近距離下煤層上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律與上行開采研究

張志勇，劉媛媛，李延鋒

(新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 新泰 271219)

煤炭作為重要的能源礦產(chǎn)資源之一，在世界一次能源消費量中占25%，在我國國民經(jīng)濟(jì)中也占有舉足輕重的地位。隨著社會現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，科技發(fā)展日新月異，社會進(jìn)步突飛猛進(jìn)，國計民生所消耗的煤炭資源越來越多，而煤炭是不可再生資源，要求我們除了尋求新的替代能源外還必須節(jié)約資源，提高煤炭資源回收率。事實上，礦井建井初期探勘技術(shù)相對落后、近距離下煤層煤質(zhì)較好率先被采等原因，導(dǎo)致很多采空區(qū)上方存在大量被遺棄的可采煤層。隨著煤炭開采機(jī)械化程度的加大，優(yōu)質(zhì)資源開采殆盡，礦井剩余資源逐漸枯竭，如何安全、高效地回收上部遺留的煤炭資源，成為眾多煤炭企業(yè)所面臨的技術(shù)難題。上行開采技術(shù)為擱置的煤炭資源安全高效回收提供了技術(shù)途徑，但存在近距離下煤層開采后形成的裂隙帶或彎曲帶破壞上煤開采，同時受下煤采動造成的集中應(yīng)力影響，導(dǎo)致上煤巷道圍巖整體性變差，甚至出現(xiàn)臺階式破壞，導(dǎo)致近距離上煤無法安全高效回采。因此研究近距離煤層群上行開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律、巖層結(jié)構(gòu)平衡條件、開采可行性判別以及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等問題對近距離煤層上行開采至關(guān)重要，對于安全高效生產(chǎn)、減少資源浪費、延長礦井壽命和保障社會穩(wěn)定等也都具有重大意義。

為有效解決近距離煤層開采帶來的一系列技術(shù)問題，國內(nèi)外采礦專家長期以來從不同技術(shù)層面展開研究。王春源等[1]采用概率積分法預(yù)測了8901工作面煤層變形破壞情況，分析采區(qū)殘留小煤柱采空區(qū)上行開采可行性；孫闖等[2]采用理論分析、試驗室實驗等方法研究了大采高綜采采空區(qū)條件下上行開采關(guān)鍵問題；姜耀東等[3]通過建立力學(xué)模型，研究了大面積巷式采空區(qū)覆巖破壞機(jī)理及上行開采可行性，揭示了大面積巷式采空區(qū)上覆巖層破壞失穩(wěn)機(jī)理及巷式開采下頂板巖層應(yīng)力分布規(guī)律。以上學(xué)者研究取得了一定的成果，對近距離煤層上行開采有一定的指導(dǎo)意義[4-17]，但對近距離煤層群上行開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律的研究還需進(jìn)一步突破。

本研究以某礦近距離下伏9煤開采對上覆5煤的影響為研究背景，分析了近距離煤層下煤開采后頂板巖層裂隙發(fā)育規(guī)律及應(yīng)力分布規(guī)律，論證了近距離煤層上行開采的可行性，為近距離煤層安全高效開采提供技術(shù)參考。

1 地質(zhì)概況

該礦9煤某工作面位于-400水平，平均煤層厚度3 m，傾角4°，直接頂為砂質(zhì)泥巖，頂板穩(wěn)定性較好，裂隙發(fā)育程度低；直接底為砂質(zhì)泥巖，硬度較軟，遇水膨脹軟化程度小。9煤上覆可采煤層為5煤，兩者層間距平均60 m。本研究借助9煤某工作面開采為工程背景，研究9煤開采后上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律及對5煤開采的影響，論證了近距離煤層上行開采的可行性。

2 理論分析

2.1 三帶判別法

9煤開采之后，上覆巖層也隨之發(fā)生垮落、斷裂和彎曲下沉，上下煤層的層間距大于下煤層的裂隙帶高度時，5煤層只發(fā)生整體移動，整體性不受破壞，可正常進(jìn)行上行開采。根據(jù)9煤綜合柱狀圖知，該煤層頂板巖性主要為砂巖、泥巖、灰?guī)r，為中硬巖層，垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式：

