秦忠誠，劉明清，周尚濤，于 鑫

(山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室，山東 青島 266590)

采選技術(shù)

郭屯煤礦近距離煤層上行開采可行性研究

秦忠誠，劉明清，周尚濤，于 鑫

(山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建教育部重點實驗室，山東 青島 266590)

為了研究郭屯煤礦首采區(qū)3下煤層已采區(qū)域上部3上煤層在不同層間距下的上行開采問題，基于煤層賦存條件和開采現(xiàn)狀，通過理論公式得出垮落帶和裂隙帶高度，進而模擬并分析了不同層間距下3下煤層開采后3上煤層的變形和破壞特征。結(jié)果表明：層間距大于15m時，下部采動對3上煤層影響較?。粚娱g距為10～15m時，3上煤層大部分受破壞，只有局部可采；層間距小于10m時，3上煤層整體性遭到嚴重破壞并發(fā)生臺階錯動，無法進行上行開采。通過“兩帶”高度觀測，得出垮采比和裂采比分別為5.65和16.52，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果相近，進一步驗證了3上煤層上行開采可行性。

上行開采；層間距；兩帶

隨著采空區(qū)上方遺棄煤層的增加以及相應地質(zhì)和開采條件影響，上行開采將被運用于越來越多的煤礦當中，上行開采為回采這些煤礦的煤層提供了途徑[1]。為了安全、合理、有效地回采上部遺留的煤炭資源，從下部煤層開采對上覆巖層的影響研究上行開采可行性[2-3]是非常必要的。本文基于郭屯煤礦首采區(qū)煤層賦存條件和開采現(xiàn)狀，旨在分析不同層間距下3下煤層開采之后不同斷面位置3上煤層變形破壞規(guī)律；運用 FLAC3D軟件對該礦首采區(qū)3上和3下煤層在不同層間距下開采3下煤層后3上煤層的變形破壞情況進行數(shù)值模擬。綜合理論分析和模擬分析所得結(jié)論可為郭屯煤礦首采區(qū)3下煤層已采區(qū)域上覆3上煤層上行開采提供合理依據(jù)。

1 工程概況

郭屯煤礦3煤層位于井田中部，部分區(qū)域分叉成上、下兩層(3上、3下)，3上煤層可采范圍內(nèi)煤層厚度0.71～3.85m，平均1.59m，距3下煤層0.78～27.29m，平均 13.27m，平均傾角大于10°；煤層頂板以中、細砂巖為主，厚2.77～19.02m；煤層底板以粉砂巖為主，厚0.78～10.90m。3下煤層厚度0.73～5.31m，平均3.47m，平均傾角12°，煤層頂板以中、細砂巖為主，厚1.44～17.79m，煤層底板主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚0.72～6.19m。由于生產(chǎn)接續(xù)緊張，需要先采厚度較大的3下煤層以保證礦井生產(chǎn)能力，因而遺留了厚度較薄的3上煤層。為了合理采掘接續(xù)和保證礦井均衡生產(chǎn)、提高資源回收率，需要對郭屯煤礦首采區(qū)3下煤層已采區(qū)域上覆3上煤層實行上行開采。

2 覆巖破壞高度分析

上行開采破壞了采場上覆煤巖層的原始應力平衡狀態(tài)，必然引起上覆煤巖層的橫向及縱向變形與破壞[4]。由采場上覆巖層破壞及移動規(guī)律可知，采場上覆巖體在垂直方向上可分為冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶[5]。郭屯煤礦首采區(qū)3上與3下煤層間主要為中、細砂巖和粉砂巖，普氏系數(shù)范圍5.5

(1)

(2)

式中：∑M為平均采高，m。

由式(1)可知，3下煤層開采后，垮落帶平均高度為15m。當層間距小于15m時，3上煤層處于垮落帶內(nèi)，其煤層整體遭到嚴重破壞，無法進行上行開采；當層間距為15～27.29m時，3上煤層處于裂隙帶內(nèi)，其煤層整體性只受到中等程度破壞，采取相應安全措施可正常進行上行開采。但上行開采影響因素眾多并且相互之間關(guān)系復雜，上述判別法與實際還存在差距，因此3上煤層上行開采的可行性還有待進一步研究。

3 上部煤層移動變形力學分析

以郭屯煤礦首采區(qū)3上煤層和3下煤層賦存條件為背景，依據(jù)采場上覆巖層運動規(guī)律[6]，下部煤層開采后，上部煤層在中部位置均勻下沉，在兩側(cè)煤柱位置產(chǎn)生應力集中且應變最大。3下煤層開采后，產(chǎn)生卸壓效應，3上煤層的運動變形情況如圖1所示。

