楊五五

(山西中新甘莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037002)

0 引言

對(duì)于上行蹬空開(kāi)采安全性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的探究，早在20世紀(jì)20年代，波蘭已經(jīng)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究，相關(guān)學(xué)者認(rèn)為采動(dòng)影響系數(shù)是影響上行開(kāi)采的關(guān)鍵因素[1-3]，但也只是從經(jīng)驗(yàn)公式演化而來(lái)，在一些特定的區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)上行蹬空開(kāi)采的安全預(yù)測(cè)。我國(guó)上行開(kāi)采安全性研究起步較晚，始于20世紀(jì)70年代，借鑒于國(guó)外的研究成果，又進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，將理論與實(shí)測(cè)結(jié)合修正的方法，來(lái)進(jìn)行上行開(kāi)采安全可靠性的判別[4-7]。

甘莊煤礦8號(hào)煤層為保證穩(wěn)定采取全區(qū)所有可采用的煤層，采用采煤綜合化和機(jī)械化方式開(kāi)采。由于11號(hào)煤層自1980年開(kāi)始已經(jīng)普遍采用傳統(tǒng)的刀柱式開(kāi)采，留下大量的老采空區(qū)，因此8號(hào)煤層屬于蹬空開(kāi)采，給實(shí)施綜合機(jī)械化采煤帶來(lái)安全隱患。甘莊長(zhǎng)壁煤礦301盤(pán)區(qū)，屬于殘留開(kāi)采區(qū)部分上行暗挖開(kāi)采，下部長(zhǎng)壁煤層開(kāi)掘采用部分下行開(kāi)采開(kāi)挖方法(采用刀柱式下行開(kāi)采)，采空區(qū)盤(pán)區(qū)遺留較多的下部殘留煤柱，老和新采空區(qū)下部上覆長(zhǎng)壁巖層一般不完全垮落或巖層垮塌塌落不充分，在其開(kāi)采動(dòng)力和壓力的雙重影響下，可能直接造成下部長(zhǎng)壁煤層老和新采空區(qū)下部保留巖層煤柱的運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，引起下部上覆長(zhǎng)壁巖層的垮塌塌落或被破壞和下部長(zhǎng)壁煤層工作面與煤底板下覆巖層間的失穩(wěn)，威脅上部煤層采煤工作面的煤礦生產(chǎn)安全。

實(shí)行上行方式開(kāi)采，可采出大量的煤炭資源[8]。因此，研究煤礦上行煤層開(kāi)采所作用引起的煤層采動(dòng)應(yīng)力覆巖及煤礦層間層中巖層再次移動(dòng)應(yīng)力變形，確定煤礦層間層中巖層移動(dòng)應(yīng)力再次移動(dòng)分布結(jié)構(gòu)特征、卸壓應(yīng)力范圍及層中巖層層間移動(dòng)應(yīng)力變形及其演化過(guò)程，科學(xué)分析確定煤礦上下行與煤層上行開(kāi)采的相互作用、相互影響，綜合分析評(píng)價(jià)煤礦上行煤層開(kāi)采過(guò)程可行性，為開(kāi)展煤礦繼續(xù)上行開(kāi)采蹬空安全煤層開(kāi)采研究提供重要理論依據(jù)。研究成果不僅對(duì)煤礦行業(yè)具有重要的理論現(xiàn)實(shí)意義，而且可以為該區(qū)類似條件上行蹬空開(kāi)采的安全提供指導(dǎo)和借鑒，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 工程概況

甘莊煤礦11號(hào)煤層自1980年開(kāi)始采用短壁刀柱式炮采(即打眼、放炮、支護(hù)、裝車(chē))，回采工作面在左右留設(shè)煤柱，2個(gè)工作面之間留設(shè)的采空區(qū)邊界煤柱，刀柱式工作面推進(jìn)。采煤工作面一般采用留設(shè)煤柱和木支護(hù)相結(jié)合的方法進(jìn)行管理，回采工作面用木支護(hù)滿支、滿回管理。

目前甘莊煤礦在論證區(qū)域的8號(hào)煤層賦存區(qū)域內(nèi)的下部11號(hào)煤層已大面積采空。采出投影面積約為764 687 m2，約占論證區(qū)域8煤層賦存區(qū)域面積(約1 441 773 m2)的53.0%。據(jù)計(jì)算，11號(hào)煤層工作面回采率60%左右，采區(qū)回采率40%左右。1-1號(hào)煤層在刀柱式回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)不明顯，支柱回收后直接頂垮落，垮落高度2 m，刀柱及巷道無(wú)明顯片幫現(xiàn)象。

