王東升

(大同煤礦集團(tuán)同地益晟煤業(yè)有限公司,山西 大同 037008)

大同煤礦集團(tuán)同地益晟煤業(yè)有限公司8#、9#和10#煤層為1 m左右的薄煤層，下覆11-3#煤層被采空后,8#、9#、10#煤層形成了蹬空,蹬空后是否滿足開(kāi)采的條件,是否可以安全的進(jìn)行蹬空開(kāi)采作業(yè),必須通過(guò)理論分析以及數(shù)值模擬等方法進(jìn)行安全可行性論證,研究上煤層開(kāi)采后所造成的底板采動(dòng)破壞深度,為礦井提供合理的安全保障系統(tǒng)。由于益晟煤業(yè)中厚煤層已經(jīng)枯竭,采用蹬空開(kāi)采的方式,是為了保證礦井生產(chǎn)的安全性，采用保護(hù)層的開(kāi)采方式,對(duì)確保該礦的生產(chǎn)效益和效率有著重要的意義。

國(guó)內(nèi)外在蹬空開(kāi)采的研究及實(shí)踐方面得到的主要成果是關(guān)于開(kāi)采層間距、開(kāi)采主要影響因素、在各類型煤層中試驗(yàn)與應(yīng)用蹬空開(kāi)采的方式方法。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)和國(guó)外上行開(kāi)采現(xiàn)狀和開(kāi)采技術(shù)的分析對(duì)比,結(jié)合劉明杰,李冬偉等[1]的研究狀況,我礦采用采動(dòng)影響倍數(shù)法、“三帶”判別法和圍巖平衡法對(duì)蹬空開(kāi)釆頂?shù)装迤茐奶卣鬟M(jìn)行了研究,根據(jù)礦壓三帶、三區(qū)理論和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn),研究分析煤層采用上行開(kāi)采的可行性。同時(shí)，掌握我礦煤層“三帶”分布規(guī)律，上行開(kāi)采頂板控制技術(shù)、上行開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，快速推進(jìn)優(yōu)化技術(shù),對(duì)我礦開(kāi)采8#、9#、10#煤層提供了理論依據(jù)。

1 礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前益晟礦主要開(kāi)采13-2#煤層,平均煤厚1.66 m,與上覆11-3#煤層采空區(qū)層間距約17 m。11-3#煤層大部分已經(jīng)采空,導(dǎo)致上覆8#、9#、10#煤層處于蹬空狀態(tài),因此,8#、9#、10#煤層的蹬空開(kāi)采主要是受11-3#煤層采空區(qū)的影響,本次論證主要針對(duì)11-3#煤層采空區(qū)對(duì)上覆煤層產(chǎn)生的蹬空現(xiàn)象進(jìn)行研究。

11-3#煤層除井田東側(cè)無(wú)采空區(qū)外,其余范圍基本被采空區(qū)覆蓋。需要注意的是,由于該煤層是小窯破壞區(qū),采用的是房柱式采煤法,部分區(qū)域有大面積垮落的可能,所以其采空區(qū)的承載能力會(huì)比走向長(zhǎng)壁采煤法要有所提升。大量資料及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明,長(zhǎng)壁式全部垮落采煤法所造成的上覆巖層破壞較房柱式以及充填式采煤法更加嚴(yán)重。所以,為了提高蹬空開(kāi)采的安全系數(shù),同時(shí)也由于11-3#煤層中具體的房柱留設(shè)位置較難探明,以下論證皆假設(shè)11-3#煤層在采空區(qū)范圍內(nèi)大面積垮落。

2 蹬空開(kāi)采可行性理論分析

由于受煤層采動(dòng)影響,上覆巖層原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破,開(kāi)始出現(xiàn)下沉、變形、斷裂、垮落等現(xiàn)象,并呈現(xiàn)出明顯的分帶現(xiàn)象,自煤層向上依次為垮落帶、斷裂帶、緩沉帶,各分帶的厚度與結(jié)構(gòu)形態(tài)與煤層傾角、采厚、上覆巖層性態(tài)、采煤方法等因素有關(guān)。結(jié)合益晟礦的實(shí)際情況,按照《煤礦特殊條件開(kāi)采暫行管理辦法》所提供的采動(dòng)影響倍數(shù)法、“三帶”判別法以及圍巖平衡法,分別對(duì)11-3#煤層采空區(qū)所產(chǎn)生的裂隙帶高度以及上覆煤層開(kāi)采所產(chǎn)生的底板采動(dòng)破壞帶深度進(jìn)行綜合分析,進(jìn)一步研究益晟礦蹬空開(kāi)采的可采煤層范圍[2]。

為了更加清晰的劃分下層采空區(qū)的影響范圍以及上層煤開(kāi)采后的影響范圍,需將11-3#煤層上覆巖層進(jìn)行分組。根據(jù)益晟礦的地層結(jié)構(gòu),11-3#煤層以上100 m范圍內(nèi)可以劃分為7個(gè)巖層組,具體分組情況如表1所示。