圖1中，ψ為采動影響角，γ為充分采動角，其值依據(jù)郭屯煤礦首采區(qū)巖層性質(zhì)及覆巖性質(zhì)相關(guān)參數(shù)分別取55°和60°。3上煤層和3下煤層層間距為0.78～27.29m，由此得出ac為0.25～8.64 m，3上煤層ac段及其頂?shù)装迨芟虏?下煤層采動影響，可以把受影響區(qū)域a端附近長度為L的一段3上煤層區(qū)域假設(shè)為懸臂梁進行力學分析。3下煤層開采時，對3上煤層下沉進行分析，受影響的3上煤層部分簡化為一懸臂梁，如圖2所示。

圖1 采動影響范圍示意圖

圖2 力學模型

橫向分布載荷q(x) 跟軸向力 N同時作用于懸臂梁，依據(jù)Winkler彈性假設(shè)得式(3)。

(3)

式中：k為應力集中系數(shù)。

再參照Timoshenko的解[7]，可得梁的彎曲變形微分方程(式(4))。

(4)

式中：EI為抗彎剛度。

(5)

綜合式(3)～(5)可得式(6)。

(6)

通過邊界條件來求解式(4) ，得式(7)。

(7)

積分常數(shù)確定之后，得式(8)。

(8)

故

(9)

M=EIy″

(10)

(11)

則在端部x=0處懸臂梁所產(chǎn)生的相對下沉量見式(12)。

(12)

對于平面應變條件，彈性模量可取E/(1-μ)，

μ為泊松比。

可見，3上煤層下沉量的大小與其受影響范圍長度、所受上覆巖層的載荷及煤層間距等因素有很大關(guān)系。3下煤層開采后，產(chǎn)生卸壓效應，3上煤層受下部采動影響發(fā)生下沉，其下沉量隨層間距的減小而增大[8]。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型的建立

由式(1)和式(2)得出郭屯煤礦首采區(qū)3下煤層開采后，垮落帶高度約為12.49～17.49m，裂隙帶高度約為47.55～65.35m；由于首采區(qū)煤層層間距是變化的，再結(jié)合以上理論計算高度，故分別取層間距為20m、15m、10m、5m四種情況建立FLAC3D三維模型，模型尺寸為200m×100m×68m(模型高度隨層間距的變化而變化，最低取68m)，在模型上部施加垂直方向 21.25 MPa 的荷載(工作面埋深850m) 表示上部巖體自重，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型[9]，各巖層物理力學參數(shù)如表1所示。為了減小模型邊界效應，兩端各留40m，即工作面長度為120m，模型走向長度為100m，沿走向方向模擬開挖60m，在3上煤層內(nèi)沿走向和傾向分別布置監(jiān)測線，分析不同層間距下，3下煤層開采后不同斷面3上煤層變形和破壞情況。

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 下部煤層開采應力分布和卸壓效應分析

工作面煤壁后方及煤壁位置不同斷面處3上煤層最大主應力變化曲線如圖3所示。

表1 各巖層物理力學參數(shù)

由圖3可知，在煤壁后方的3個斷面處3上煤層最大主應力變化趨勢基本相同。3下煤層采出開采后采空區(qū)出現(xiàn)卸壓效應，兩側(cè)煤柱位置出現(xiàn)應力集中。當煤層間距為5m時，應力集中現(xiàn)象明顯且急促。煤壁后方即采空區(qū)為減壓區(qū)，最大主應力的最大值隨層間距的減小而減小；煤壁位置上方為增壓區(qū)，最大主應力的最大值在層間距5m時取得，在煤壁后方，最大主應力在工作面中部出現(xiàn)最小值，并向兩側(cè)逐漸增大；在煤壁位置，最大主應力在工作面中部出現(xiàn)最大值，并向兩側(cè)逐漸減小。最大主應力值在間距為20～15m和15～10m范圍內(nèi)的變化值相差較大，說明層間距為10～15m時，下部采動對3上煤層產(chǎn)生較大影響，3上煤層大部分受到破壞，只有局部煤層還具有一定的整體性；當層間距范圍為10～5m時，其變化值明顯增大，說明3下煤層開采后，3上煤層整體性已受嚴重影響。

不同層間距工作面中部應力及應力集中系數(shù)數(shù)值如表2所示。由表2可知，隨著層間距的減小，最大應力及應力集中系數(shù)逐漸增大；層間距為20～15m最大應力及應力集中系數(shù)變化值最?。划攲娱g距為10～15m時，最大應力及應力集中系數(shù)變化值有一定增大；當層間距為10～5m時，最大應力及應力集中系數(shù)變化幅度大。