根據(jù)現(xiàn)有研究資料分析得出，刀柱上方柱式煤層采空進(jìn)行底板回采時(shí)，下方2個(gè)刀柱式煤層采空區(qū)如果遺留較多的巖層殘留上方煤柱，并且下方上覆底板巖層一般不完全垮落或巖層垮塌塌落不充分，則在其回采動(dòng)力和壓力的雙重影響下，可能直接造成下方刀柱煤層底板采空區(qū)上方刀柱的采動(dòng)失穩(wěn)，引起下方刀柱式上覆底板巖層的垮塌塌落或被破壞和上部刀柱煤層底板綜采綜合工作面煤層底板上覆巖層間的失穩(wěn)，威脅上方刀柱煤層綜采工作區(qū)地面的安全高效順利開(kāi)采。初步分析可得，如果不進(jìn)行工作面長(zhǎng)度參數(shù)的研究，11號(hào)早期采用刀柱式采煤法回采，現(xiàn)已部分采空，上方8號(hào)煤層進(jìn)行綜合機(jī)械化回采時(shí)，受到采動(dòng)應(yīng)力的影響，刀柱會(huì)產(chǎn)生壓裂破壞。

2 圍巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試分析

煤層頂板和底板結(jié)構(gòu)物理和動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析是長(zhǎng)期研究含煤層間隙和巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。煤巖的巖體物理學(xué)和力學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)一般是廣泛指由灰?guī)r煤體或其他巖石固有的主要物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成和巖體結(jié)構(gòu)特征所直接決定的具有容重、變形、強(qiáng)度等基本力學(xué)屬性。巖石地質(zhì)物理學(xué)和力學(xué)反應(yīng)性質(zhì)的準(zhǔn)確試驗(yàn)測(cè)定，對(duì)于目前科學(xué)家們研究制定出來(lái)的圍巖物理控制技術(shù)方案也具有重要指導(dǎo)意義，重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)于煤巖的巖石物理學(xué)和力學(xué)反應(yīng)性質(zhì)的準(zhǔn)確試驗(yàn)分析研究。

采樣采集地點(diǎn)均為井下煤礦掘進(jìn)迎頭新煤所揭露的大型煤礦底巖層，采集的所有煤礦層巖樣均必須完全達(dá)到相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，并自行包裝好，寫(xiě)好試驗(yàn)標(biāo)簽。試驗(yàn)中的所有試件都采自甘莊煤礦，保證了試件的統(tǒng)一性。巷道遺址所處地理位置地層屬于典型的深層圍巖地理?xiàng)l件礦區(qū)地層，對(duì)該條件地區(qū)深層圍巖的調(diào)查研究發(fā)掘具有一定的科學(xué)工程技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。所取材的巖樣為新鮮的砂巖頂板、底板。試件通過(guò)工業(yè)鉆井提取礦石巖芯、切割、打磨制成。組織相關(guān)人員對(duì)8號(hào)、11號(hào)煤層的頂?shù)装暹M(jìn)行采樣，然后在專業(yè)巖石力學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定，部分試件如圖1所示。

圖1 加工后的部分試件Fig.1 Some test pieces after processing

在頂板單向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，巖樣從內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，分別發(fā)展為面狀和層狀破壞；煤層底板巖樣從內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，并逐漸發(fā)展為面狀破壞，為一“X”狀的近似斜面剪切破壞面，最終導(dǎo)致試樣從內(nèi)部貫穿破壞；煤樣內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，并逐漸發(fā)展為斜狀壓破壞，破壞斷面不整合。煤巖物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1，巖樣受力破壞曲線形態(tài)如圖2所示，受力破壞曲線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)匯總

圖2 部分試件試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of some specimens

圖3 巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Rock stress-strain relationship

