柱式采空區(qū)上行開采數(shù)值模擬研究

張小軍，覃祥瑞，陳勛勛，張嘉凡

(1.陜西省煤炭科學研究所，陜西 西安 710001；2.西安科技大學，陜西 西安 710054)

神廣煤礦井田內(nèi)共賦存3層(4-2上、4-3及5-2)可采煤層，因產(chǎn)能、工藝、煤質(zhì)等問題，使得5-2煤已采用房式采煤法開采完畢，現(xiàn)形成“柱式采空區(qū)上行開采多煤層”的開采模式。在柱式采空區(qū)上部上行開采的關(guān)鍵問題在于下部5-2煤開采后是否對上部4-2上、4-3煤的整體性和連續(xù)性造成破壞性影響以及上行開采過程中的采動效應是否對層間巖層及下部采空區(qū)留設(shè)煤柱穩(wěn)定性產(chǎn)生危害性破壞。

關(guān)于上行開采我國學者進行了大量研究[1-7]。李楊等[8]針對近距離煤層上行開采的可行性與擾動評價問題，建立了上行開采“可行度”判別式與評價體系。馮國瑞等[9]通過相似模擬試驗分析了刀柱殘采區(qū)形成時和上行長壁開采過程中采場支承壓力時空演化規(guī)律。張晨雷[10]進行了相似模擬試驗，對煤層群上行開采過程中覆巖垮落和運移規(guī)律進行了監(jiān)測。邵小平等[11]采用相似模擬試驗的方法，研究了下部煤層開采后層間巖層移動變形規(guī)律及裂隙分布規(guī)律。龐冬冬[13]運用數(shù)值計算方法，模擬了下部煤層開采后煤層間應力和位移的變化規(guī)律。楊創(chuàng)前等[14]采用UDEC數(shù)值模擬軟件研究了上行開采前后采場的應力分布特征及煤柱的塑性區(qū)分布規(guī)律?，F(xiàn)有上行開采研究大多基于下部煤層采用長壁采煤法，采空區(qū)上覆巖層垮落比較充分，主要關(guān)注下部煤層開采對上部煤層整體性和連續(xù)性的影響。然而，神廣煤礦5-2煤采用了房式采煤法，采空區(qū)留有大量煤柱，覆巖未充分垮落，上行開采產(chǎn)生的采動壓力可能造成5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱失穩(wěn)破壞，引起上覆巖層垮落破壞和工作面底板巖層失穩(wěn)，危及上部煤層采煤工作面的安全生產(chǎn)[15，16]。

針對神廣煤礦柱式采空區(qū)上行開采的工程實際，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過建立三維數(shù)值模型，采用數(shù)值模擬方法研究上行開采過程中的采動效應對層間巖層及下部煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱穩(wěn)定性的影響規(guī)律，綜合論證上行開采可行性。

1 工程概況

神廣煤礦位于神木市北部，面積3.6355km2，主要可采煤層自上而下依次為4-2上、4-3、5-2煤，其特征見表1。下部5-2煤采用“采6留7”房式開采，采高2.6m，現(xiàn)已開采完畢；上部4-2上煤已開采1401、1402及1403工作面，1404備用工作面已形成，1405工作面掘進415m后臨近5-2煤柱式采空區(qū)，存在上行開采問題。5-2煤采空區(qū)上部的4-2上煤保有資源量為152.17Mt，占4-2上煤總儲量的33.96%；4-3煤保有資源量為221.20Mt，占4-3煤總儲量的74.36%。對5-2煤采空區(qū)上部4-2上、4-3煤進行上行開采具有良好的經(jīng)濟效益。因此，為了充分、合理開發(fā)煤炭資源，延長礦井服務年限，保障神廣煤礦的安全生產(chǎn)，需對5-2煤上部4-2上、4-3煤的上行開采可行性進行研究。

2 上行開采可行性理論分析

2.1 比值判定法

基于兩煤層間的層間距與下部煤層采高的比值大小，對上部煤層的上行開采可行性進行判定，即為比值判定法。其比值K可表示為[17，18]：

K=H/M

(1)

式中，H為上下兩煤層之間的層間距，m；M為下層煤采高，m。

下部5-2煤層采高為2.6m，距上部4-3、4-2上煤層最小間距分別為61m和86m，帶入式(1)得比值分別為K1=23.46、K2=33.07。根據(jù)我國上行開采的生產(chǎn)實踐和研究表明，當比值K>7.5時，可在已采煤層采空區(qū)上部進行正常的采掘活動。由上述計算可知，初步判斷4-2上煤和4-3煤均可在5-2煤采空區(qū)范圍內(nèi)進行上行開采。

