劉 熙

晉能控股集團 李陽煤業(yè)有限公司, 山西 晉中 032701)

煤層群開采一般情況下采用先采上煤層再采下煤層從上而下的開采方式。但有時由于地質構造和經濟等特殊原因,采取自下而上的開采方法。這樣會形成開采工作面下方為采空區(qū),為提高資源利用率,分析研究采空區(qū)上覆煤層的破壞程度及其可采性,很有必要。

通過采用現場原位實測、理論計算、數值模擬等方法對山西某礦5-2煤層房柱式采空區(qū)條件下上覆2-2、3-2煤層開采可行性進行研究。

1 礦井地質條件

山西某礦井田煤層傾角1°～3°,其中可采煤層2層,分別為2-2煤層、3-2煤層。其下方5-2煤層采用房柱式采煤法開采,采5 m留8 m,相距3-2煤層80 m. 2-2、3-2煤層采用長壁綜合機械化采煤法開采。各煤層分布見圖1,各煤層賦存特征見表1.

圖1 上行開采煤層分布圖

2-2煤層為區(qū)內的主采煤層,與3-2煤層的間距較穩(wěn)定,約50 m. 2-2煤層可采面積4.69 km2,煤層厚2.10～2.50 m,平均2.31 m,可采率70%,3-2煤層可采面積4.382 km2,可采率60%,煤層厚度1.05 m. 2-2、3-2煤層厚度變化小,變化規(guī)律明顯。

2 煤房采空區(qū)上覆煤層開采可行性分析

長壁工作面采空區(qū)全部垮落,覆巖破斷過程遵循“三帶”型垮落[1],見圖2. 該礦5-2煤層房式采空區(qū)上覆巖層垮塌過程見圖3. 參照普遍的“三帶”垮落法對5-2煤層房采采空區(qū)上部2-2、3-2煤層開采進行判定。

頂板巖體破碎后垮落至采空區(qū),則填滿整個采空區(qū)垮落所需要的頂板高度為[2-3]:

式中:hk為充滿采空區(qū)所需覆巖高度,m;M為采厚,m;Kp為頂板巖層碎脹系數。

其中下部5-2煤層采厚為3.5 m,碎脹系數Kp為1.2. 代入上式可以得到填滿整個采空區(qū)垮落所需要的頂板高度為17.5 m.

表1 可采煤層特征表

1—冒落帶;2—裂隙帶;3—下沉帶圖2 采空區(qū)“三帶”型垮落圖

根據地質報告可知,房式采空區(qū)上覆與2-2、3-2煤層之間的巖體為中硬巖層,由5-2煤層采高3.5 m,代入下列中硬巖體條件下的公式[4]:

得到冒落帶最大發(fā)育高度Hm=9.87 m,裂隙帶最大發(fā)育高度Hli=28.7 m.

圖3 房式采空區(qū)垮塌過程圖

由于5-2房式采空區(qū)與2-2煤層相距125.5 m,與3-2煤層相距85 m,遠大于以上求得的28.7 m. 說明2-2、3-2煤層遠在5-2煤層冒落帶和裂隙帶以上,因此,上覆2-2、3-2煤層開采不會受到下部采空區(qū)的影響?？梢?5-2采空區(qū)上的2-2、3-2煤層可以安全進行開采。

3 5-2煤層房式采空區(qū)穩(wěn)定性分析

3.1 房柱穩(wěn)定性理論分析計算

目前Bieniawski(1968年)公式應用最為廣泛[5],煤柱強度和寬高比存在如下關系公式:

式中:σp為煤柱強度,MPa;σm為立方體煤柱的原位強度,MPa.

計算得,5-2煤層所留設的煤柱強度為12.9 MPa.