根據(jù)表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，8號(hào)煤層頂板條件較好，但由于部分8號(hào)煤層底板為泥巖，巖性較軟。因此，在8號(hào)煤層的開(kāi)采過(guò)程中，要注意巷道底板不要長(zhǎng)期積水，以免進(jìn)一步降低底板巖石強(qiáng)度，引起巷道變形。11號(hào)煤層頂?shù)装宓膸r石力學(xué)分級(jí)均在較堅(jiān)硬及以上，回采巷道的支護(hù)基礎(chǔ)好。但在剪切試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)11號(hào)煤層頂?shù)装逡约懊后w的抗剪強(qiáng)度不高，所以推測(cè)其節(jié)理發(fā)育。因此，在8號(hào)煤層的開(kāi)采過(guò)程中如遇到巷道圍巖難以控制、易失穩(wěn)問(wèn)題時(shí)，可以考慮錨帶(梁)網(wǎng)支護(hù)，以提高圍巖整體支護(hù)強(qiáng)度，從而達(dá)到更好的支護(hù)效果。

3 上行蹬空開(kāi)采模擬及工程實(shí)踐

為了減少現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)工藝試驗(yàn)的操作盲目性，運(yùn)用FLAC3D模擬分析軟件可以對(duì)甘莊煤礦煤層上行蹬空采場(chǎng)長(zhǎng)度進(jìn)行模擬分析[9-10]，本次模擬分析研究主要根據(jù)甘莊采煤礦井的上行采煤開(kāi)采開(kāi)挖工程的實(shí)際情況進(jìn)行。針對(duì)11號(hào)煤層采用刀柱式采煤開(kāi)采的上行采場(chǎng)和8號(hào)煤層均采用煤層分步挖掘，而對(duì)上層8號(hào)煤層上行采煤開(kāi)挖工作面則分別采用不同開(kāi)掘長(zhǎng)度的開(kāi)挖工作面進(jìn)行推進(jìn)，主要是為了用于模擬確定合理的開(kāi)采工作面擾動(dòng)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)8號(hào)保護(hù)煤層長(zhǎng)壁柱式開(kāi)采時(shí)層間上覆變質(zhì)巖層、層間下覆巖層以及11號(hào)煤層留設(shè)煤柱的變形及應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行分析，模擬8號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度不同時(shí)采場(chǎng)巖體的力學(xué)狀態(tài)及其變化。

3.1 模擬方案的建立

根據(jù)試驗(yàn)研究工作目的，在煤層模型觀測(cè)中的各煤層間層和巖層中分別設(shè)計(jì)布置3條沿線平行的煤層觀測(cè)平線路徑和一個(gè)相應(yīng)的煤層監(jiān)控跟蹤點(diǎn)，觀測(cè)平行路徑沿線的煤層布控走向可以橫跨整個(gè)觀測(cè)模型。本次煤層數(shù)值應(yīng)力模擬主要用于研究11號(hào)煤層采用刀柱式開(kāi)采后，上行開(kāi)采8號(hào)煤層的過(guò)程中層間巖層的應(yīng)力變化。為了有效避免煤層模型分析計(jì)算中煤層邊界作用效應(yīng)的嚴(yán)重影響，各層分別留設(shè)邊界煤柱。先對(duì)實(shí)體模型計(jì)算平衡，然后對(duì)11號(hào)煤層開(kāi)挖后計(jì)算平衡，最后再進(jìn)行8號(hào)煤層開(kāi)采模擬計(jì)算。

3.2 模擬結(jié)果分析

為了確定合理工作面長(zhǎng)度，分別對(duì)8號(hào)煤層工作面進(jìn)行模擬開(kāi)挖，長(zhǎng)度分別為150 m、200 m和250 m。圖4分別為不同工作面長(zhǎng)度推進(jìn)200 m后的應(yīng)力變化云圖。

由圖4模擬結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，工作面長(zhǎng)度的變化影響著采空區(qū)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)工作面長(zhǎng)度為150 m，推進(jìn)80 m時(shí)，拉應(yīng)力已因上部8號(hào)煤層的開(kāi)采效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力；當(dāng)工作面長(zhǎng)度為200 m，推進(jìn)40 m時(shí)，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力；當(dāng)工作面長(zhǎng)度為250 m，推進(jìn)20 m時(shí)，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。表明8號(hào)煤層工作面的推進(jìn)不會(huì)在11號(hào)煤層的頂板中帶來(lái)破壞性的影響，相反對(duì)其穩(wěn)定性增強(qiáng)尚有一定的幫助作用。這是由于開(kāi)采8號(hào)煤層引起了應(yīng)力釋放，造成其上覆巖層荷載無(wú)法傳遞至層間巖層，從而說(shuō)明上行開(kāi)采時(shí)并未引起層間巖層破壞運(yùn)動(dòng)范圍的急劇增加，隨工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，在11號(hào)煤層的頂板和煤柱的拉應(yīng)力區(qū)逐漸擴(kuò)大，在工作面推進(jìn)距離相同的情況下，250 m長(zhǎng)度的工作面開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)11號(hào)煤的影響最大，但并沒(méi)有達(dá)到破壞其穩(wěn)定性的程度。

