劉諦康，渾寶炬，王之東，王慧，夏新茹

（1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009；2.開灤（集團(tuán)）東歡坨礦業(yè)分公司，河北 唐山064002；3.開灤（集團(tuán)）荊各莊礦業(yè)分公司，河北 唐山063026）

很多礦區(qū)或礦井因地質(zhì)勘探不詳、開采技術(shù)條件等原因，在其采空區(qū)上方都遺留了一定數(shù)量的可采煤層［1］。隨著煤炭資源越來越緊張，如何安全、高效地回收上部遺留的煤炭資源，成為相當(dāng)多的煤炭企業(yè)所面臨的問題［2］。上行開采為解決上述擱置煤炭資源的回收提供了技術(shù)途徑，同時(shí)還有利于改善采場(chǎng)的穩(wěn)定性及減輕或避免開采過程中的動(dòng)力顯現(xiàn)。對(duì)于開灤東歡坨礦礦井充水強(qiáng)度大、水害防治工作難度大，為減小防治水壓力，采取先開采下部8煤層，以便對(duì)頂板強(qiáng)含水層組水壓進(jìn)行疏降，再開采其上部7煤層的上行開采方式，對(duì)近距離煤層上行開采所引起的上覆巖層移動(dòng)變形進(jìn)行研究具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

開灤東歡坨礦地理位置優(yōu)越，位于唐山市豐潤(rùn)區(qū)南部韓城鎮(zhèn)的西側(cè)，東距唐山市區(qū)僅14km，交通運(yùn)輸十分便捷。該礦為開灤（集團(tuán)）較新礦井，于1988年開始建設(shè)，1997年正式投產(chǎn)，是開灤（集團(tuán)）今后發(fā)展的主力礦井，2012年完成改擴(kuò)建工程，生產(chǎn)能力達(dá)400萬噸／年。

礦井目前生產(chǎn)采區(qū)為－500m水平北2采區(qū)和－690m水平中央下段采區(qū)（北翼），該區(qū)域的開采已接近尾聲，按照規(guī)劃－690m水平中央下段采區(qū)（南翼）和－500m水平南1采區(qū)將作為接替采區(qū)，維持礦井不小于300萬噸／年的生產(chǎn)能力。西歡坨村和大、小榮各莊3個(gè)村莊位于東歡坨礦井工業(yè)廣場(chǎng)的南側(cè)，壓覆著－690m水平中央下段采區(qū)（南翼）和－500m水平南1采區(qū)的大部分煤炭資源。北2采區(qū)－500m以淺7煤層范圍，東至7煤層風(fēng)氧化帶，西至7煤層－500m底板等高線；南至F2正斷層；北至車軸山向斜軸。上限標(biāo)高－150m，下限標(biāo)高－500m，走向長(zhǎng)2 560m，傾向長(zhǎng)650m，面積170km2。7煤層與上部5煤層之間間距為27.19～37.77m，平均為32.48m。與下部8煤層之間間距為10.47～36.92m，平均為23.70m。7煤層開采前，目前下部8煤層回采2286采面，掘進(jìn)2284與2288工作面。

2 采面覆巖變形數(shù)值模擬分析

2.1 采動(dòng)圍巖力學(xué)參數(shù)選取

在數(shù)值模擬中，合理選擇材料的力學(xué)參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度起著決定性作用。巖體材料的力學(xué)參數(shù)與巖石有關(guān)，但不能用巖石參數(shù)來代替巖體參數(shù)。

巖體變形模量可以由下式確定：

式中，Em為巖體楊氏模量；E為完整巖石楊氏模量；Kn為節(jié)理法向剛度；S節(jié)理間距。

巖體剪切模量可以由下式確定：

式中，Gm為巖體楊氏模量；G為完整巖石楊氏模量；Ks為節(jié)理剪切剛度；S節(jié)理間距。

Bienawski（1978）得到一個(gè)關(guān)于Em的經(jīng)驗(yàn)公式：

其中RMR大于55，而Serafim和Pereira（1983）提出一個(gè)更吻合的經(jīng)驗(yàn)公式：

此外，霍克－布朗（1997）基于節(jié)理特征和塊體聯(lián)接的巖石質(zhì)量指標(biāo)（GSI）也可以用于確定摩爾－庫侖摩擦角與粘聚力。由式（2）、（3）與霍克－布朗巖石質(zhì)量指標(biāo)（GSI）可見，以對(duì)巖體各方面因素的定性認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)其工程特征一定程度加以定量化，即巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，是被廣為接受的確定巖體力學(xué)參數(shù)思路之一，得到了良好的應(yīng)用。依據(jù)北2采區(qū)地層綜合柱狀圖，圍巖分布及其特征如表1所示。

表1 北2采區(qū)8煤層與7煤層圍巖特征表

依我國通用標(biāo)準(zhǔn)－工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煤層、圍巖進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)與參數(shù)選取，如表2所示。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)選取