表1 覆巖組合結(jié)構(gòu)劃分Table 1 Composite structure division for overlying strata

2.1 采動(dòng)影響倍數(shù)法

采動(dòng)影響倍數(shù)法是基于采高與層間距的比值大小進(jìn)行蹬空開(kāi)采可行性判斷經(jīng)驗(yàn)手法,其依據(jù)是采動(dòng)影響倍數(shù)K與我國(guó)蹬空開(kāi)采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值相比較,進(jìn)而來(lái)評(píng)價(jià)蹬空開(kāi)采是否可行。我國(guó)蹬空開(kāi)采的實(shí)踐及研究成果證明:當(dāng)綜合比值Kz>6.3時(shí),可正常進(jìn)行蹬空開(kāi)采。而11-3#煤層的厚度為0.3 m ～2.4 m,平均1.58 m,故由采動(dòng)影響倍數(shù)法可判定，在距11-3#煤層9.95 m以上的煤層為可蹬空開(kāi)采可行性較高的煤層[3]。

根據(jù)巖層分組情況可以推斷,巖層組I中的11-2#煤層已經(jīng)在11-3#煤層頂板9.95 m以外,根據(jù)采動(dòng)影響倍數(shù)法可以判斷出11-2#煤層及以上煤層均屬于蹬空開(kāi)采可行性較高的煤層。

2.2 “三帶”判別法

“三帶”判別法認(rèn)為,當(dāng)下煤層垮落帶高度大于或等于上下煤層層間距時(shí),上煤層的整體性將遭到嚴(yán)重破壞,無(wú)法進(jìn)行蹬空開(kāi)采;當(dāng)層間距小于或等于下煤層裂隙帶高度時(shí),上煤層只發(fā)生中等程度破壞,采取一定措施后可正常進(jìn)行蹬空開(kāi)采;當(dāng)層間距大于裂隙帶高度時(shí),上煤層只發(fā)生整體性移動(dòng),結(jié)構(gòu)未遭到破壞,可正常進(jìn)行蹬空開(kāi)采[4]。

根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)判斷,中等堅(jiān)硬的覆巖結(jié)構(gòu)最終的裂隙帶發(fā)育高度與采厚的比值一般不超過(guò)16倍。而11-3#煤層的厚度為0.3 m ～2.4 m,因此,可以初步判斷11-3#煤層采空區(qū)的裂隙帶高度為4.8 m ～38.4 m,平均25.28 m。

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中提供的裂隙帶計(jì)算公式按覆巖的巖性分堅(jiān)硬、中硬、軟弱以及極軟弱巖性,益晟礦11-3#煤層頂板屬于中硬巖層,可用如下公式進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:Hli為裂隙帶高度,m;M為開(kāi)采煤層厚度,m。

由于益晟礦11-3#煤層平均厚度為1.58 m,帶入式(1)可得出11-3#煤層開(kāi)采后所產(chǎn)生的裂隙帶高度約為25.78 m,與大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算出的結(jié)果相符。

所以,根據(jù)“三帶”判別法,有理由認(rèn)為,11-2#及其以下煤層處于裂隙帶之中,上行開(kāi)采的可行性較低。11-1#煤層及以上的巖層組III均在彎曲下沉帶范圍內(nèi),蹬空開(kāi)采的可行性較高[5]。

2.3 圍巖平衡法

根據(jù)圍巖平衡理論,蹬空開(kāi)采的關(guān)鍵就是控制上覆巖層的臺(tái)階錯(cuò)動(dòng),采場(chǎng)上覆巖層中具有一定厚度而且強(qiáng)度較高的巖層是控制上覆巖層移動(dòng)的關(guān)鍵。若采場(chǎng)上覆巖層中有堅(jiān)硬的平衡巖層時(shí),上煤層應(yīng)位于距其最近的平衡巖層之上[6]。

根據(jù)益晟礦的綜合柱狀圖,11-1#煤層底板是一層堅(jiān)硬的粉砂巖,厚度達(dá)到15.23 m，可作為11-1#煤層的平衡巖層,能夠抑制11-3#煤層開(kāi)采所引發(fā)的臺(tái)階錯(cuò)動(dòng),根據(jù)圍巖平衡法可以判斷出11-1#煤層及以上煤層為蹬空開(kāi)采可行性較高的煤層。

2.4 開(kāi)采后底板破壞帶深度分析

根據(jù)開(kāi)采規(guī)范,上煤層工作面所產(chǎn)生的底板采動(dòng)破壞帶不得與下煤層已采煤層所產(chǎn)生的裂隙帶貫通。所以這里重點(diǎn)對(duì)上煤層開(kāi)采后所產(chǎn)生的底板破壞帶深度進(jìn)行分析。

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,煤層底板破壞深度與開(kāi)采深度及工作面傾向長(zhǎng)度均成正比關(guān)系:

h1=0.008 5H+0.166 5a+0.107 6L-4.357 9.

