熊祥林,陳朋磊
(1.平煤股份四礦,河南 平頂山 467000; 2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司,河南 鄭州 450001)
近距離煤層開采相關(guān)的研究成果主要集中在較大的煤層間距,圍巖控制理論與技術(shù)研究體現(xiàn)在單一煤層開采方面[1-4],對(duì)近距離煤層的研究成果需要進(jìn)一步加強(qiáng)。王曉輝[5]基于范各莊煤礦近距離煤層上行開采,利用類比法、概率積分法及數(shù)值模擬等方法,研究了近距離煤層上行開采過程中礦壓顯現(xiàn)和覆巖運(yùn)移規(guī)律,分析了各煤層間的相互影響。黃慶享[6]結(jié)合陜蒙神東煤田近距離煤層回采工作面地質(zhì)條件,利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、物理模擬及理論分析的方法,研究了下位煤層工作面采場(chǎng)礦壓規(guī)律,揭示了不同層間距時(shí)巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)及演化特征。張志立等[7]針對(duì)鄂爾多斯地區(qū)近距離煤層淺埋、薄基巖、厚表土的賦存特點(diǎn)及其開采時(shí)存在的巖層控制問題,采用UDEC模擬軟件,并結(jié)合“關(guān)鍵層”理論及概況現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù),研究了淺埋煤層“關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)的破斷特征,分析了相鄰煤層開采時(shí)采場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)特征及其相互作用。董興迎[8]實(shí)測(cè)了某煤礦采空區(qū)下近距離下位煤層回采期間礦壓數(shù)據(jù),采用理論分析研究了上位煤層回采后殘留煤柱對(duì)下位煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響,并采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了下位煤層采場(chǎng)來壓步距及工作面推進(jìn)過程中液壓支架的工作阻力?;诖吮疚牟捎美碚摲治?、數(shù)值模擬的研究方法,分析己15煤層回采過程中采場(chǎng)支承壓力與底板損傷特征,明確己16-17-31020工作面運(yùn)輸巷布置方式,得出該布置方式下巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征。
某礦主采己煤段煤層中的己15、己16-17煤層。己15煤層位于己16-17煤層上方,層間距8~12 m。因己15煤層為解放層,故礦方一般先施工解放層,再對(duì)下伏的己17煤層進(jìn)行回采,本文研究的己16-17-31020運(yùn)輸巷位于己15-31040采空區(qū)下方,其具體的圍巖地質(zhì)構(gòu)造特征如下。
(1)煤層賦存特征。井田內(nèi)含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組。含煤地層厚556~1 090 m,平均796 m,含煤21~56層,其中包括可采和局部煤層。根據(jù)巖性分為8個(gè)煤段,可采煤層以己煤段為主要煤層,本文對(duì)己15和己16-17煤層進(jìn)行研究。具體煤層地質(zhì)條件如下:己15煤層位于山西組下部,上距砂鍋窯砂巖39~81 m,層間距平均60 m。己15煤厚1.2~1.8 m,為穩(wěn)定煤層。煤層無夾矸,呈鱗片狀、塊狀、粒狀,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,從東向西逐漸變薄。己16-17煤層位于山西組下部,上距砂鍋窯砂巖46~99 m,層間距65~75 m,平均70 m,距己15煤層8~12 m。己16-17煤層厚2.2~5 m,平均厚3.6 m,為簡(jiǎn)單煤層,己16-17煤有1層厚度0.4~0.7 m的夾矸,煤層易碎為粉末,多呈塊狀、粒狀、鱗片狀。
(2)頂?shù)装逄卣鳌<?5煤層底板即為己16-17煤層頂板,己15煤層伴有粉砂質(zhì)泥巖偽頂,直接頂厚5~10 m,為泥巖或細(xì)砂巖;基本頂厚度10~20 m,為粉砂巖及中粒砂巖。己16-17煤層底板為厚度4.8~10 m的泥巖,較堅(jiān)硬。有厚度0.4~0.8 m的偽頂(泥巖),直接頂為粉砂質(zhì)泥巖,平均厚5.45 m。己16-17煤層頂?shù)装鍘r層巖性特征見表1。
表1 己16-17煤層頂?shù)装鍘r層巖性特征Tab.1 Lithologic characteristics of roof and floor slate of Ⅵ16-17 coal seams
(3)巷道地質(zhì)構(gòu)造特征。根據(jù)地測(cè)科提供地質(zhì)資料顯示,該回采巷地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單;預(yù)計(jì)施工中將揭露5條落差1.0~3.5 m的正斷層,對(duì)掘進(jìn)有不同程度的影響,掘進(jìn)過程中還可能揭露隱伏構(gòu)造。