式中，Hm為垮落帶高度，m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M為下煤層采高，m。

將9煤層采高3 m代入式中得：Hm=6.86～11.26 m；Hli=30.11～41.31 m。

由上述計算知9煤開采后導(dǎo)水裂隙帶平均36 m，小于5煤與9煤層間距60 m，位于9煤彎曲下沉帶內(nèi)，上行開采具有可行性。

2.2 比值分析法

比值法是將采厚和層間距作為判定上行開釆是否可行關(guān)鍵因素即借助式(3)分析上行開采的可行性：

K=H/M

(3)

式中，H為兩煤層之間的距離，m；M為下煤層的采高，m。

中硬巖層采動影響系數(shù)K達(dá)到7.5以上即可論證近距離煤層上行開采是可行的。

根據(jù)該礦地質(zhì)資料9煤層平均采高3.0 m。5煤與9煤層平均60 m。將9煤厚度及與5煤的層間距代入式(3)中計算得到K為19.99，大于中硬巖層K值7.5。因此9煤開采后5煤開采是可行的。

2.3 圍巖平衡法

在下煤層開采過程中，上覆巖層不發(fā)生臺階式錯動的平衡巖層結(jié)構(gòu)稱為平衡巖層，從下部煤層的頂板至平衡巖層最上端的高度稱為平衡圍巖高度，當(dāng)上覆巖層巖性為堅硬或中硬時，則平衡巖層應(yīng)在上部煤層之下即論證近距離煤層上行開采是可行的。借助于式(4)分析計算9煤開采后5煤安全開采的必要層間距H：

式中，M為下煤層采高，m；K1為巖石碎脹系數(shù)，取1.15～1.20；h為平衡巖層本身厚度，m。

將9煤采高3.0 m及碎漲系數(shù)1.2帶入式(4)得圍巖平衡法滿足必要的層間距為H=45.71 m，該值小于5煤與9煤的層間距。因此，煤層上行開采具有可行性。通過上述三種理論分析，論證了9煤開采后5煤開采是可行的。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

數(shù)值模型的建立主要研究近距離煤層下伏9煤工作面開采后上覆巖層塑性變形區(qū)分布的基本特征，進(jìn)而反映上覆5煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)的基本規(guī)律。

由該礦地質(zhì)條件知9煤厚度為3.0 m，煤層埋深390.8 m，模擬試驗共模擬巖層20層。模型方案如下：方案一模擬采煤工作面開采過程，模型的幾何尺寸設(shè)計為1200 m×340 m×103 m，方案二模擬采煤工作面區(qū)段煤柱，模型的幾何尺寸為1200 m×600 m×103 m。將5煤上覆303 m厚的巖層重量產(chǎn)生的應(yīng)力7.6 MPa施加在模型上部邊界上。根據(jù)工作面現(xiàn)場取芯試驗，選取巖層力學(xué)參數(shù)見表1，所建模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格模型Fig.1 Numerical model grid model

表1 巖層巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters of rock layers

根據(jù)建立的數(shù)值模型，研究近距離下伏9煤開挖后上覆巖層變形破壞的特征以及對塑性變形區(qū)的分布狀態(tài)，分析上覆5煤開采的可行性。

3.2 圍巖塑性區(qū)分析

隨著采煤工作面的推進(jìn)，圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，工作面上覆巖層產(chǎn)生破壞運動，并對工作面以及工作面兩側(cè)巷道的礦壓顯現(xiàn)程度產(chǎn)生直接的影響。9煤工作面推進(jìn)1000 m后覆巖整體發(fā)生下沉、產(chǎn)生塑性區(qū)以及垂直位移距離。數(shù)值模擬塑性區(qū)及垂直位移分布如圖2、圖3所示。

圖2 塑性區(qū)分布Fig.2 Distribution of plastic zone

圖3 煤層開采覆巖垂直位移(m)Fig.3 Vertical displacement of overlying strata during coal seam mining

分析圖2、圖3可知，9煤開采后上覆5煤位于9煤層開采后形成的塑性區(qū)域內(nèi)，5煤層周邊產(chǎn)生塑性破壞，表現(xiàn)為為煤(巖)層整體下沉，上覆5煤采取措施后可正常開采。由圖2知5煤底板有數(shù)層較厚石灰?guī)r，在垮落過程中堅硬灰?guī)r會起到關(guān)鍵層的作用，控制5煤的沉降，減緩了下部垮落向上部巖層發(fā)育，保護(hù)了上部煤層的完整性，使得近距離煤層上行開采安全可行。