(2)

式中:h1為底板采動(dòng)破壞帶深度,m;H為采深,m;α為煤層傾角,°;L為工作面斜長(zhǎng),m。

根據(jù)益晟礦10-2#煤層的地質(zhì)條件,采深為197 m;煤層傾角取5°;工作面斜長(zhǎng)取160 m;帶入式(2)中可得出在10-2#煤層開(kāi)采后工作面所造成的底板采動(dòng)破壞深度為14.6 m。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 裂隙帶高度數(shù)值模擬研究

根據(jù)益晟礦的地層情況,利用基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的離散元數(shù)值模擬軟件CDEM建立如圖1所示的數(shù)值模型。模型尺寸為400 m×200 m(長(zhǎng)×高),共劃分6 916個(gè)單元,固定左右及模型底部邊界的位移。頂部施加2 MPa的垂直應(yīng)力以模擬上覆巖層自重。模型初始平衡后對(duì)11-3#煤層進(jìn)行開(kāi)挖。由于11-3#煤層大部分以采空,故本次模擬開(kāi)采11-3#煤層模型中部160 m范圍內(nèi)的煤層就足以模擬11-3#煤層的采空狀態(tài)[7]。

通過(guò)計(jì)算,在11-3#煤層開(kāi)采并達(dá)到平衡狀態(tài)后的巖層狀態(tài)見(jiàn)圖2?？梢钥闯?垮落帶高度為12 m,裂隙帶與垮落帶的高度總和為28 m。11-1#煤層及其以上均處于彎曲下沉帶范圍內(nèi),與理論分析相符。因此,結(jié)合理論分析以及數(shù)值模擬研究結(jié)果,可以得出,11-1#煤層及以上的巖層組均在彎曲下沉帶范圍內(nèi),11-2#及其以下煤層處于裂隙帶之中,上行開(kāi)采的可行性較低。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model diagram

圖2 達(dá)到平衡狀態(tài)后的巖層狀態(tài)Fig.2 Strata situation after balance

3.2 底板破壞帶高度數(shù)值模擬研究

根據(jù)益晟礦的地層情況,利用基于三維顯式有限差分法的數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立如圖3所示的數(shù)值模型。模型尺寸為400 m×200 m(長(zhǎng)×高),共劃分67 200個(gè)單元,固定左右及模型底部邊界的位移。頂部施加2 MPa的垂直應(yīng)力以模擬上覆巖層自重。模型初始平衡后對(duì)10-2#煤層進(jìn)行開(kāi)挖,目的在于得出煤層開(kāi)挖后底板的破壞深度[7]。

圖3 模型示意圖Fig.3 Model diagram

通過(guò)計(jì)算,得出見(jiàn)圖4的塑性區(qū)范圍。從結(jié)果可以看出,在10-2煤層開(kāi)挖后,開(kāi)采造成底板破壞帶高度為17 m。綜合考慮下層煤層開(kāi)采所產(chǎn)生的裂隙帶高度以及上層煤開(kāi)采后的底板破壞高度,基于11-3#煤層大部分采空,益晟礦的8#、9#、10#煤層的蹬空開(kāi)采安全高度為距離11-3#煤層45 m以上的煤層,即10-2及其以上煤層為蹬空開(kāi)采安全可行性較高的煤層,可以進(jìn)行蹬空開(kāi)采。

圖4 塑性區(qū)范圍Fig.4 Plastic zone

4 結(jié)論

綜上所述,為充分保障蹬空開(kāi)采的安全性,應(yīng)綜合考慮煤層的上三帶及下三帶分布高度。如果上覆煤層所產(chǎn)生的底板擾動(dòng)破壞帶與11-3#煤層采空區(qū)所產(chǎn)生的裂隙帶互相貫通,則有可能出現(xiàn)有害氣體沿裂隙互相交流以及巷道變形量大等一系列安全隱患。所以本次論證將層間距大于或等于11-3#煤層開(kāi)采所產(chǎn)生裂隙帶高度與上覆煤層開(kāi)采所產(chǎn)生底板擾動(dòng)破壞帶深度之和的煤層劃分為蹬空開(kāi)采可行的煤層。通過(guò)理論計(jì)算以及數(shù)值模擬研究,為確保蹬空開(kāi)采的安全可行,在理論分析與數(shù)值模擬的結(jié)論中取所得結(jié)果的最大值,總結(jié)如下:

1)11-3#煤層采空區(qū)所產(chǎn)生的裂隙帶高度在28 m范圍內(nèi)。

2)根據(jù)益晟礦的地層狀況,在10-2#煤層開(kāi)采后,工作面所造成的底板破壞帶深度為17 m。

3)綜合考慮下層煤層開(kāi)采所產(chǎn)生的裂隙帶高度以及上層煤開(kāi)采后的底板破壞高度,基于11-3#煤層大部分采空,益晟礦的8#、9#、10#煤層的蹬空開(kāi)采安全高度為:距離11-3#煤層45 m以上的煤層。從表1中可以看出,10#及其以上煤層為蹬空開(kāi)采安全可行性較高的煤層,可以進(jìn)行蹬空開(kāi)采。