王志強(qiáng)

（山西焦煤有限責(zé)任公司西山煤電東曲煤礦，山西 古交 030200）

南屯煤礦經(jīng)過(guò)30多年的高強(qiáng)度開(kāi)采，礦井煤炭資源迅速減少，礦井邊角煤逐步增加。七采區(qū)主采3上、3下煤層，基礎(chǔ)儲(chǔ)量1512.6萬(wàn)t，有效可采儲(chǔ)量1060.0萬(wàn)t。七采中部的73上03（西）、73上05（西）、7307（西）三個(gè)邊角煤工作面賦存條件復(fù)雜，其主要特征表現(xiàn)為：（1）塊段形狀的不規(guī)則性：有三角形、梯形、弦弧形、樹(shù)葉形等；（2）煤厚變化的不穩(wěn)定性：即受斷層、沖刷帶等地質(zhì)因素的影響，煤厚變化大；（3）開(kāi)采條件的復(fù)雜性：即周邊受采空區(qū)或斷層構(gòu)造帶等因素影響，開(kāi)采壓力大，頂板破碎，受水、火、瓦斯等自然災(zāi)害威脅。因此，邊角煤開(kāi)采技術(shù)水平將對(duì)煤炭資源回收率的高低起到?jīng)Q定性作用，也將直接影響到煤礦的可持續(xù)發(fā)展前景。

1 工程概況

七采區(qū)中部邊角煤塊段南、北面為采空區(qū)，東、西部靠近七采區(qū)軌道、運(yùn)輸和回風(fēng)上山。該部分邊角煤煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，煤層最大厚度為5.91m，最小厚度為5.3m，平均厚度為5.21m。煤層傾角最大為10°，最小為3°，平均傾角為6°。工作面布置如圖1所示。

七采區(qū)現(xiàn)有的邊角煤賦存條件主要有以下特點(diǎn)：（1）煤層3上和3下平均厚度分別為5.5m和3.5m，屬厚煤層，且厚度變化大，3上煤層3.29～7.85m，3下煤層2～4.15m。（2）工作面區(qū)段規(guī)模較小，而且成不規(guī)則階梯形塊段較多，可分為比較規(guī)則和不規(guī)則塊段。比較規(guī)則塊段走向長(zhǎng)度一般在400～660m，不規(guī)則的塊段一般在20～200m，傾斜長(zhǎng)度不超過(guò)100m。工作面長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，一般不超過(guò)80m。（3）礦區(qū)內(nèi)存在大量的老空冒落區(qū)，頂板完整性差。由于南屯煤礦目前剩余的邊角煤塊段形狀的不規(guī)則性，而且有些邊角煤塊段一側(cè)是采空區(qū)，有些兩側(cè)都是采空區(qū)甚至少數(shù)的幾塊周?chē)枪聧u形狀，因此工作面的煤層和上方的巖層承受的是高應(yīng)力區(qū)。基于高應(yīng)力條件下的開(kāi)采，這種情況會(huì)導(dǎo)致頂煤（頂板）的破碎程度以及斷層帶破碎區(qū)的范圍增大，從而增加了頂板控制的難度。

圖1 七采中部邊角煤塊段工作面布置

2 推進(jìn)方向?qū)ぷ髅娴V壓顯現(xiàn)的規(guī)律

由上述可知，七采區(qū)邊角煤層和上方巖層承受的是高應(yīng)力。為提高工作面開(kāi)采的安全性，本文選擇FLAC3D模擬軟件分析不同推進(jìn)方向?qū)ぷ髅嫔细岔敯宓V壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，為工作面安全開(kāi)采提供理論支撐。

2.1 模型建立及模擬過(guò)程

模擬依據(jù)南屯煤礦73上03（西）工作面地質(zhì)條件，將該工作面及其周邊已采的73上03、73上05、73上06工作面簡(jiǎn)化為900m×800m×400m（長(zhǎng)×寬×高）模型，分析不同推進(jìn)方向?qū)ぷ髅嫔细岔敯宓V壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響。模型頂部為自由邊界，四周及模型底部限制位移移動(dòng)，僅允許模型發(fā)生垂直方向位移，頂部施加均布載荷，采用摩爾庫(kù)倫模型。本模擬過(guò)程為：將73上03（西）周邊三個(gè)工作面按開(kāi)采時(shí)間先后依次回采，通過(guò)運(yùn)算平衡后，分別選取背向和面向七采區(qū)上山方向進(jìn)行邊角煤開(kāi)采的模擬研究，并分析不同回采方向?qū)聧u梯形工作面覆巖運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，確定合理回采方向。模擬各巖層塊體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 模型巖石物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 73上03（西）孤島梯形工作面回采前狀態(tài)分析