2.2 煤柱穩(wěn)定性分析

5-2煤層房式開采后留設(shè)了較多煤柱，在上行開采前需對其穩(wěn)定性進行分析。通過現(xiàn)場煤巖采樣，并加工為直徑50mm，高度100mm的標準試樣；進行單軸壓縮試驗，測得其抗壓強度分別為21.17MPa、20.99MPa、19.82MPa，取其平均值為20.66MPa。

考慮到煤巖試塊的尺寸效應，根據(jù)Hustrulid于1976年提出的室內(nèi)試驗標準試樣與原位臨界立方體試塊的強度轉(zhuǎn)換公式：

(2)

式中，σc為實驗室煤樣單軸抗壓強度，MPa；σm為原位臨界立方體煤塊強度，MPa；D為實驗室試樣直徑，m。

將室內(nèi)實驗測得的標準煤樣單軸抗壓強度σc=20.66MPa代入式(2)得到原位臨界立方體煤塊的強度σm=4.87MPa。

根據(jù)Bieniawski提出的煤柱強度計算公式：

(3)

式中，a為煤柱寬度，m；當a/h>5時，n=1.4；a/h<5時，n=1。

將各參數(shù)代入式(3)可得5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱的極限承載強度σp=7.84MPa。

根據(jù)有效區(qū)域理論，煤柱所承受的上覆巖層荷載可根據(jù)下式計算：

(4)

式中，γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；h為開采深度，m；b為采出寬度，m。

5-2煤層開采深度為167m，取上覆巖層平均容重為22.3kN/m3，帶入式(4)計算得σs=12.67MPa。根據(jù)煤柱的極限承載強度與承受荷載之比σp/σs確定其安全系數(shù)為0.62，即煤柱處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不利于安全上行開采。為此，對5-2煤采空區(qū)進行了偵察，結(jié)果顯示：5-2煤采空區(qū)有部分頂板冒落，可見巖石頂，煤柱基本完好。但由于煤柱承受荷載較大，考慮到上行開采過程中的采動效應對其長期穩(wěn)定性的影響，需采用數(shù)值模擬方法進一步研究4-2上、4-3煤上行開采對5-2煤采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性的影響。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

采用3DEC離散元軟件對4-2上和4-3煤上行開采可行性進行分析。根據(jù)神廣煤礦井田賦存條件及綜合柱狀圖，結(jié)合4-2上煤1405工作面臨近5-2煤采空區(qū)的工程實際，并保留地形特征，選取1406和1407工作面對應區(qū)域建立三維數(shù)值模型，如圖1所示。模型中各巖層物理力學參數(shù)見表2。

圖1 三維數(shù)值模型

表2 巖層物理力學參數(shù)表

模型尺寸為500m×350m×174m，分別在x、y方向相對的2邊界面施加法向約束，模型底面(z=0)施加限制各個方向位移的固定面約束，上表面為自由邊界。為了減少邊界效應的影響，模型走向和傾向的邊界分別為50m和47.5m，即模型工作面開采的走向長度為400m，5-2煤傾向長度為255m，4-2上、4-3煤1406和1407工作面傾向長度均為120m，并留設(shè)寬度為15m的區(qū)段煤柱。選取y=103.5m處(1406工作面中心軸線)截面進行應力場和位移場的分析，并在該截面布設(shè)2條監(jiān)測線，如圖2所示，測線1位于5-2煤頂板，測線2位于4-3煤與5-2煤的層間巖層中部。模擬開采過程中，先開采5-2煤，待采場巖層運移穩(wěn)定后再開采4-2上煤，最后開采4-3煤。5-2煤采用“采6留7”房式開采，4-2上、4-3煤均采用長壁垮落法開采。