受上位煤層采動(dòng)影響,上覆工作面周圍煤巖體應(yīng)力重新分布,隨著采煤工作面的推進(jìn),采空區(qū)頂板巖層垮落,上覆巖層載荷分布于采場(chǎng)周圍煤體上,四周煤壁應(yīng)力增加,于工作面前方增加的應(yīng)力為超前支承壓力,此壓力隨工作面推進(jìn)不斷前移,側(cè)向支承壓力以及采空區(qū)后方支承壓力隨工作面推進(jìn)一段時(shí)間后基本不變。采場(chǎng)周圍應(yīng)力重新分布示意如圖1所示。
圖1 采場(chǎng)周圍應(yīng)力重新分布Fig.1 Distribution of the stress around the mining pit
研究工作面支承壓力在底板巖層內(nèi)的傳遞特征,對(duì)了解受上位煤層采動(dòng)影響的下位煤層應(yīng)力分布及影響范圍有指導(dǎo)意義,煤柱受到的總載荷的理論計(jì)算公式為:
P=[(B+L)×H-(L-htanδ)×h]γ
(1)
式中,P為煤柱所受總載荷;H為采深;L為采空區(qū)寬度;h為頂板垮落高度;B為煤柱寬度;δ為頂板巖層的垮落角;γ為上覆巖層的平均容重。
則遺留煤柱受到的均布載荷為:
q=[(B+L)×H-(L-htanδ)×h]γ/B
(2)
將煤巖體近似為各向同性的均勻半無限平面,建立模型來計(jì)算煤柱所受到的力,可分析采空區(qū)煤柱下任意位置巖體的應(yīng)力,如圖2所示。
圖2 煤柱受力的計(jì)算模型Fig.2 Calculation of the force on the pillar
底板任意點(diǎn)(θ,r)的應(yīng)力分量為:
(3)
用直角坐標(biāo)表示為:
(4)
由(4)積分,得出底板任意點(diǎn)應(yīng)力公式為:
(5)
根據(jù)某礦的工程概況,該礦上位煤層采空區(qū)的煤柱留設(shè)7 m。為了研究上層煤回采結(jié)束后,底板巖層受到煤柱影響的應(yīng)力分布規(guī)律,將遺留煤柱寬度代入式(5)中,得出煤柱下底板應(yīng)力分布特征:①上部煤層遺留的區(qū)段煤柱下底板巖層不同深度截面的垂直應(yīng)力的峰值均出現(xiàn)在煤柱下方的中心線處。垂直應(yīng)力在煤柱中心線下方最大,其中煤柱下5 m時(shí),相應(yīng)的垂直應(yīng)力為66.4 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.62,應(yīng)力與煤柱中心線距離呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系;在煤柱下方,垂直應(yīng)力與底板深度也呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,煤柱下15 m時(shí),最大垂直應(yīng)力減小至51.6 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.16,相比于5 m時(shí),降低了14.8 MPa;而采空區(qū)下,垂直應(yīng)力與底板深度呈正相關(guān)的關(guān)系。②煤柱下底板水平應(yīng)力與底板深度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,當(dāng)煤柱下5 m時(shí),煤柱中心線下方水平應(yīng)力值最大,為73.4 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為3.08;在煤柱下方,水平應(yīng)力與底板深度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。煤柱下15 m時(shí),煤柱中心線下方水平應(yīng)力為22.9 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為0.96,接近原巖應(yīng)力;采空區(qū)下,水平應(yīng)力與底板深度呈正相關(guān)的關(guān)系。③上部煤層遺留的區(qū)段煤柱的切應(yīng)力在煤柱中心線處的切應(yīng)力值接近0,并且切應(yīng)力值在煤柱范圍內(nèi)變化幅度較大;隨著底板巖層的深度增大切應(yīng)力值不斷減小。煤柱下5 m的切應(yīng)力峰值為6.1 MPa;煤柱下15 m時(shí),切應(yīng)力峰值為5.2 MPa,相比于5 m時(shí),降低了0.9 MPa,變化幅度較小,同一水平截面煤柱切應(yīng)力值在煤柱寬度范圍內(nèi),隨著與煤柱中心線的距離增加而增大,在煤柱寬度范圍外隨距離的增加而逐漸緩和。
兩側(cè)工作面開采后,區(qū)段煤柱作為主要承載體,其內(nèi)部支承壓力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,支承壓力通過煤柱底板傳遞至采空區(qū),圍巖破壞后形成連續(xù)的滑移面?;诨凭€場(chǎng)理論,構(gòu)建己15煤層采空區(qū)下底板的損傷模型,如圖3所示。
圖3 底板破壞深度力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of the depth of destruction of the bottom