根據(jù)73上03（西）孤島梯形工作面回采前狀態(tài)模擬結(jié)果分析可知：73上03（西）孤島梯形工作面在回采之前其整個(gè)煤巖體已產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度最高的區(qū)域分別為該工作面被73上06、73上05采空區(qū)共同夾持的三角地帶和該工作面位于73上03、73上05采空區(qū)夾角地帶。這兩部分區(qū)域應(yīng)力集中程度都達(dá)到了1.8倍的原巖應(yīng)力，其中梯形工作面的三角形部分高應(yīng)力區(qū)域面積要遠(yuǎn)大于矩形部分，這種差異的產(chǎn)生說(shuō)明了采場(chǎng)周邊采空區(qū)殘余支承壓力的疊加作用區(qū)域的范圍受采空區(qū)自身形狀影響很大。由圖3可知，73上03（西）孤島梯形工作面靠近周邊采空區(qū)側(cè)煤體長(zhǎng)期受采空區(qū)殘余支承壓力作用已經(jīng)進(jìn)入了塑性階段，此時(shí)煤體自身強(qiáng)度降低，承載能力下降，這與圖2中垂直應(yīng)力值處于降低區(qū)吻合。

圖2 工作面回采之前垂直應(yīng)力

圖3 工作面回采之前塑性區(qū)分布

2.2.2 7不同回采方向超前支承壓力分布規(guī)律

由圖4可以看出，73上03（西）孤島梯形工作面在不同回采方向下，其工作面煤壁前方支承壓力峰值隨推進(jìn)距離增加而產(chǎn)生的變化趨勢(shì)差異很大。當(dāng)工作面推進(jìn)方向是背向七采上山推進(jìn)時(shí)，工作面前方煤壁支承壓力峰值隨開(kāi)挖距離的增加而增長(zhǎng)，并且峰值的增長(zhǎng)速率基本一致。另一種回采方向下，在工作面開(kāi)挖距離小于220m時(shí)，工作面前方煤壁支承壓力峰值隨開(kāi)挖距離的增加呈緩慢增大趨勢(shì)，但當(dāng)工作面開(kāi)挖距離超過(guò)220m后，峰值隨開(kāi)挖距離的增大而增長(zhǎng)的速率顯著加大，此時(shí)的增長(zhǎng)速率與背向七采上山回采下基本相同。兩種回采方向下工作面開(kāi)挖距離均小于100m時(shí)，在開(kāi)挖相同距離的情況下，面向七采上山回采工作面前方支承壓力峰值要大于背向七采上山回采，但是兩種回采方向下工作面前方支承壓力峰值之差的絕對(duì)值卻隨著開(kāi)挖距離的增加而減小。當(dāng)工作面開(kāi)挖距離大于100m后，在開(kāi)挖相同距離的情況下，面向七采上山回采工作面前方支承壓力峰值均小于背向七采上山回采，兩種回采方向下工作面前方支承壓力峰值之差的絕對(duì)值隨開(kāi)挖距離的增加而增長(zhǎng)。當(dāng)工作面開(kāi)挖距離超過(guò)200m后，兩種回采方向下工作面前方支承壓力峰值之差的絕對(duì)值隨開(kāi)挖距離的增加基本保持不變。

圖4 不同回采方向超前支承壓力峰值與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

2.2.3 73上03（西）不同回采方向塑性區(qū)分布規(guī)律

如圖5，選取兩種回采方向下工作面各自推進(jìn)180m后，工作面前面塑性區(qū)變化圖背向七采上山回采控頂區(qū)域頂板塑性破壞范圍要大于面向七采上山回采，在這一階段，背向七采上山回采工作面頂板較面向七采上山維護(hù)難度加大，而工作面前方煤體塑性區(qū)范圍也大于面向七采上山回采，這有利于頂煤破壞從而提高采出率。

2.3 綜合結(jié)果分析

由上述分析可知，由于73上05、73上06采空區(qū)殘余支承壓力疊加影響要大于73上03、73上05采空區(qū)殘余支承壓力疊加影響，在開(kāi)采推進(jìn)100m前面向七采區(qū)上山推進(jìn)煤壁前方支撐壓力大于背向七采區(qū)上山壓力，但是超出100m時(shí)結(jié)果反之，且工作面前面塑性區(qū)范圍也大于面向七采區(qū)上山推進(jìn)的范圍，煤層前方應(yīng)力集中也較小，發(fā)生沖擊危險(xiǎn)傾向也較小，且本煤層采用的是放頂煤開(kāi)采，因此選擇背向采區(qū)上山推進(jìn)的方向進(jìn)行孤島邊角煤開(kāi)采。

圖5 不同回采方向下相同推進(jìn)距離工作面塑性區(qū)對(duì)照?qǐng)D

3 結(jié)論

（1）73上03（西）工作面回采之前受周邊已采工作面的影響，整個(gè)工作面煤體出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，且73上05、73上06采空區(qū)殘余支承壓力疊加影響要大于73上03、73上05采空區(qū)殘余支承壓力疊加影響，應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)到了1.8。

（2）通過(guò)對(duì)兩種回采方向下支承壓力分布、頂煤冒放性對(duì)比，最終確定73上03（西）工作面回采方向?yàn)楸诚蚱卟缮仙交夭伞?/p>