不同層間距下沿走向工作面中部3上煤層垂直應力變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，在煤壁后方，隨著距煤壁的距離增大，各個層間距下的應力逐漸趨于平緩。在煤壁前方約10m處出現(xiàn)應力峰值，峰值影響范圍約為20m，繼而應力逐漸趨于緩和；各個層間距值5m、10m、15m、20m所對應的峰值數(shù)值分別為66.92MPa、46.66MPa、36.94MPa、31.45MPa，可見，層間距為20～15m和15～10m的應力峰值差值相差較小，而相對于層間距10～5m，應力峰值的差值明顯增大，應力峰值在層間距為5m時驟增，其對3上煤層的影響也相應增大，并在煤壁上方產(chǎn)生裂隙進而斷裂。

圖3 工作面煤壁后方及煤壁位置不同斷面處3上煤層最大主應力變化曲線

煤層間距/m最大應力/MPa原巖應力/MPa應力集中系數(shù)546．9221．902．141037．3322．031．691531．0422．161．402027．3922．301．23

圖4 工作面中部沿走向3上煤層垂直應力變化曲線

圖5是與圖4相對照的3下煤層開采垂直應力分布圖。煤壁附近應力峰值范圍為增壓區(qū)，應力峰值分布范圍延伸至煤體內(nèi)且影響逐漸減小，逐漸形成彈性區(qū)，采空區(qū)由冒落矸石充填成減壓區(qū)[10]。

圖5 3下煤層開采垂直應力分布圖

4.2.2 下部煤層開采對上覆煤層影響分析

工作面煤壁后方及煤壁位置不同斷面處3上煤層垂直位移變化曲線如圖6所示。由圖6可知，煤壁后方不同斷面處3上煤層垂直位移變化趨勢大致相同。下沉量最大值出現(xiàn)在工作面中部，由中部向兩側(cè)逐漸減少；不同層間距下沉量不同，層間距為5m的下沉量最大，其下沉曲線曲率大，此時3上煤層整體性和連續(xù)性已受到破壞并發(fā)生了臺階錯動；10m、15m、20m層間距下沉量相差不大，其下沉曲線曲率較5m層間距小，只在部分區(qū)域出現(xiàn)裂隙，3上煤層整體性和連續(xù)性未受到較大影響。在煤壁位置，不同層間距3上煤層下沉量相差不大，下沉值在工作面中部出現(xiàn)最大值并向兩側(cè)遞減。

不同層間距下沿走向工作面中部3上煤層垂直位移變化曲線如圖7所示。由圖7可知，在煤壁前方，各層間距下的位移變化趨勢基本相同；隨著工作面的推進，垂直位移逐漸減?。淮怪蔽灰频淖畲笾党霈F(xiàn)在煤壁后方60m處，并且是隨著間距的減小而增大；當層間距處于20～15m和15～10m時，位移變化值相對較小，當間距處于10～5m時，位移變化明顯。

圖8為3下煤層開采覆巖下沉圖，下沉最大值出現(xiàn)在工作面中部，與圖7中3上煤層在3下煤層開采后垂直位移相對應。

圖6 工作面煤壁后方及煤壁位置不同斷面處3上煤層垂直位移變化曲線

圖7 工作面中部沿走向3上煤層垂直位移變化曲線

圖8 3下煤層開采覆巖下沉圖

4.2.3 塑性區(qū)范圍分析

在不同層間距的情況下，開采3下煤層后得到的塑性區(qū)體積如表3所示。由表3可知，層間距越小，塑性區(qū)體積越大，3下煤層的開采對于覆巖的影響也越大。當層間距從10m減到5m時，塑性區(qū)體積大幅度增大，說明3下煤層的開采已嚴重影響到3上煤層，導致3上煤層整體性和連續(xù)性遭到破壞，無法進行上行開采。

不同層間距下開采3下煤層形成的塑性區(qū)變化范圍如圖9所示。由圖9可知，層間距為20m和15m時，3下煤層開采形成的塑性區(qū)對3上煤層產(chǎn)生一定影響；當層間距為10m時，3上煤層受塑性區(qū)的影響變大，其整體性和連續(xù)性受到較大影響；當層間距縮小至5m時，3上煤層大部分處于3下煤層開采后形成的塑性區(qū)范圍內(nèi)，其整體性和連續(xù)性受到嚴重破壞，并發(fā)生較大數(shù)值的臺階錯動[11]。

表3 不同層間距下開采3下煤層形成的塑性區(qū)體積

5 現(xiàn)場實測

為驗證上述分析結(jié)果，采用鉆孔雙回路注(放)水系統(tǒng)進行了現(xiàn)場觀測。觀測地點為首采區(qū)北翼3下煤層1310工作面。1310工作面南部為三條石門，東部為1308工作面采空區(qū)，西部緊鄰 F1 斷層，北部為實體煤層，煤層厚度約為3.2m左右。