基于己15煤層底板破壞的程度,可劃分為3個(gè)區(qū)域:Ⅰ為主動(dòng)應(yīng)力區(qū),Ⅱ?yàn)檫^渡應(yīng)力區(qū),Ⅲ為被動(dòng)應(yīng)力區(qū)。主動(dòng)區(qū)底板達(dá)到其最大承載極限后,由于垂直方向上的受力產(chǎn)生水平膨脹,過渡區(qū)、被動(dòng)極限區(qū)煤巖體會(huì)產(chǎn)生采空區(qū)方向的膨脹。己15煤層留設(shè)煤柱寬7 m,將礦井相關(guān)地質(zhì)參數(shù)以及煤巖體物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果代入相關(guān)計(jì)算式,可得出,采空區(qū)底板巖層最大屈服破壞深度為12.24 m,上位煤層開采對(duì)采空區(qū)下巖層的水平破壞范圍,即被動(dòng)應(yīng)力區(qū)域邊界長(zhǎng)度為10.6 m。
根據(jù)研究區(qū)域及己16-17-31020工作面地質(zhì)條件,同時(shí)為綜合反映出己16-17煤層和己15煤層各工作面間的相對(duì)空間位置關(guān)系,建立模型尺寸為696 m×480 m×152 m,為了消除邊界效應(yīng),模型四周留設(shè)40 m邊界煤柱,模型共有單元數(shù)862 848個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)897 347個(gè)。為提高模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,將煤層網(wǎng)格尺寸設(shè)為1 m,其余網(wǎng)格疏密程度依距煤層距離而定。模型四周及地面設(shè)為固定邊界,己16-17-31020工作面埋深為較大,模型未能建立至地表,需在上邊界施加21.6 MPa的上覆巖層應(yīng)力,根據(jù)該礦地應(yīng)力測(cè)定數(shù)據(jù),最大主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.12倍,故側(cè)壓系數(shù)為1.12。實(shí)際生產(chǎn)中影響開采條件的因素較多,為了便于建立合理的數(shù)值模型,選取與現(xiàn)場(chǎng)條件相符合的參數(shù),因此分別對(duì)己16-17煤層和己15煤層的頂?shù)装迕簶?、巖樣進(jìn)行了巖石力學(xué)特性參數(shù)測(cè)試,并根據(jù)其結(jié)果對(duì)模型的煤(巖)體進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)賦值,模型的巖性參數(shù)見表2。
表2 模型圍巖物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of model surrounding rock
根據(jù)工作面實(shí)際回采情況,分別對(duì)己15-31040工作面、己15-31020工作面以及己15-23160工作面進(jìn)行分步開挖,研究上覆工作面開采對(duì)底板巖層應(yīng)力分布的影響,同時(shí)明確己15煤層相鄰工作面開采后,支承應(yīng)力疊加以及煤柱應(yīng)力在底板巖層中的分布規(guī)律,為下位煤層工作面布置提供依據(jù)。
(1)己15-31040工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律如圖4所示。
圖4 己15-31040工作面應(yīng)力傾向分布特征Fig.4 Distribution characteristics of stress tendency in Ⅵ15-31040 working face
由圖4可知,己15-31040工作面回采過后,煤層底板側(cè)向支承應(yīng)力沿煤壁側(cè)影響范圍約為60 m,底板垂直應(yīng)力峰值位置距采空區(qū)邊緣5 m,應(yīng)力集中系數(shù)為2.65;采空區(qū)底板應(yīng)力分布從左至右呈現(xiàn)“兩端較大,中部平緩”的“W”形分布特征,此時(shí),距工作面右側(cè)采空區(qū)邊緣65 m范圍外底部巖層處于原巖應(yīng)力區(qū),應(yīng)力大小接近原巖應(yīng)力;沿區(qū)段煤柱軸向,受下區(qū)段工作面采動(dòng)影響,其中部垂直應(yīng)力較大,應(yīng)力峰值達(dá)到58.72 MPa,沿采空區(qū)中部軸向,在頂板垮落壓實(shí)作用下,采空區(qū)底板產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大應(yīng)力達(dá)到32.26 MPa。