2.2 采面覆巖體積變形數(shù)值模擬建立

2.2.1 幾何模型

計(jì)算模型選取的尺寸長(zhǎng)、寬、高分別設(shè)置為390m、400m和395m。模型網(wǎng)格密度X、Y面為10m×10m，Z軸不均一，依巖層厚度而定。共劃分為88 920個(gè)六面體單元，生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)95 120個(gè)。依照地層柱狀，真實(shí)模擬22層頂板、14層底板巖層，為減小長(zhǎng)方體模型邊角部位應(yīng)力不均勻，加快運(yùn)算收斂速度，上下設(shè)均質(zhì)六面體，模型網(wǎng)絡(luò)劃分如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2.2 邊界條件

確定模型前、后、左、右為橫向位移為0的簡(jiǎn)支邊界，下邊界為縱向位移為0的簡(jiǎn)支邊界，如圖2所示。

圖2 模型邊界約束

2.2.3 初始應(yīng)力條件

理想的模型邊界條件與初始條件的設(shè)置，是經(jīng)過平衡運(yùn)算后，模型中能夠得到與煤層開挖前所處的地應(yīng)力條件類似的應(yīng)力環(huán)境。模型經(jīng)初始應(yīng)力設(shè)置運(yùn)算后，在走向剖上形成了較為均勻分布的初始擠壓應(yīng)力狀態(tài)；傾向剖面上應(yīng)力分布受傾斜地層影響，在巖層傾向端集中。初始應(yīng)力如圖3所示。SZZ值范圍為2.4e7～2.2e7；SXX值范圍為1.6e7～1.1e7；SYY1.3e7～7.6e6，初始應(yīng)力分布合理。

圖3 值模型初始應(yīng)力分布圖

2.2.4 開挖

模擬工作面傾向斜長(zhǎng)90m。7煤層、8煤層走向上分階段開挖，步距20m。模擬上行開采，下部8煤層開挖穩(wěn)定后，開采上部7煤層。如下圖4所示。由于煤層開采后，頂?shù)装迤茐淖冃问茏呦蜷_挖長(zhǎng)度影響較小，其頂板裂隙帶、底板破壞帶均在開切眼附近發(fā)育最大，因此可取較小的走向開挖長(zhǎng)度進(jìn)行模擬。

圖4 分段開挖的煤層

2.3 模擬結(jié)果分析

體積應(yīng)變的大小，近似反應(yīng)了巖體中裂隙的發(fā)育程度，裂隙的發(fā)育程度取決于以下幾個(gè)方面：

（1）巖層中裂隙的發(fā)育程度與位置有關(guān)，越靠近采面裂隙越發(fā)育。

（2）巖體中裂隙的發(fā)育程度還取決于巖性與巖層厚度，薄層軟弱巖體（粘土巖及煤），厚層的中硬巖（以粉砂巖為代表）易于產(chǎn)生裂隙；厚層的堅(jiān)硬巖體（細(xì)、中、粗砂巖）阻隔裂隙向上或向下發(fā)展。

煤層頂板結(jié)構(gòu)對(duì)裂隙發(fā)育具有重要控制作用。巖層組合中，薄的軟弱巖層所在的部位，成為應(yīng)力集中有效消減帶，裂隙擴(kuò)展至其中而終止，難以繼續(xù)擴(kuò)展向上。依據(jù)對(duì)自然界構(gòu)造現(xiàn)象的觀察研究得出，劈理在不同巖性界面上發(fā)生折射，低能干性巖石中（如泥頁巖）劈理與層面的夾角較小。裂隙發(fā)展至軟弱巖層，若折射為與層面小角度相交的破裂面，其向下、向下導(dǎo)通的能力大大減弱。厚層的中硬巖（粉砂巖）及薄層的堅(jiān)硬巖，是裂隙最易產(chǎn)生的層位，裂隙向上、向下導(dǎo)通性強(qiáng)。厚層的堅(jiān)硬巖體抗剪、抗拉性能好，不易于裂隙產(chǎn)生，裂隙擴(kuò)展至其邊界而終止。

煤層開采后頂?shù)装鍞U(kuò)容區(qū)及體積應(yīng)變的特征，可以反應(yīng)采動(dòng)對(duì)覆巖破壞的影響程度。試驗(yàn)表明，軸向應(yīng)變超過0.001時(shí)巖石滲透性顯著，體積應(yīng)變按照軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的平均計(jì)算，以應(yīng)變超過0.001作為頂板裂隙帶劃分依據(jù)，以應(yīng)變超過0.01作為強(qiáng)烈變形成帶劃分依據(jù)。

煤層開采后頂?shù)装鍞U(kuò)容區(qū)及體積應(yīng)變的特征，可以反應(yīng)采動(dòng)對(duì)覆巖破壞的影響程度。試驗(yàn)表明，軸向應(yīng)變超過0.001時(shí)巖石滲透性顯著，體積應(yīng)變按照軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的平均計(jì)算，以應(yīng)變超過0.001作為頂板裂隙帶劃分依據(jù)，以應(yīng)變超過0.01作為強(qiáng)烈變形成帶劃分依據(jù)。