煤層開采覆巖應(yīng)力分布如圖4所示。分析圖4可知，9煤層開采后上覆巖層在初次運動后隨著采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，采煤工作面基本頂發(fā)生離層并產(chǎn)生斷裂運動，壓力釋放破壞冒落至采空區(qū)，并逐步向上發(fā)展，下部煤層開采后降低了上部煤層的圍巖強(qiáng)度使得工作面上覆巖層均處于一種卸壓狀態(tài)，9煤開采后5煤的應(yīng)力得到了一定釋放，應(yīng)力處在相對穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)一步論證了近距離煤層開采上行開采的可行性。

圖4 煤層開采覆巖應(yīng)力分布(Pa)Fig.4 Stress distribution of overlying strata during coal seam mining

3.3 區(qū)段煤柱留設(shè)覆巖規(guī)律分析

近距離煤層群下伏煤層相鄰兩工作面間留設(shè)保護(hù)煤柱時，位于煤柱上方的煤(巖)層下沉不均勻，巖層面向移動盆地中心傾斜，下沉曲線呈凸形，產(chǎn)生拉伸變形。當(dāng)拉伸變形值超過巖層的強(qiáng)度極限時，巖層即產(chǎn)生裂縫，垂直位移應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 區(qū)段煤柱垂直位移分布(m)Fig.5 Vertical displacement cloud map of district coal pillar

分析圖5得工作面回采結(jié)束后頂板下沉并一直向上發(fā)育，但由于工作面保護(hù)煤柱的留設(shè)使得煤柱上方與采空區(qū)上方巖層下沉不均勻，煤柱處下沉影響區(qū)域約在煤柱左右兩側(cè)各20 m。

區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力分布如圖6所示。分析圖6可知9煤開采過后，上覆5煤層處于應(yīng)力降低區(qū)域，且位于“三帶”的緩慢下沉帶。當(dāng)留設(shè)工作面保護(hù)煤柱時，煤柱處會有較大的應(yīng)力集中，集中區(qū)域高度可達(dá)到15～20 m。因此，留設(shè)保護(hù)煤柱進(jìn)行上行開采，不會存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，對上部煤層不會造成影響損害。

圖6 區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力分布(Pa)Fig.6 Vertical stress cloud map of coal pillar in section

通過數(shù)值模擬技術(shù)分析近距離煤層9煤工作面開采后的礦山壓力顯現(xiàn)特征、覆巖運動和發(fā)展規(guī)律等問題，得出近距離上覆5煤層位于9煤層開采后形成的塑性區(qū)域內(nèi)，上部煤層有塑性破壞，主要表現(xiàn)為煤(巖)層整體下沉現(xiàn)象。在留設(shè)保護(hù)煤柱區(qū)域不會存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱應(yīng)力集中高度可達(dá)15～20 m，小于層間距60 m，對上覆5煤層的開采不會造成損害，因此，近距離煤層下伏煤層開采留設(shè)一定尺寸的煤柱會對上覆煤層起到保護(hù)作用，進(jìn)一步論證了近距離煤層上行開采的可行性。

4 物理模擬實驗

4.1 物理模擬相似條件

根據(jù)該礦9煤工作面走形長度和煤層的埋深，設(shè)計模型巖層數(shù)與數(shù)值模擬相同，共模擬巖層20層。煤層的開采過程用全部垮落法管理頂板，一次采煤高度為3 m，模型比例1∶100，模型整體高度為107 cm。9煤工作面開采由模型左邊向右邊推進(jìn)，模型兩邊界隔留設(shè)25 cm煤柱以減少模型本身的邊界效應(yīng)，實驗中模擬工作面推進(jìn)速度每次推進(jìn)10 cm，間隔35～45 min，相似材料配比見表2。

表2 材料配比Table 2 Material proportions

4.2 模型開挖及實驗數(shù)據(jù)分析

9煤工作面自切眼開始推進(jìn)至20 cm時，煤層上覆巖層之間開始發(fā)生離層，第三次開挖過程中直接頂兩端開始出現(xiàn)裂紋，隨著離層的擴(kuò)展，直接頂迅速下沉并發(fā)生垮落，垮落高度為3 cm。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，直接頂成為懸臂梁狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到垮落跨度時自行垮落，其周期垮落步距為7 cm左右，如圖7所示。