(2)己15-31020工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律。己15-31020工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示。由圖5可得,己15-31020工作面回采過程中,其超前支承應(yīng)力影響范圍為30 m,超前應(yīng)力峰值為46.17 MPa,由本工作面超前支承應(yīng)力與040采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加形成的應(yīng)力集中區(qū)域位于工作面煤柱端前方,其應(yīng)力峰值可達(dá)到57.36 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.4;受本工作面采動(dòng)影響,區(qū)段煤柱內(nèi)部應(yīng)力升高,且沿煤柱軸向應(yīng)力峰值范圍隨推進(jìn)長(zhǎng)度的增大而增大,應(yīng)力峰值為39.96 MPa左右。
圖5 己15-31020工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律Fig.5 Stress distribution of 100m dip section in Ⅵ15-31020 working face
(3)己15-23160工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律。不同工作面回采過程中傾向剖面垂直應(yīng)力演化特征如圖6所示。
圖6 不同工作面回采過程中傾向剖面垂直應(yīng)力演化特征Fig.6 Vertical stress evolution characteristics of dip section in mining process of different working faces
由圖6可知,己15-23160工作面回采后,工作面底板應(yīng)力呈現(xiàn)“中間大、兩邊小”的分布形態(tài),相鄰的己15-31020靠近煤柱一側(cè)的部分采空區(qū)進(jìn)一步壓實(shí),底板應(yīng)力升高,區(qū)段煤柱在應(yīng)力集中作用下?lián)p傷破壞,其應(yīng)力峰值降低,由43.23 MPa減小至32.06 MPa,峰值應(yīng)力集中系數(shù)為1.35;此時(shí),距煤柱邊緣40 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力接近原巖應(yīng)力。綜合考慮回采巷寬度等因素,己16-17-31020運(yùn)輸巷與己16-17煤層遺留煤柱間距離應(yīng)不大于30 m。
根據(jù)近距離煤層開采下位煤層工作面與上位煤層遺留保護(hù)煤柱的相對(duì)位置關(guān)系,將下位煤層工作面布置方式分為內(nèi)錯(cuò)式布置、外錯(cuò)式布置和重疊式布置。根據(jù)三水平己一采區(qū)實(shí)際生產(chǎn)情況,己15煤層留設(shè)7 m的區(qū)段煤柱,為保證礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力,確定己16-17-31020工作面采用外錯(cuò)式布置方式。為降低上覆遺留煤柱集中應(yīng)力對(duì)己16-17-31020工作面回采巷道的影響,需采用理論分析,并結(jié)合上一節(jié)數(shù)值模擬對(duì)錯(cuò)距進(jìn)行合理確定。
上位煤層開采后,上煤層底板在煤柱應(yīng)力作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,受上方煤層采動(dòng)影響,采空區(qū)下方煤層處于處于卸壓狀態(tài),采空區(qū)影響范圍內(nèi)的煤層處于應(yīng)力降低區(qū)。為保證巷道圍巖穩(wěn)定,己16-17-31020工作面回采巷道應(yīng)遠(yuǎn)離己15煤層遺留煤柱底板應(yīng)力影響區(qū)域,己16-17與己15煤層回采巷道的最小水平錯(cuò)距可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,為降低上覆煤層殘留煤柱對(duì)本工作面回采的影響,己16-17-31020工作面運(yùn)輸巷采用外錯(cuò)布置時(shí),應(yīng)布置在水平距己15煤層殘留煤柱24.88 m范圍外。①前述內(nèi)容分析得出己15-31020工作面遺留煤柱內(nèi)側(cè)30 m范圍外上覆巖層垮落壓實(shí),對(duì)應(yīng)底板出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;②結(jié)合理論分析可得己15-31020工作面遺留煤柱底板被動(dòng)應(yīng)力區(qū)邊界長(zhǎng)度為10.6 m;③同時(shí)還應(yīng)綜合考慮巷道高應(yīng)力、圍巖破碎的地質(zhì)特征。結(jié)合前述研究結(jié)果,通過理論計(jì)算得出遺留煤柱底板最大破壞深度距煤柱邊緣的水平距離為20 m,并采用數(shù)值計(jì)算對(duì)支承壓力在底板中的時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行分析,認(rèn)為己16-17-31020工作面運(yùn)輸巷布置的合理位置距煤柱邊緣應(yīng)不超過30 m,同時(shí)還應(yīng)盡量避開地質(zhì)構(gòu)造的影響。
