王東升

(大同煤礦集團同地益晟煤業(yè)有限公司,山西 大同 037008)

大同煤礦集團同地益晟煤業(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,蹬空后是否滿足開采的條件,是否可以安全的進行蹬空開采作業(yè),必須通過理論分析以及數(shù)值模擬等方法進行安全可行性論證,研究上煤層開采后所造成的底板采動破壞深度,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,采用蹬空開采的方式,是為了保證礦井生產(chǎn)的安全性，采用保護層的開采方式,對確保該礦的生產(chǎn)效益和效率有著重要的意義。

國內(nèi)外在蹬空開采的研究及實踐方面得到的主要成果是關于開采層間距、開采主要影響因素、在各類型煤層中試驗與應用蹬空開采的方式方法。通過對國內(nèi)和國外上行開采現(xiàn)狀和開采技術的分析對比,結合劉明杰,李冬偉等[1]的研究狀況,我礦采用采動影響倍數(shù)法、“三帶”判別法和圍巖平衡法對蹬空開釆頂?shù)装迤茐奶卣鬟M行了研究,根據(jù)礦壓三帶、三區(qū)理論和實驗室數(shù)據(jù)模擬實驗,研究分析煤層采用上行開采的可行性。同時，掌握我礦煤層“三帶”分布規(guī)律，上行開采頂板控制技術、上行開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，快速推進優(yōu)化技術,對我礦開采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#煤層的蹬空開采主要是受11-3#煤層采空區(qū)的影響,本次論證主要針對11-3#煤層采空區(qū)對上覆煤層產(chǎn)生的蹬空現(xiàn)象進行研究。

11-3#煤層除井田東側無采空區(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)的承載能力會比走向長壁采煤法要有所提升。大量資料及現(xiàn)場經(jīng)驗表明,長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重。所以,為了提高蹬空開采的安全系數(shù),同時也由于11-3#煤層中具體的房柱留設位置較難探明,以下論證皆假設11-3#煤層在采空區(qū)范圍內(nèi)大面積垮落。

2 蹬空開采可行性理論分析

由于受煤層采動影響,上覆巖層原巖應力狀態(tài)被打破,開始出現(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,各分帶的厚度與結構形態(tài)與煤層傾角、采厚、上覆巖層性態(tài)、采煤方法等因素有關。結合益晟礦的實際情況,按照《煤礦特殊條件開采暫行管理辦法》所提供的采動影響倍數(shù)法、“三帶”判別法以及圍巖平衡法,分別對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采所產(chǎn)生的底板采動破壞帶深度進行綜合分析,進一步研究益晟礦蹬空開采的可采煤層范圍[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采后的影響范圍,需將11-3#煤層上覆巖層進行分組。根據(jù)益晟礦的地層結構,11-3#煤層以上100 m范圍內(nèi)可以劃分為7個巖層組,具體分組情況如表1所示。

表1 覆巖組合結構劃分Table 1 Composite structure division for overlying strata

2.1 采動影響倍數(shù)法

采動影響倍數(shù)法是基于采高與層間距的比值大小進行蹬空開采可行性判斷經(jīng)驗手法,其依據(jù)是采動影響倍數(shù)K與我國蹬空開采的實踐經(jīng)驗值相比較,進而來評價蹬空開采是否可行。我國蹬空開采的實踐及研究成果證明:當綜合比值Kz>6.3時,可正常進行蹬空開采。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采可行性較高的煤層。

2.2 “三帶”判別法

“三帶”判別法認為,當下煤層垮落帶高度大于或等于上下煤層層間距時,上煤層的整體性將遭到嚴重破壞,無法進行蹬空開采;當層間距小于或等于下煤層裂隙帶高度時,上煤層只發(fā)生中等程度破壞,采取一定措施后可正常進行蹬空開采;當層間距大于裂隙帶高度時,上煤層只發(fā)生整體性移動,結構未遭到破壞,可正常進行蹬空開采[4]。

根據(jù)大量現(xiàn)場實測經(jīng)驗判斷,中等堅硬的覆巖結構最終的裂隙帶發(fā)育高度與采厚的比值一般不超過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與壓煤開采規(guī)范》中提供的裂隙帶計算公式按覆巖的巖性分堅硬、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,可用如下公式進行計算:

(1)

式中:Hli為裂隙帶高度,m;M為開采煤層厚度,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#煤層開采后所產(chǎn)生的裂隙帶高度約為25.78 m,與大量的現(xiàn)場實測經(jīng)驗公式所計算出的結果相符。

所以,根據(jù)“三帶”判別法,有理由認為,11-2#及其以下煤層處于裂隙帶之中,上行開采的可行性較低。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,蹬空開采的關鍵就是控制上覆巖層的臺階錯動,采場上覆巖層中具有一定厚度而且強度較高的巖層是控制上覆巖層移動的關鍵。若采場上覆巖層中有堅硬的平衡巖層時,上煤層應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#煤層底板是一層堅硬的粉砂巖,厚度達到15.23 m，可作為11-1#煤層的平衡巖層,能夠抑制11-3#煤層開采所引發(fā)的臺階錯動,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采可行性較高的煤層。

2.4 開采后底板破壞帶深度分析

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

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》中的實測資料統(tǒng)計結果表明,煤層底板破壞深度與開采深度及工作面傾向長度均成正比關系:

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

(2)

式中:h1為底板采動破壞帶深度,m;H為采深,m;α為煤層傾角,°;L為工作面斜長,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°;工作面斜長取160 m;帶入式(2)中可得出在10-2#煤層開采后工作面所造成的底板采動破壞深度為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×高),共劃分6 916個單元,固定左右及模型底部邊界的位移。頂部施加2 MPa的垂直應力以模擬上覆巖層自重。模型初始平衡后對11-3#煤層進行開挖。由于11-3#煤層大部分以采空,故本次模擬開采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]。

通過計算,在11-3#煤層開采并達到平衡狀態(tài)后的巖層狀態(tài)見圖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,結合理論分析以及數(shù)值模擬研究結果,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,上行開采的可行性較低。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model diagram

圖2 達到平衡狀態(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×高),共劃分67 200個單元,固定左右及模型底部邊界的位移。頂部施加2 MPa的垂直應力以模擬上覆巖層自重。模型初始平衡后對10-2#煤層進行開挖,目的在于得出煤層開挖后底板的破壞深度[7]。

圖3 模型示意圖Fig.3 Model diagram

通過計算,得出見圖4的塑性區(qū)范圍。從結果可以看出,在10-2煤層開挖后,開采造成底板破壞帶高度為17 m。綜合考慮下層煤層開采所產(chǎn)生的裂隙帶高度以及上層煤開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采安全可行性較高的煤層,可以進行蹬空開采。

圖4 塑性區(qū)范圍Fig.4 Plastic zone

4 結論

綜上所述,為充分保障蹬空開采的安全性,應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#煤層開采所產(chǎn)生裂隙帶高度與上覆煤層開采所產(chǎn)生底板擾動破壞帶深度之和的煤層劃分為蹬空開采可行的煤層。通過理論計算以及數(shù)值模擬研究,為確保蹬空開采的安全可行,在理論分析與數(shù)值模擬的結論中取所得結果的最大值,總結如下:

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采所產(chǎn)生的裂隙帶高度以及上層煤開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采安全可行性較高的煤層,可以進行蹬空開采。