煤層，且最大破碎深度及峰值應(yīng)力線距煤壁外錯6～10 m，影響區(qū)外錯22～33 m。

表1 南一采區(qū)各煤層底板破壞計算結(jié)果Table 1 Floor failure calculation results of each coal in the south mining area

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型位置及說明

根據(jù)南一采區(qū)工程實況，模擬傾向剖面下點選在2324 工作面風(fēng)道4+20 和4+21 導(dǎo)線點間（距4+20 點58.8 m），上點選在2324 運道4-24 和4-25 點間（距4-24 點27.4 m），對應(yīng)2314 運道為4+7 和4+6 點間，2314 風(fēng)道為4-11 和4-10 點間，2394 運道為9-20 和9-21 點間，2394 風(fēng)道為9+24和9+25 點間，2087 運道87-20 與87-18 點間（距87-20 點44.0 m），2083 上風(fēng)道H13 和H14 點間（距H13 點28.2 m），采面上下布置關(guān)系及UDEC模擬傾向剖面線，如圖2 所示。

圖2 2314 采面UDEC 模擬位置Fig.2 UDEC simulated position diagram of No.2314 Face

走向二維模型分別取在2314 運道和2314 風(fēng)道位置處，X 向?qū)挾葷M足采面推進方向上邊界煤柱和充分開采的模擬需要，邊界煤柱兩側(cè)各取50 m，推進長度取150 m，最下層真厚度取30 m，傾向二維模型X 向?qū)挾雀鶕?jù)實際工程圖取272 m，高度177 m，由12 煤底板至8 煤頂板，共計26 層巖層。模擬風(fēng)道和運道斷面采用14.0 m2三心金屬拱形支架支護，棚距為650 m，寬度為4.84 m，高度為3.31 m，頂拱半徑2.39 m，側(cè)拱半徑2.88 m，搭接長度450 mm，棚腿外扎腳8°，主要巖性包括煤體、硬砂巖、泥質(zhì)軟巖3 類，巖層剖面方向的偽斜角為21°。

2.2 2314 運道走向模型結(jié)果分析

2314 運道處工作面模擬開挖順序為2087—2394—2314—2324，模型中3 種巖性選用應(yīng)變軟化模型，以塑性應(yīng)變?yōu)?5‰粘聚力變?yōu)槌跏贾档?0%，塑性應(yīng)變?yōu)?5‰粘聚力變?yōu)?。

（1） 初始平衡，圖3 為2314 運道走向切片模型初始平衡狀態(tài)，顯示了傾向模型初始平衡后的垂直應(yīng)力SYY 狀態(tài)，模型上部應(yīng)力在8.5 MPa，模型底部應(yīng)力為13.25 MPa。

圖3 南一采區(qū)2014 運道走向模型初始平衡應(yīng)力SYYFig.3 Initial equilibrium stress SYY of No.2014 transport roadway

（2） 2394 采面回采。圖4 顯示了2087 和2394 采面開挖后，頂?shù)装逯蠸YY 應(yīng)力云圖和11煤、12 煤中測線上SYY 的分布情況?？梢?，走向150 m 的推進范圍內(nèi)，推進中部發(fā)育了寬度100 m左右的應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，應(yīng)力峰值8.5～9.5 MPa，低于原巖應(yīng)力，側(cè)方煤柱區(qū)的下位煤層應(yīng)力峰值約為26 MPa，說明超前應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，150 m 的推進范圍內(nèi)已經(jīng)達到充分采動狀態(tài)。

圖4 2394 回采后應(yīng)力SYY 分布Fig.4 Distribution of stress SYY after ming of No.2394 Face

圖5 顯示了2394 回采后，頂?shù)装鍘r層發(fā)生塑性破壞和節(jié)理面破壞的情況。圖中可見張開裂隙和拉塑性發(fā)育以上三角形態(tài)發(fā)育，2087、2394 的直接頂和老頂離層發(fā)育最為明顯，上位工作面開采沒有誘發(fā)下位的2314 和2324 工作面頂?shù)讕r層塑性損傷和結(jié)構(gòu)面破壞。

圖5 2394 回采后塊體和結(jié)構(gòu)面破壞狀態(tài)Fig.5 Failure state of block and structure surface after No.2394 Face mining

（3） 2314 采面回采。圖6 顯示了2314 回采后，頂?shù)装逯蠸YY 應(yīng)力云圖和12 煤中測線上SYY的分布情況。圖中可見，走向150 m 的推進范圍內(nèi)，推進中部發(fā)育了寬度100 m 左右的應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，應(yīng)力峰值18.0 MPa，高于原巖應(yīng)力，側(cè)方煤柱區(qū)的下位煤層應(yīng)力峰值約為26 MPa，說明超前應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，150 m 的推進范圍內(nèi)已經(jīng)達到充分采動狀態(tài)。

圖6 2314 回采后應(yīng)力SYY 分布Fig.6 Distribution of stress SYY after No.2314 Face mining

圖7 顯示了2314 回采后，頂?shù)装鍘r層發(fā)生塑性破壞和節(jié)理面破壞的情況。圖中可見2314 回采在底板塑性損傷區(qū)的范圍已經(jīng)波及到下位12 煤層之中，但結(jié)構(gòu)面裂隙破壞并沒有在12 煤直接頂?shù)装逯邪l(fā)生。

圖7 2314 回采后塊體和結(jié)構(gòu)面破壞狀態(tài)Fig.7 Failure state of block and structure surface after No.2314 Face mining

