鄭訓(xùn)臻,王 巖,趙海波,成之祥
(1.長(zhǎng)春建筑學(xué)院 土木工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130607;2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122;4.同煤集團(tuán)王村煤業(yè)公司 機(jī)掘四隊(duì),山西 大同 037003)
煤炭往往以煤層群的形式賦存于地下,隨著礦井采深的逐漸增加,有些煤礦是在已采煤層之下、或在已采煤層之上再進(jìn)行開采,這就形成了多煤層開采問題[1-5]。多煤層開采一般采用下行開采方式,上覆煤層開采引起采空區(qū)圍巖應(yīng)力重新分布,不僅導(dǎo)致采空區(qū)周圍的煤柱上易發(fā)生應(yīng)力集中,而且該應(yīng)力將向底板巖層進(jìn)行傳遞,導(dǎo)致煤層底板結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞,下覆煤層開采時(shí)應(yīng)力演化更為復(fù)雜,工作面頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)更加破碎[6-10]。而上組煤層開采形成的采空區(qū)一般都存在積水現(xiàn)象,極大地影響下組煤的開采,需要對(duì)上覆巖層的破壞形態(tài)、導(dǎo)水通道發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究[11]。因此分析導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度時(shí)需要考慮多煤層開采問題[12]。
安盛煤礦采用立井、單翼、多水平、多煤層開采,生產(chǎn)能力為110萬t/a,現(xiàn)主要有綜采和綜放2種采煤工藝。主要可采煤層從上至下為2煤、5煤和9煤層,總厚度平均為13.81 m。5煤層為穩(wěn)定煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤層傾角 4°~8°,平均 6°,煤層厚度 1.5~3.5 m,平均 2.5 m。5 煤層首采面為 8501工作面,走向長(zhǎng)約580 m,傾向長(zhǎng)約170 m,開采區(qū)域面積約為98 600 m2,工作面煤巖賦存分布圖如圖1。以深灰色泥巖與灰色細(xì)砂巖為主,其中直接頂為石灰?guī)r,基本頂為中砂巖,直接底為粉砂巖,基本底為泥巖。8501工作面上覆存在2煤層8201工作面采空區(qū),8201工作面走向長(zhǎng)300 m,傾向長(zhǎng)140 m,厚度平均為1.8 m,埋深平均為130 m,頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不含夾矸,頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖,底板巖性為泥巖、粉砂巖。5煤層與2煤層層間距為77 m。
圖1 工作面煤巖賦存分布圖
根據(jù)安盛煤礦井田范圍內(nèi)瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果可知,2煤層8201工作面開采后采空區(qū)積水嚴(yán)重,5煤層工作面開采時(shí)面臨頂水作業(yè),因此需要對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冗M(jìn)行分析、確定并采取安全措施,從而確保下組煤層工作面安全回采。
工作面開采過程中,若覆巖中存在含水層,垮落帶和斷裂帶中貫通的裂隙就會(huì)形成導(dǎo)水通道,對(duì)下煤組工作面開采造成水害威脅。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》附表4-2中提到的經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)單一煤層工作面開采后的導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行計(jì)算[13]。5煤層8501工作面頂板為石灰?guī)r,屬堅(jiān)硬巖,計(jì)算導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨龋?/p>
式中:Hli為導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?,m;∑M為累計(jì)采厚,m。
為安全起見,式中參數(shù)選取最大值,采厚M取3.5 m,上述公式計(jì)算結(jié)果為65.35 m。而5煤層與2煤層之間的層間距為77 m,導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ю碚摳叨染?煤層65.35 m,未觸及2煤層積水區(qū)。
采用FLAC3D軟件對(duì)5煤8501工作面和2煤8201工作面開采過程進(jìn)行模擬。根據(jù)工程地質(zhì)條件,確定模型材料參數(shù)見表1。考慮應(yīng)力邊界和位移邊界效應(yīng),最終建立幾何模型尺寸為:走向方向1 000 m,傾向方向400 m,豎直方向230 m。邊界條件按模型所處位置應(yīng)力條件確定,在x、y方向施加水平移動(dòng)約束邊界,對(duì)z方向底部邊界施加水平、垂直移動(dòng)約束邊界,對(duì)z方向上邊界施加應(yīng)力邊界,按照每100 m產(chǎn)生2.5 MPa壓應(yīng)力計(jì)算,模型上部邊界施加應(yīng)力大小為2.5 MPa。計(jì)算模型采用理想彈塑性模型,破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫模型。
為分析多煤層開采上部采空區(qū)對(duì)8501工作面的影響,本次模擬設(shè)計(jì)2種開采方案進(jìn)行對(duì)比,方案1為對(duì)5煤層8501工作面單獨(dú)開采,方案2為在8201工作面開采結(jié)束的條件下,對(duì)8501工作面進(jìn)行開采。其中,8201工作面開采尺寸為140 m×300 m,8501工作面開采尺寸為170 m×580 m,為模擬實(shí)際開采過程,對(duì)8501工作面模擬分4次進(jìn)行開采,依次推進(jìn) 100、200、340、580 m。
表1 8501工作面及其上覆煤巖材料參數(shù)
根據(jù)開采方案,得到的8501工作面單煤層開采過程中塑性區(qū)分布圖如圖2。