圖2 測線布置

3.2 5-2煤開采后巖層應力、位移分布規(guī)律

5-2煤采用“采6留7”房式開采，開采后采場應力場及位移場分布如圖3所示。

圖3 5-2煤開采后采場垂直應力、位移場分布規(guī)律

由圖3(a)可知，采場中心處煤柱垂直應力較大，可達11.8MPa，這與理論計算值12.67MPa基本一致。分析可知，5-2煤開采后，煤房與煤柱間隔分布，留設(shè)煤柱及采空區(qū)兩側(cè)煤壁承擔上覆巖層的所有荷載，導致采場中心區(qū)域煤柱垂直應力值較大。由圖3(b)可知，采場中心位置巖層沉降最大，最大值為1.73cm，靠近采空區(qū)兩側(cè)最小，最小值僅為0.9cm。由于煤房與煤柱間隔分布，煤房上覆巖層沉降量較大，而煤柱上覆巖層沉降較小，造成頂板出現(xiàn)不均勻沉降，但影響范圍較小，僅出現(xiàn)在上覆巖層10m范圍內(nèi)，且沉降量極小?？傮w而言，采場上覆巖層沉降量由下至上逐漸減小，不均勻沉降范圍遠小于煤層間的層間距，不會對4-2上和4-3煤的整體性和連續(xù)性造成影響。

3.3 4-2上煤上行開采后巖層應力、位移分布規(guī)律

為了驗證4-2上煤上行開采的可行性，模擬計算了5-2煤房式開采后開采4-2上煤對層間巖層應力及位移場的影響。4-2上煤開采后巖層應力場、位移場分布如圖4所示。

由圖4可知，4-2上煤開采后，5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱垂直應力有所減小，煤柱最大應力由4-2上煤開采前的11.8MPa減小至10.5MPa；同時4-2上煤頂板由開采前受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)，底板區(qū)域壓力值有所減小，采空區(qū)兩端出現(xiàn)較小區(qū)域應力集中。分析可知，4-2上煤采出后，將原本覆于其底板的煤層采出，形成采空區(qū)，施加于底板的荷載逐漸減小，并轉(zhuǎn)移至區(qū)段煤柱及采場邊界煤層，由此傳遞至下部巖層，從而減少了原本施加于層間巖層及5-2煤留設(shè)煤柱的荷載，使其垂直應力減小，煤柱安全系數(shù)提高，并保持穩(wěn)定。

圖4 4-2上煤開采后采場垂直應力、位移分布規(guī)律

由圖4(b)可知，4-2上煤上行開采后，其采空區(qū)底板大部分區(qū)域存在較小的底鼓現(xiàn)象，邊界巖層沉降有所增加，且5-2煤頂板處位移均有所減小。分析可知，由于卸壓效應，施加于底板上的荷載轉(zhuǎn)移至邊界煤層，增大了邊界處巖層承受荷載，減小了底板巖層所受荷載，進而導致采場邊界處巖層位移增大，并出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象；同時施加于5-2煤頂板的荷載減小，導致頂板位移有所減小。

綜上所述，4-2上煤上行開采造成的采動效應未對層間巖層及5-2煤留設(shè)煤柱帶來破壞性影響，未引起層間巖層礦山壓力顯現(xiàn)的劇烈變化。反而由于卸荷效應，以及荷載向區(qū)段煤柱及采空區(qū)邊界處煤壁轉(zhuǎn)移，有利于5-2煤留設(shè)煤柱及采空區(qū)的穩(wěn)定性；加之層間巖層垂直應力未發(fā)生顯著變化，因此保證了層間巖層的穩(wěn)定。因此在5-2煤開采后，可對4-2上煤進行上行開采。

3.4 4-3煤開采后巖層應力、位移分布規(guī)律

對4-3煤進行開采時，由于4-3煤的開采對于5-2煤是上行開采，而對于4-2上煤是下行開采，其上下煤層之間巖層受4-2上、5-2煤開采的共同影響，加之4-3煤與5-2煤層間距比4-2上煤小25m，使得其煤層底板、頂板和層間巖層發(fā)生的移動變形及應力狀態(tài)更為復雜。為了驗證4-3煤上行開采的可行性，模擬計算了5-2、4-2上煤開采后上行開采4-3煤對層間巖層應力及位移場的影響。4-3煤開采后巖層應力場、位移場分布如圖5所示。

由圖5可知，4-3煤開采后，4-2上煤與4-3煤間的層間巖層由受壓逐漸轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)，應力值介于2～4MPa之間；4-3煤底板區(qū)域垂直應力減小，介于0～1MPa之間；5-2煤采空區(qū)頂板垂直應力進一步減小至4～6MPa，煤柱應力整體減小至6～8MPa，最大值減小至8.19MPa，煤柱安全系數(shù)進一步提高。