綜上模擬結(jié)果，2394 采面回采主要影響下位11 煤、12 煤的應(yīng)力分布，在采面推進范圍150 m的中部區(qū)域會有應(yīng)力恢復(fù)區(qū)生成，但2314 回采前應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的峰值應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，2314 回采后高于原巖應(yīng)力，恢復(fù)后的應(yīng)力集中系數(shù)為1.4 左右，邊界煤柱的應(yīng)力值約為26 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，2394 開采沒有誘發(fā)下位的2314 和2324頂?shù)讕r層塑性損傷和結(jié)構(gòu)面破壞，2314 回采在底板塑性損傷區(qū)止于下位12 煤層中。

2.3 2314 風(fēng)道走向模型結(jié)果分析

2314 風(fēng)道處工作面模擬開挖順序為2392—2322—2314，分步模擬結(jié)果如下。

（1） 2314 采面回采前。圖8 顯示了下伏2322采面和上覆2083 采面回采后，中部11 煤層的頂?shù)装鍘r層垂直應(yīng)力SYY 分布情況。模擬表明，2314采面推進150 m 范圍內(nèi)，靠近邊界50 m 的邊界煤柱支撐區(qū)，左側(cè)峰值15.6 MPa，距離開切位置11 m，右側(cè)峰值20.3 MPa，距離停采位置12 m，采空區(qū)中部有2 個應(yīng)力升高區(qū)，峰值應(yīng)力分別為30.6 MPa、27.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)在2.35 和2.13。

圖8 2314 回采前應(yīng)力SYY 分布Fig.8 Distribution of stress SYY before No.2314 Face mining

圖9顯示了下伏2322 采面和上覆2083 采面回采后，煤層間塊體塑性損傷和節(jié)理破壞情況。圖中可見，受上下采面回采影響，2314 采面頂?shù)装寰幱谒苄詤^(qū)，層間離層和豎向節(jié)理均較為發(fā)育，位置深達2324 采面老底位置。

圖9 2314 回采前塊體和結(jié)構(gòu)面破壞狀態(tài)Fig.9 Failure state of block and structure surface before No.2314 Face mining

（2） 2314 采面回采后。圖10 顯示了2314 采面回采后，各煤層頂?shù)装鍘r層垂直應(yīng)力SYY 分布情況。圖中可見，開采兩側(cè)邊界一定范圍均發(fā)育一個應(yīng)力降低區(qū)，區(qū)間寬度50～70 m，中部采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)值峰值可達59.6 MPa，大部分波峰值在20～30 MPa，說明多次采動后空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)較高，集中系數(shù)可達2.0～2.3 倍。左側(cè)邊界煤柱峰值應(yīng)力16.4 MP，距離采空區(qū)5.4 m，右側(cè)邊界煤柱峰值應(yīng)力17.8 MPa，距離采空區(qū)19 m。

圖11 顯示了2314 采面回采后，煤層間塊體塑性損傷和節(jié)理破壞情況。與圖10 相比，2314 采動對塑性損傷區(qū)和節(jié)理破壞區(qū)的分布影響，主要在于邊界損傷的橫向擴展，推進方向較大，擴展寬度在5～15 m。

圖10 2314 回采后應(yīng)力SYY 分布Fig.10 Distribution of stress SYY after No.2314 Face mining

圖11 2314 回采后塊體和結(jié)構(gòu)面破壞狀態(tài)Fig.11 Failure state of block and structure surface after No.2314 Face mining

綜上模擬結(jié)果，2322 回采會造成2314 采面邊界煤柱的應(yīng)力集中，集中系數(shù)在1.2～1.56，采空區(qū)形成應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，集中系數(shù)2.35 和2.13，11 煤層近采場圍巖將全部位移塑性損傷和節(jié)理破壞區(qū)。2314 回采后，頂?shù)装逅苄該p傷和節(jié)理破壞區(qū)在豎向擴展很少，主要在推進前邊界5～15 m 擴展，空區(qū)的峰值應(yīng)力集中系數(shù)為2.0～2.3，局部巖塊內(nèi)部會有高應(yīng)力核區(qū)的存在（最大值59.6 MPa）。

3 結(jié) 論

（1） 南一采區(qū)8 煤底板破區(qū)超出8 煤與9 煤層間距，9 煤和11 煤底板破壞區(qū)未貫入下伏煤層，但距離下伏煤層距離僅為1.05 m 和4.64 m，底板應(yīng)力重分布將會嚴(yán)重影響下伏煤層，且最大破碎深度及峰值應(yīng)力線距煤壁外錯6～10 m，影響區(qū)外錯22～33 m。

（2） 在煤柱正下方垂直應(yīng)力最大，從中間至兩邊區(qū)域應(yīng)力呈遞減趨勢；隨著垂距加大應(yīng)力分布范圍變大，影響程度變小。

（3） 2314 運道走向模型模擬表明，2394 回采主要影響下位煤巖應(yīng)力分布，采空應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的峰值低于原巖應(yīng)力，2314 回采后高于原巖應(yīng)力，集中系數(shù)為1.4 左右，邊界煤柱的應(yīng)力值約為26 MPa，集中系數(shù)為2.0，2394 開采沒有誘發(fā)下位的2314 和2324 頂?shù)讕r層塑性損傷和結(jié)構(gòu)面破壞，2314 回采在底板塑性損傷區(qū)止于下位12 煤層中。

（4） 2314 風(fēng)道走向模型模擬表明，2322 回采造成2314 邊界煤柱應(yīng)力集中，系數(shù)在1.2～1.56，采空區(qū)2 個應(yīng)力恢復(fù)區(qū)集中系數(shù)2.35 和2.13。2314 回采后，損傷破壞區(qū)在豎向擴展很少，主要在邊界5～15 m 擴展，空區(qū)的集中系數(shù)為2.0～2.3，局部巖塊內(nèi)有鉸接點高應(yīng)力核區(qū)的存在。