圖7 直接頂周期垮落Fig.7 Immediate roof cycle collapse

當(dāng)推進(jìn)至90 cm處，距離9煤頂板24 cm處有一層較厚且硬的石灰?guī)r，厚度約6 cm。隨工作面推進(jìn)，煤層上部巖層產(chǎn)生近2 cm的離層并貫穿整個工作面。該離層阻斷了下部巖層的垮落和裂隙發(fā)育向上部巖層的傳遞。但隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，懸露面積逐漸變大，石灰?guī)r上部開始產(chǎn)生小離層。

9煤工作面開采過程中直接頂呈現(xiàn)周期性垮落，上覆巖層出現(xiàn)離層、裂縫、彎曲下沉等現(xiàn)象且從低層向高層逐漸發(fā)展，先垮落堆積的低位巖層以及發(fā)育的微裂隙被逐漸壓實?；卷斠搽S著9煤工作面推進(jìn)而彎曲、下沉，基本頂中部巖層下沉與直接頂接觸后將垮落的直接頂壓實，工作面左端巖層雖已斷裂但與邊界有力的作用，右端產(chǎn)生裂縫未斷裂。開采結(jié)束最終現(xiàn)象如圖8所示。

圖8 煤層開挖全過程Fig.8 The entire process of coal seam excavation

當(dāng)近距離下伏9煤開采完畢后，隨著開采時間的延長，煤層上覆巖層離層及裂隙逐漸壓實閉合，由于5煤底板巖層存在堅硬石灰?guī)r，該煤層整體較為完整，煤層位于下伏9煤開采形成的彎曲下沉帶中，通過現(xiàn)場監(jiān)測，5煤最大下沉值10 mm，對工作面的安全回采沒有影響，近距離9煤開采后5煤最終形態(tài)如圖9所示。

圖9 5煤最終下沉狀態(tài)Fig.9 Final sinking state of No.5 coal seam

隨著工作面不斷推進(jìn)，9煤層上方的巖層的懸露跨度不斷增大，并逐漸產(chǎn)生巖層斷裂。根據(jù)實驗需要在9煤上部20 cm處設(shè)置位移監(jiān)測線，監(jiān)測點數(shù)據(jù)如圖10所示。該測線內(nèi)巖層隨著工作面推進(jìn)，“隨采隨落”，巖層垮落高度符合9煤采后形成的“垮落帶”高度，多在15 mm，最大下沉量為23 mm。由圖10可知，9煤層上覆石灰?guī)r的作用阻斷了巖層破壞運動的發(fā)展，使得5煤處于彎曲下沉帶中，保證了該煤層的完整性。因此，近距離下伏9煤開采后上覆5煤開采安全可行。

圖10 9煤上20 cm監(jiān)測線Fig.10 Monitoring line 20 cm above No.9 coal seam

5 結(jié) 論

1)通過上行開采理論分析，其中：三帶判別法知近距離煤層9煤開采后上覆巖層垮落帶高度平均9 m，導(dǎo)水裂隙帶高度36 m；比值分析法得K為19.99，大于中硬巖層K值7.5；圍巖平衡法得上覆5煤安全開采的必要層間距為45 m，5煤與9煤層間距為60 m遠(yuǎn)在必要層間距45 m之上；因此，通過理論分析得出近距離煤層下伏9煤開采后上覆5煤層開采是可行的。

2)數(shù)值模擬表明，近距離煤層下伏9煤層工作面開采后上覆5煤層位于下煤層開采后形成的塑性區(qū)域內(nèi)。在留設(shè)保護(hù)煤柱區(qū)域不會存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱處應(yīng)力集中高度可達(dá)15～20 m小于5煤與9煤的層間距60 m，對上覆5煤層的開采不會造成損害，因此，近距離下伏煤層開采留設(shè)一定尺寸的煤柱會對上覆煤層起到保護(hù)作用，同時論證了近距離煤層上行開采的可行性。

3)物理模擬實驗表明，近距離下伏9煤層工作面開采后，5煤位于彎曲下沉帶中，整體完整、連續(xù)，沒有受到較大破壞，因此近距離下伏9煤開采后5煤開采是可行的，論證了近距離煤層上行開采的可行性。通過對模型下沉進(jìn)行觀測得到，5煤最大下沉值為10 mm，垮落帶高度基本在15 cm左右，符合礦山壓力及覆巖運動發(fā)展規(guī)律。