圖4 不同工作面長(zhǎng)度應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of working face

當(dāng)工作面推進(jìn)200 m時(shí)，150 m長(zhǎng)工作面上方的低應(yīng)力區(qū)呈梯形分布，隨工作面長(zhǎng)度的增加，該低應(yīng)力區(qū)分布向“M”型過(guò)渡且低應(yīng)力區(qū)范圍增加，說(shuō)明工作面的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，工作面后方采空區(qū)圍巖應(yīng)力釋放越充分。隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，與短工作面相比，長(zhǎng)工作面頂板的低應(yīng)力區(qū)范圍更大，說(shuō)明其頂板卸壓更充分。隨著工作面長(zhǎng)度的增加，工作面前方支承壓力的影響范圍和峰值均不相同。工作面開(kāi)采初期，工作面超前支承壓力峰值隨工作面的回采逐漸增加；當(dāng)工作面推進(jìn)200 m時(shí)，工作面超前支承壓力峰值趨于穩(wěn)定。從不同工作面長(zhǎng)度對(duì)比來(lái)看，工作面越長(zhǎng)，超前支承壓力峰值越大；150 m、200 m、250 m長(zhǎng)工作面的超前支承壓力峰值分別為12.5 MPa、14.2 MPa、16.9MPa。

由上述分析可知，工作面超前支承壓力峰值隨著工作面長(zhǎng)度的增加而變大，若將工作面長(zhǎng)度減小，可將支承壓力峰值降低，隨著綜放工作面長(zhǎng)度的增加，工作面的圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生改變，工作面越長(zhǎng)，工作面四周支承壓力峰值和影響范圍越大，但是150 m的工作面礦壓顯現(xiàn)并不是很強(qiáng)烈，存在一定的面長(zhǎng)富余量，當(dāng)工作面長(zhǎng)度增加到250 m，在工作面四周?chē)鷰r支承壓力允許范圍內(nèi)，可以保證回采巷道及工作面的安全回采。最大主應(yīng)力的觀測(cè)路徑變化趨勢(shì)基本一致，但其量值有所差別，在工作面推進(jìn)距離相同的情況下，觀測(cè)路徑最大主應(yīng)力隨工作面長(zhǎng)度的增加而增大，表明層間巖層應(yīng)力峰值與8號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度成正比關(guān)系，250 m基本達(dá)到最大工作面長(zhǎng)度。

3.3 工程實(shí)踐

為了更好地驗(yàn)證理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果，選擇8102工作面(工作面長(zhǎng)度240 m)超前巷道作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。測(cè)得兩幫移近量為60 mm左右，頂?shù)装逡平繛?0 mm。發(fā)現(xiàn)變形量較小，說(shuō)明在240 m工作面長(zhǎng)度下，目前采取的支護(hù)方案合理，能夠滿足安全生產(chǎn)需要。工作面超前支承壓力影響范圍為20～40 m，在回采過(guò)程中應(yīng)對(duì)超前支承壓力影響范圍內(nèi)的巷道采取合理的加強(qiáng)支護(hù)措施。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)8號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度在150～250 m之間時(shí)，上行蹬空開(kāi)采時(shí)并未引起層間巖層及下部留設(shè)煤柱的突變失穩(wěn)，8號(hào)煤層綜采工作面在良好的支護(hù)情況下，能夠維護(hù)采場(chǎng)巷道的穩(wěn)定性。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析可得，巷道兩幫移近量為60 mm左右，頂?shù)装逡平繛?0 mm，均在合理變形控制范圍內(nèi)。工作面超前支承壓力影響范圍為20～40 m，巷道穩(wěn)定性取決于支護(hù)強(qiáng)度及質(zhì)量，即使下部煤柱發(fā)生緩慢蠕變破壞，也不會(huì)對(duì)上部采場(chǎng)構(gòu)成威脅。

(3)盡管采用多種研究方法和手段進(jìn)行了研究，但研究對(duì)象局限于試驗(yàn)巷道，隨著井下地質(zhì)條件的改變，應(yīng)提前做好地質(zhì)調(diào)查工作及頂?shù)装濉⒐ぷ髅娴V壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作，在保證安全回采的情況下增加企業(yè)效益。