由圖2可以看出,8501工作面單獨(dú)開采時(shí),采空區(qū)頂?shù)装寮皟蓚?cè)煤壁處產(chǎn)生塑性破壞區(qū),關(guān)于采空區(qū)中心對(duì)稱分布且破壞范圍隨著工作面推進(jìn)距離的增加而增加,導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨燃s60~68 m,與單煤層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ю碚撚?jì)算值較接近。
多煤層開采塑性區(qū)分布圖如圖3。由圖3可以看出,多煤層開采條件下,8501工作面開采至100 m時(shí),塑性區(qū)分布在頂?shù)装逄?,破壞范圍較??;開采至200 m時(shí),工作面左側(cè)塑性區(qū)范圍明顯比右側(cè)更大,塑性區(qū)貫通了2號(hào)煤層與5號(hào)煤層間的巖體;隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),貫通塑性區(qū)范圍逐漸增大,導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨却笥?0 m,超過層間距。
圖2 單煤層開采塑性區(qū)分布圖
整體而言,8501工作面單獨(dú)開采時(shí)塑性破壞區(qū)范圍較小,僅在采空區(qū)頂?shù)装寮皟蓚?cè)煤壁處產(chǎn)生破壞;多煤層開采條件下,8501工作面推進(jìn)過程中破壞范圍明顯增大,且產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)貫通了層間巖體,說明8501工作面受到了8201采空區(qū)的影響,開采過程中會(huì)產(chǎn)生足夠長(zhǎng)的導(dǎo)水通道,將積水導(dǎo)入8501工作面,造成水害威脅。
覆巖破壞與圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布情況息息相關(guān),8501工作面推進(jìn)至200 m時(shí),多煤層開采條件下采空區(qū)邊界處產(chǎn)生大范圍塑性區(qū),因此對(duì)推進(jìn)200 m時(shí)圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。在8501工作面頂板布置垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)線,得到的垂直應(yīng)力、垂直位移曲線如圖 4、圖 5。
1)8501工作面單獨(dú)開采時(shí),頂板垂直應(yīng)力曲線均對(duì)稱分布,而多煤層開采條件下工作面左邊界處垂直應(yīng)力較低,其峰值約為6.2 MPa,較單獨(dú)開采時(shí)減小了32.6%,且沿著工作面推進(jìn)方向有先減小后增大的趨勢(shì)。
圖3 多煤層開采塑性區(qū)分布圖
圖4 8501工作面推進(jìn)200 m垂直應(yīng)力曲線
圖5 8501工作面推進(jìn)200 m垂直位移曲線
2)多煤層開采條件下,8501工作面左側(cè)部分巖體發(fā)生向上的位移,采空區(qū)中心區(qū)域頂板變形最大,峰值為0.71 m,較單獨(dú)開采時(shí)增大了11.2%,且沿著工作面推進(jìn)方向有先增大后減小的趨勢(shì)。
針對(duì)整體而言,多煤層開采與單獨(dú)開采條件下,覆巖塑性破壞范圍、垂直應(yīng)力、垂直位移都隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大,但工作面推進(jìn)至200 m后,多煤層開采覆巖破壞范圍大于單獨(dú)開采,在上層工作面和下層工作面交界處產(chǎn)生大面積塑性區(qū)及低應(yīng)力區(qū),貫通層間巖體,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單一煤層開采時(shí)的破壞高度,覆巖破壞產(chǎn)生的導(dǎo)水通道高度大于其單獨(dú)開采導(dǎo)水通道高度。必須進(jìn)行積水疏放。
安盛煤礦主采5煤層,當(dāng)前對(duì)5煤層8501工作面進(jìn)行回采,8501工作面上覆存在2煤層8201工作面采空區(qū),并存在采空積水。5煤層與上覆2煤層層間距為77 m。
為確保多煤層開采安全完成,8501工作面開采前,對(duì)上覆2煤層采空區(qū)積水進(jìn)行疏放,采用ZDY3200SA全液壓坑道鉆機(jī),鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)12個(gè)鉆孔,均施工在巷道頂板上,12個(gè)鉆孔均按設(shè)計(jì)要求打透2號(hào)煤層采空區(qū)。通過對(duì)2號(hào)煤層采空區(qū)積水打鉆疏放后,進(jìn)行回采作業(yè),根據(jù)8501工作面回采總結(jié)可知,從2017年2月開始回采,至2017年11月完成收尾工作。工作面回采過程中,未出現(xiàn)明顯的涌水現(xiàn)象,已安全完成回采工作任務(wù)。
1)理論計(jì)算結(jié)果可知,5號(hào)煤層覆巖導(dǎo)水?dāng)嗔褞ё畲蟾叨葹?5.35 m,而5號(hào)煤層與2號(hào)煤層之間的層間距為77 m,導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ю碚摳叨葹閷娱g距的84.87%,未觸及2號(hào)煤層積水區(qū)。
2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,多煤層開采與單煤層開采塑性區(qū)范圍都隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大,但多煤層開采時(shí)層間巖體破壞情況更加復(fù)雜,采寬超過200 m時(shí),在兩工作面交界處產(chǎn)生大面積塑性破壞區(qū)和低應(yīng)力區(qū),該區(qū)域垂直應(yīng)力峰值約為6.2 MPa,較單獨(dú)開采減小了32.6%。
3)模擬分析表明,多煤層開采覆巖發(fā)生破壞將產(chǎn)生足夠長(zhǎng)的導(dǎo)水通道,足以使8201采空區(qū)積水導(dǎo)入8501工作面,設(shè)計(jì)并實(shí)施積水疏放方案后對(duì)工作面進(jìn)行回采作業(yè),工程應(yīng)用證明,對(duì)8201采空區(qū)積水進(jìn)行疏放后,8501工作面現(xiàn)已安全完成回采作業(yè),已完全消除了上覆采空區(qū)積水對(duì)下層工作面開采的水害隱患。