3.2 5-2煤層開采區(qū)房柱穩(wěn)定性驗算

采用輔助面積法進行煤柱平均應力計算[6]. 采空區(qū)煤柱支撐了全部上覆巖體的重量,見圖4. 則煤柱平均應力為:

式中:Sp為煤柱平均應力,MPa;r為覆巖容重20.01 kN/m3;H為5-2煤層采深,m;W為煤柱寬度;B為煤房寬度;L為煤柱長度。將以上參數代入上式得出煤柱應力為6.128 MPa. 綜上可得煤柱穩(wěn)定性安全系數為2.11>2.0,煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 房式采空區(qū)煤柱平均應力計算示意圖

4 數值模擬計算分析

4.1 數值模擬模型的建立

根據實際開采狀況沿煤層走向建立長600 m×高200 m的模型,模型兩側和底部留有一定的固定邊界。建立的有限元數值模型圖見圖5[7]. FLAC3D數值模擬所用的參數見表2. FLAC3D數值模擬選用摩爾-庫侖屈服準則。模型上各煤層均從左側65 m處開始開采。

4.2 模擬結果與分析

1) 下部5-2煤開采后采空區(qū)穩(wěn)定性及上煤層3-2煤層破壞模擬。

圖5 數值模型圖

表2 模擬的煤巖層物理力學參數表

5-2煤利用房柱式采煤法分別開采4組煤房、8組煤房、15組煤房后,5-2煤頂板巖層和上部3-2煤層移動、破壞情況以及應力分別見圖6.

從圖6可看出,5-2煤層頂板巖層和上部3-2煤層最大下沉值約35 mm,上覆煤層移動值較小,連續(xù)性和完整性好。房柱式采煤法開采完后,應力主要集中在中間煤柱內部,且開采中間部位煤房煤柱為主要的應力集中區(qū)域。同時上部3-2煤層處應力連續(xù),表明此煤層開采沒有對上覆3-2煤層造成影響。

圖6 5-2煤層開采覆巖移動及煤柱垂直應力圖

2) 頂部2-2、3-2煤層開采后房采采空區(qū)穩(wěn)定性模擬。

頂部2-2、3-2煤層回采結束后,下伏煤層5-2房式采空區(qū)頂板巖層和房柱煤層移動、破壞情況以及應力見圖7.

從圖7可看出,頂部2-2、3-2煤層工作面進行回采后下方5-2煤層房柱式開采形成的煤柱整體位移變化不大,同時2-2、3-2煤層工作面上覆巖層最大垮落位移為2.31 m且工作面中部下沉量最大。觀測2-2煤層回采后下方3-2煤層沒有發(fā)生任何位移變化。2-2、3-2煤層回采過后,煤層圍巖塑性破壞區(qū)域主要出現在2-2煤層上方,對于下方3-2煤層沒出現任何塑性破壞,同時底部5-2煤層遺留煤柱以及采空區(qū)破壞未增加。2-2煤層回采過后應力重新分布,下伏煤層5-2的采空區(qū)和遺留煤柱應力增高,但3-2煤層所處區(qū)域內應力連續(xù)且變化不大。表明2-2煤層的開采對3-2煤層應力分布影響較弱。

圖7 頂煤2-2、3-2煤層回采后5-2煤柱變化狀態(tài)圖

5 現場效果驗證

整個工程實踐過程中,在上覆煤層進行正常開采的同時,對下部5-2煤層采空區(qū)煤柱進行應力監(jiān)測。在5-2煤層采空區(qū)等距離選取4個煤柱,分別安裝鉆孔應力計,以確保監(jiān)測數據的科學性與準確性。通過對煤柱應力變化情況進行分析,進而驗證模擬結果的準確性。

通過監(jiān)測得出采空區(qū)煤柱鉆孔應力值在上覆煤層開采過程中隨時間的波動曲線,見圖8.

圖8 煤柱應力變化情況圖

從圖8可以看出,4個鉆孔所測應力均介于2.3～4.2 MPa,并且每一個鉆孔應力數據并沒有明顯隨時間變化的趨勢,因此工程活動沒有影響到煤柱的應力,整個過程煤柱完好無損,不影響上覆煤層的正常開采。

6 結 論

1) 分析了山西某礦5-2煤房柱式采空區(qū)條件下進行上覆2-2、3-2煤開采的主要影響因素。在理論上確定了2-2、3-2煤開采在技術上是可行性的。

2) 通過對煤柱穩(wěn)定性系數的理論計算,得到2-2、3-2煤層在開采前其下部的5-2煤層采空區(qū)煤柱安全系數為2.11,處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 通過理論分析、理論計算和FLAC3D數值模擬相結合的研究方法,綜合得出下煤層5-2煤房采空區(qū)對其上部的2-2、3-2煤層沒有影響,2-2、3-2煤層能夠正常開采。