圖5 4-3煤開采后采場垂直應力、位移場分布規(guī)律

由圖5(b)可知，4-3煤采空區(qū)上覆巖層的位移由下至上逐漸減小，且頂板區(qū)域位移最大，由于4-2煤采空區(qū)對上部巖層荷載傳遞的影響，使得4-3煤頂板承受荷載減小，因而其位移相對于4-2煤頂板較小；其底板區(qū)域存在較小向上的位移，即頂板發(fā)生下沉而底板則為底鼓現(xiàn)象。表明4-3煤開采擾動未導致層間巖層礦山壓力劇烈變化，未對層間巖層造成破壞性影響。故4-3煤上行開采具有可行性。

3.5 層間巖層受上部煤層采動影響規(guī)律

為了進一步研究4-2上、4-3煤上行開采的可行性，提取了各煤層開采過程中測線2的垂直應力和位移值，如圖6所示。由圖6可知，各煤層開采后，層間巖層垂直應力分布規(guī)律具有一致性，即采空區(qū)對應層間巖層垂直應力值均勻分布，而靠近邊界處層間巖層垂直應力逐漸增大。具體表現(xiàn)為5-2、4-2上、4-3煤依次采出后50～450m范圍內(nèi)層間巖層垂直應力值逐漸減小，分別為2.0MPa、1.5MPa、1.0MPa；而邊界處巖層垂直應力值逐漸增大，最大值分別為3.5MPa、4.0MPa、4.2MPa。各煤層開采后，層間巖層沉降量變化規(guī)律與垂直應力一致，即5-2、4-2上、4-3煤依次采出后50～450m范圍內(nèi)層間巖層沉降量逐漸減小，而邊界處沉降量逐漸增大，且沉降逐漸趨于均勻。進一步說明4-2上、4-3煤上行開采后的采動效應，未導致層間巖層礦山壓力劇烈變化，未對層間巖層造成破壞性影響。

圖6 層間巖層垂直應力、位移演化規(guī)律

3.6 5-2煤采空區(qū)煤柱受上部煤層采動影響規(guī)律

5-2煤作為首采煤層，其采空區(qū)穩(wěn)定性是4-2上、4-3煤安全上行開采的關(guān)鍵因素。5-2煤采用“采6留7”房式開采，留設(shè)了尺寸為7m×7m的煤柱承載上覆巖層荷載。為了明確各煤層開采過程中5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性，提取了測線1的垂直應力和位移值，如圖7所示。

圖7 5-2煤頂板垂直應力、位移演化規(guī)律

由圖7可知，5-2煤開采前煤柱處垂直應力值為原巖應力，整體均勻分布，約為4MPa。在5-2煤開采后，應力值發(fā)生突變，較大值介于6～10MPa之間，位于留設(shè)煤柱處，較小值介于0～2MPa之間，位于煤房處。4-2上煤上行開采后，5-2煤采空區(qū)煤柱垂直應力值均減小，最大應力為8.66MPa；4-3煤上行開采后，煤柱處應力進一步減小，最大應力為6.8MPa。表明4-2上、4-3煤上行開采后，5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱承受荷載逐漸減少，煤柱應力值減小，煤柱仍保持穩(wěn)定。5-2煤開采后采空區(qū)頂板位移發(fā)生突變，沉降不均勻，表現(xiàn)為煤房頂板沉降最大，最大值為1.73cm，而煤柱處沉降較小。4-2上、4-3煤依次采出后5-2煤采空區(qū)頂板沉降量逐漸減小，最大值分別為1.55cm、1.25cm。總體而言，4-2上、4-3煤上行開采均使得5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱承受荷載持續(xù)減少，留設(shè)煤柱保持穩(wěn)定，采空區(qū)整體趨于穩(wěn)定。表明上行開采可行。

4 結(jié) 論

1)4-2上、4-3煤與5-2煤間計算得到的比值K分別為33.07、23.46，均大于臨界值7.5；煤柱的極限承載強度為7.84MPa，安全系數(shù)為0.62，對安全上行開采存在一定影響。

2)5-2煤開采后，上覆巖層沉降量由下至上逐漸減小，4-2上和4-3煤具有良好的整體性和連續(xù)性；上行開采使得層間巖層應力降低，位移減小。

3)4-2上、4-3煤上行開采后5-2煤采空區(qū)煤柱應力逐漸降低，安全系數(shù)逐漸提高，且未對層間巖層及煤柱帶來破壞性影響，未引起層間巖層礦山壓力顯現(xiàn)的劇烈變化。因此，神廣煤礦4-2上、4-3煤上行開采具有可行性。