根據(jù)數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果,結(jié)合工程類比法,參考鄰近煤礦同類巷道布置經(jīng)驗(yàn)及本巷道地質(zhì)條件,最終決定己16-17-31020運(yùn)輸巷布置方式為外錯(cuò)式;己16-17-31020運(yùn)輸巷布置于己15-31040采空區(qū)下方,巷道距上覆遺留煤柱邊緣水平距離為25 m。
對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理,得到外錯(cuò)25 m時(shí),己16-17-31020工作面運(yùn)輸巷圍巖垂直應(yīng)力以及水平應(yīng)力分布特征,如圖7所示。
圖7 巷道應(yīng)力分布特征Fig.7 Stress distribution characteristics of roadway
對(duì)巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力和兩幫水平應(yīng)力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到下位煤層巷道圍巖不同位置處應(yīng)力的分布特征。繪制應(yīng)力分布曲線,如圖8所示。隨著距巷道頂?shù)装寰嚯x的增大,頂板測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力不斷增大,且增加速度較快,底板垂直應(yīng)力隨深度的增大增加速度緩慢。在巷道表面,頂板垂直應(yīng)力為11.67 MPa,底板垂直應(yīng)力為10.98 MPa;在巷道圍巖周圍8 m范圍內(nèi),頂板垂直應(yīng)力變化幅度較大,增加了15.68 MPa。外錯(cuò)25 m時(shí),巷道兩幫水平應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致,整體變化幅度較小。受己15煤層殘留煤柱影響,巷道右?guī)退綉?yīng)力整體大于左幫水平應(yīng)力。在巷道表面時(shí),左幫水平應(yīng)力為14.13 MPa,右?guī)退綉?yīng)力為20.68 MPa;在8 m圍巖范圍內(nèi),右?guī)退綉?yīng)力隨深度的增加而增大,在8 m深處應(yīng)力值為26.31 MPa。
圖8 巷道應(yīng)力分布曲線Fig.8 Stress distribution characteristics of roadway
外錯(cuò)25 m時(shí),己16-17-31020工作面運(yùn)輸巷垂直位移及水平位移分布如圖9所示。
圖9 巷道位移分布特征Fig.9 Distribution characteristics of roadway displacement
將巷道圍巖變形數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理后得到下位煤層巷道圍巖變形與巷道圍巖深度之間的變化曲線,如圖10所示。
圖10 圍巖變形量分布曲線Fig.10 Distribution characteristics of surrounding rock deformation
受己15-31040工作面采動(dòng)影響,巷道頂板及右?guī)妥冃屋^大,底板及左幫變化相對(duì)較小。外錯(cuò)25 m時(shí),隨測(cè)點(diǎn)深度的增大,頂板下沉量和底鼓量變化幅度較大,頂板下沉量由170 mm變?yōu)?7 mm,底鼓量由102 mm變?yōu)?8 mm;左幫和右?guī)鸵平繉?duì)深度變化幅度較小,整體趨于平穩(wěn),右?guī)鸵平繛?39~166 mm,左幫移近量為108~123 mm;隨著外錯(cuò)距離的增大兩幫移近量變化幅度逐漸減小。
綜上所述,外錯(cuò)距離為25 m左右時(shí),受上部煤層采空區(qū)及遺留煤柱影響較小,之后在增大外錯(cuò)距離一方面會(huì)導(dǎo)致工作面過長(zhǎng),另一方面對(duì)改善工作面礦壓效果有限,因此最終決定工作面采用外錯(cuò)25 m布置。
(1)采用理論計(jì)算的方法對(duì)上位煤層采場(chǎng)支承壓力、底板采動(dòng)損傷程度、下位煤層巷道位置布置進(jìn)行了分析,計(jì)算得到己15煤層回采后底板被動(dòng)應(yīng)力區(qū)域邊界長(zhǎng)度為10.6 m,揭示了己15-31040工作面、己15-31020工作面、己15-23160工作面依次開采時(shí)煤柱下方底板應(yīng)力峰值由63.38 MPa減小至54.63 MPa、然后無明顯變化的特征。
(2)結(jié)合底板被動(dòng)應(yīng)力區(qū)域邊界長(zhǎng)度、煤層與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)、煤柱壓力影響角、煤炭資源采出率、安全掘進(jìn)等因素,取計(jì)算結(jié)果的最大值,即巷道采用外錯(cuò)上位煤柱25 m的布置方式,研究了該布置方式下巷道圍巖的應(yīng)力、位移分布特征,揭示了該布置方式下巷道處于低應(yīng)力環(huán)境的特性,且可為巷道圍巖控制提供一定的參考依據(jù)。