東歡坨礦近距離煤層上行開采覆巖變形

劉諦康，渾寶炬，王之東，王慧，夏新茹

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

很多礦區(qū)或礦井因地質勘探不詳、開采技術條件等原因，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途徑，同時還有利于改善采場的穩(wěn)定性及減輕或避免開采過程中的動力顯現(xiàn)。對于開灤東歡坨礦礦井充水強度大、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，以便對頂板強含水層組水壓進行疏降，再開采其上部7煤層的上行開采方式，對近距離煤層上行開采所引起的上覆巖層移動變形進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，位于唐山市豐潤區(qū)南部韓城鎮(zhèn)的西側，東距唐山市區(qū)僅14km，交通運輸十分便捷。該礦為開灤（集團）較新礦井，于1988年開始建設，1997年正式投產，是開灤（集團）今后發(fā)展的主力礦井，2012年完成改擴建工程，生產能力達400萬噸／年。

礦井目前生產采區(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／年的生產能力。西歡坨村和大、小榮各莊3個村莊位于東歡坨礦井工業(yè)廣場的南側，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。上限標高－150m，下限標高－500m，走向長2 560m，傾向長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2284與2288工作面。

2 采面覆巖變形數(shù)值模擬分析

2.1 采動圍巖力學參數(shù)選取

在數(shù)值模擬中，合理選擇材料的力學參數(shù)對模擬結果的準確度起著決定性作用。巖體材料的力學參數(shù)與巖石有關，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）得到一個關于Em的經驗公式：

其中RMR大于55，而Serafim和Pereira（1983）提出一個更吻合的經驗公式：

此外，霍克－布朗（1997）基于節(jié)理特征和塊體聯(lián)接的巖石質量指標（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－布朗巖石質量指標（GSI）可見，以對巖體各方面因素的定性認識為基礎，對其工程特征一定程度加以定量化，即巖體質量評價，是被廣為接受的確定巖體力學參數(shù)思路之一，得到了良好的應用。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

依我國通用標準－工程巖體分級標準對煤層、圍巖進行質量評價與參數(shù)選取，如表2所示。

表2 巖體力學參數(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

計算模型選取的尺寸長、寬、高分別設置為390m、400m和395m。模型網格密度X、Y面為10m×10m，Z軸不均一，依巖層厚度而定。共劃分為88 920個六面體單元，生成網格節(jié)點95 120個。依照地層柱狀，真實模擬22層頂板、14層底板巖層，為減小長方體模型邊角部位應力不均勻，加快運算收斂速度，上下設均質六面體，模型網絡劃分如圖1所示。

圖1 模型網格劃分圖

2.2.2 邊界條件

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

圖2 模型邊界約束

2.2.3 初始應力條件

理想的模型邊界條件與初始條件的設置，是經過平衡運算后，模型中能夠得到與煤層開挖前所處的地應力條件類似的應力環(huán)境。模型經初始應力設置運算后，在走向剖上形成了較為均勻分布的初始擠壓應力狀態(tài)；傾向剖面上應力分布受傾斜地層影響，在巖層傾向端集中。初始應力如圖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，初始應力分布合理。

圖3 值模型初始應力分布圖

2.2.4 開挖

模擬工作面傾向斜長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度進行模擬。

圖4 分段開挖的煤層

2.3 模擬結果分析

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

（1）巖層中裂隙的發(fā)育程度與位置有關，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）易于產生裂隙；厚層的堅硬巖體（細、中、粗砂巖）阻隔裂隙向上或向下發(fā)展。

煤層頂板結構對裂隙發(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，成為應力集中有效消減帶，裂隙擴展至其中而終止，難以繼續(xù)擴展向上。依據(jù)對自然界構造現(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、向下導通的能力大大減弱。厚層的中硬巖（粉砂巖）及薄層的堅硬巖，是裂隙最易產生的層位，裂隙向上、向下導通性強。厚層的堅硬巖體抗剪、抗拉性能好，不易于裂隙產生，裂隙擴展至其邊界而終止。

煤層開采后頂?shù)装鍞U容區(qū)及體積應變的特征，可以反應采動對覆巖破壞的影響程度。試驗表明，軸向應變超過0.001時巖石滲透性顯著，體積應變按照軸向應變與橫向應變的平均計算，以應變超過0.001作為頂板裂隙帶劃分依據(jù)，以應變超過0.01作為強烈變形成帶劃分依據(jù)。

煤層開采后頂?shù)装鍞U容區(qū)及體積應變的特征，可以反應采動對覆巖破壞的影響程度。試驗表明，軸向應變超過0.001時巖石滲透性顯著，體積應變按照軸向應變與橫向應變的平均計算，以應變超過0.001作為頂板裂隙帶劃分依據(jù)，以應變超過0.01作為強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的范圍內產生裂隙帶，穿過煤5頂板含水組；8煤層開采在頂板以上38m的范圍內產生的顯著破壞區(qū)，在7煤層上下層位，對7煤層開采造成影響。

8煤層開采穩(wěn)定后開采7煤層，考慮運算時間問題，一次開采走向120m。如圖所示。單獨開采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。單獨開采8煤層，強烈變形區(qū)發(fā)育至Top9，高度38m；上行開采7煤層后強烈變形區(qū)發(fā)育至Top10，高度40 m。由此可見，7煤層上行開采后，導致頂板裂隙區(qū)向上擴展，可能導通新的上層含水層。

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間一定時候后不出現(xiàn)大起伏波浪達到，到達充分下沉移動，便于上層煤回采，干凈的開采下層煤是其關鍵［3］。即：

（1）下層煤應采用長壁采煤法開采，頂板管理采用全部垮落法或充填法管理。

（2）同時為了避免在殘余煤柱邊緣上層煤產生大的錯動、扭曲，下層煤開采盡量不要留設殘余煤柱，最好采用無煤柱開采，或者只留設隔離采空區(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生大的斷裂，布置在下層煤中的采區(qū)上、下山巷道兩側的煤柱最好進行回收開采。

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

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

（2）上層煤的回采和掘進應在下部煤層開采引起的覆巖移動變形趨于穩(wěn)定后進行。

（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，其抗壓強度降低，故要求工作面支架的底板比壓要小。支架的架型應按照破碎頂板進行選擇，要增加支架前探梁的支護強度，增加護煤幫機構的強度，支架的前探梁和護煤機構要及時有效支撐頂板和煤幫。

（4）超前支護。回采巷道超前支護距離應不小于30～40m，要增加超前支護頂板面積，減少底板的比壓，在支架的回撤、支護中采用相應的安全保證措施。

（5）工作面頂板管理。

4 結論

通過對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7煤層底板具有較強影響，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到煤5頂板強含水層；7煤層裂隙帶可能高于8煤層裂隙帶，上行開采時可能易導通新的含水層，需重視頂板水害預防。

［1］ 李明.錢家營礦上行安全開采技術研究與應用［D］.沈陽：遼寧工程技術大學，2009.

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

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

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