數(shù)值模擬上行開采，北2采區(qū)8煤層開采將在頂板以上75m的范圍內(nèi)產(chǎn)生裂隙帶，穿過煤5頂板含水組；8煤層開采在頂板以上38m的范圍內(nèi)產(chǎn)生的顯著破壞區(qū)，在7煤層上下層位，對(duì)7煤層開采造成影響。

8煤層開采穩(wěn)定后開采7煤層，考慮運(yùn)算時(shí)間問題，一次開采走向120m。如圖所示。單獨(dú)開采8煤層，裂隙區(qū)發(fā)育至Top15，高度75m；8煤層開采后上行開采7煤層，裂隙區(qū)發(fā)育至Top17，高度增加了4m。單獨(dú)開采8煤層，強(qiáng)烈變形區(qū)發(fā)育至Top9，高度38m；上行開采7煤層后強(qiáng)烈變形區(qū)發(fā)育至Top10，高度40 m。由此可見，7煤層上行開采后，導(dǎo)致頂板裂隙區(qū)向上擴(kuò)展，可能導(dǎo)通新的上層含水層。

3 上行開采建議及措施

下層煤層開采布置巷道安插為了使上層煤時(shí)間一定時(shí)候后不出現(xiàn)大起伏波浪達(dá)到，到達(dá)充分下沉移動(dòng)，便于上層煤回采，干凈的開采下層煤是其關(guān)鍵［3］。即：

（1）下層煤應(yīng)采用長(zhǎng)壁采煤法開采，頂板管理采用全部垮落法或充填法管理。

（2）同時(shí)為了避免在殘余煤柱邊緣上層煤產(chǎn)生大的錯(cuò)動(dòng)、扭曲，下層煤開采盡量不要留設(shè)殘余煤柱，最好采用無煤柱開采，或者只留設(shè)隔離采空區(qū)的隔離煤柱，隔離煤柱在下層煤采后垮塌［4］。

（3）為了避免在下層煤停采線處上層煤和巖層產(chǎn)生大的斷裂，布置在下層煤中的采區(qū)上、下山巷道兩側(cè)的煤柱最好進(jìn)行回收開采。

依據(jù)采場(chǎng)上覆巖層的移動(dòng)變形規(guī)律，以及下層煤開采對(duì)上層煤及圍巖的影響，上層煤開采的技術(shù)措施如下：

（1）上層煤回采巷道最好采用內(nèi)錯(cuò)式布置，使工作面巷道位于下層煤采空區(qū)范圍內(nèi)。

（2）上層煤的回采和掘進(jìn)應(yīng)在下部煤層開采引起的覆巖移動(dòng)變形趨于穩(wěn)定后進(jìn)行。

（3）工作面支架。由于下層煤開采破壞上層煤覆巖的完整性，降低了上層煤覆巖的自承能力，采煤工作面支架承受的壓力加大，故工作面支架要具有更大的支撐力。由于煤層底板破碎，特別是松軟的煤層底板，其抗壓強(qiáng)度降低，故要求工作面支架的底板比壓要小。支架的架型應(yīng)按照破碎頂板進(jìn)行選擇，要增加支架前探梁的支護(hù)強(qiáng)度，增加護(hù)煤幫機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，支架的前探梁和護(hù)煤機(jī)構(gòu)要及時(shí)有效支撐頂板和煤幫。

（4）超前支護(hù)?；夭上锏莱爸ёo(hù)距離應(yīng)不小于30～40m，要增加超前支護(hù)頂板面積，減少底板的比壓，在支架的回撤、支護(hù)中采用相應(yīng)的安全保證措施。

（5）工作面頂板管理。

4 結(jié)論

通過對(duì)東歡坨礦的近距離煤層的上行開采分析中可知，8煤層開采對(duì)7煤層底板具有較強(qiáng)影響，上行開采受到影響；近距離7煤層、8煤層開采頂板裂隙帶高度達(dá)到煤5頂板強(qiáng)含水層；7煤層裂隙帶可能高于8煤層裂隙帶，上行開采時(shí)可能易導(dǎo)通新的含水層，需重視頂板水害預(yù)防。

［1］ 李明.錢家營(yíng)礦上行安全開采技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.沈陽：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009.

［2］ 張宏偉，韓軍，海立鑫，等.近距煤層群上行開采技術(shù)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30（1）：63－67.

［3］ 牛寶玉.近距離煤層群上行開采設(shè)計(jì)研究［J］.煤，2011，（8）：61－63.

［4］ 王永巖，羅帥，岳彩虹，等.滲流對(duì)泥質(zhì)頁巖蠕變規(guī)律的影響［J］.煤礦安全，2009，（1）：85－87.