觀測共布置 3 個鉆孔，采前1#孔，采后2#孔，采后3#孔。采前1#孔指向未采區(qū)域，與1310軌道順槽軸線方向成 30°夾角，斜長為73.26m。采后2#孔、3#孔指向1310面采空區(qū)，與1310軌道順槽軸線方向分別成 15°和30°夾角，斜長分別為79.17m和76.67m；直徑均為89mm。為便于施工和觀測，鉆孔以略偏離豎直方向與其成 50～75°為宜，取1#孔傾角65°，2#孔傾角57°，3#孔傾角 60°。井下鉆孔平面圖如圖10所示。

圖9 不同層間距下開采3下煤層形成的塑性區(qū)變化范圍

圖10 井下鉆孔平面圖

結(jié)合采前1#鉆孔、采后2#鉆孔和采后3#鉆孔可最終確定取兩個采后孔反映出的垮落帶高度最大為19.48m。通過對兩個采后孔與采前孔注水漏失量數(shù)據(jù)的對比分析，最終確定兩個采后孔反映出的導水裂縫帶發(fā)育高度最大為61.6m。由于巷道凈高為 3.4m，而1310工作面平均采高3.71m，因此工作面導水裂隙帶最大高度為61.29m，裂采比為16.52；垮采比為5.25。3下煤層平均采厚約為3.5m，則3下煤層垮落帶高度和導水裂隙帶高度分別為18.38m和57.82m，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果相接近。3上煤層和3下煤層層間距為0.73～27.29m，在此層間距內(nèi)按照垮采比采取適當?shù)牟筛吆螅σ欢ǚ秶鷥?nèi)的3上煤層采取安全措施，可對3上煤層進行上行開采。

6 結(jié)論

1)通過“三帶”判別公式得到3下煤層開采后，其垮落帶高度為12.49～17.49m，裂隙帶高度為47.55～65.35m；層間距小于15m時，3上煤層處于垮落帶內(nèi)，其整體性遭受一定破壞；層間距大于15m時，3上煤層處于裂隙帶，其整體性只受到中等程度的破壞。通過力學分析，3上煤層的下沉破壞在很大程度上受層間距和3下煤層采高的影響。

2)結(jié)合理論分析，再通過FLAC3D數(shù)值模擬，加之應力、位移和塑性區(qū)范圍的綜合分析得出：層間距大于15m時，3下煤層開采后，應力重新分布，卸壓效應對3上煤層的影響較小，可上行開采；層間距為10～15m時，3上煤層大部分處于垮落帶內(nèi)，只有局部可采，并且只有采取相應安全措施才可上行開采；層間距小于10m時，3上煤層處于垮落帶內(nèi)，煤層的整體性和連續(xù)性破壞嚴重并發(fā)生臺階錯動，3上煤層無法進行上行開采。

3)通過“兩帶”現(xiàn)場實測，得出垮采比和裂采比分別為5.25和16.52，3下煤層開采后形成的垮落帶高度和導水裂隙帶高度分別為18.38m和57.82m，其值與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果相近，進一步驗證了3上煤層上行開采的可行性。

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Research into ascending mining feasibility of guotun mine close distance coal seam

QIN Zhong-cheng，LIU Ming-qing，ZHOU Shang-tao，YU Xin

(Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control，Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

In order to study the upward mining problem under different layer distance on the No.3 upper coal seam above the area that had been mined of the No.3 lower coal seam of Guotun coal mine first mining area,based on the coal seam conditions and mining situation，obtained the height of caving zone and fractured zone through empirical formula，then simulated and analysed No.3 upper coal seam deformation and failure characteristics after mining No.3 lower coal seam.the results show that，when distance is more than 15m,the lower mining has little effect on No.3 upper coal seam；when distance is about 10～15m，No.3 upper coal seam is damaged seriously，only partially recoverable；when distance under 10m,the integrity and continuity of No.3 upper coal seam has been seriously undermine，and the occurrence of greater value level dislocation,and can not be upward mining.Through “two zones” field measurement，obtained the collapse production and crack-production ratio，is respectively 5.65and 16.52 that similar with the theoretical analysis and numerical simulation results,further demonstrate the upward mining feasibility of 3 up coal seam.

upward mining；layer distance；two zones

2014-08-20

國家自然科學基金項目“煤體變形破壞特征與采動應力場演化規(guī)律基礎(chǔ)研究”資助(編號:51304126)

秦忠誠(1965-)，男，山東濰坊人，博士，教授，主要從事采礦工程專業(yè)的教學與科研工作。E-mail：qinzhch@126.com 。

TD823

A

1004-4051(2015)07-0066-06