范經(jīng)天，謝建林，龐杰文，郝永江，柳 凱

（太原科技大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

近年來(lái)，因國(guó)家資源整合，中小型煤礦兼并改造政策的實(shí)施，要求許多小型礦井合并重組，從而進(jìn)行更加完善的規(guī)劃和利用。目前，整合重組的礦井存在大量蹬空儲(chǔ)煤區(qū)域，然而蹬空開(kāi)采區(qū)域會(huì)受到已開(kāi)采區(qū)域的影響，可能會(huì)出現(xiàn)裂隙發(fā)育、煤體整體彎曲下沉的情況，存在一定危險(xiǎn)性，會(huì)極大增大巷道掘進(jìn)和回采過(guò)程中頂板管理難度。在我國(guó)大多數(shù)礦井中，依據(jù)煤層分布情況，一般的采煤順序?yàn)閺纳系较麻_(kāi)采，即下行開(kāi)采[1-2]，煤層初采之后形成的采空區(qū)，位于現(xiàn)采煤層上方。然而，由于考慮我國(guó)當(dāng)前的采煤工藝、采煤設(shè)備以及資源利用等原因[3]，經(jīng)常會(huì)優(yōu)先開(kāi)采煤質(zhì)較好、圍巖情況較好的煤層，在這種情況下，上部煤層就會(huì)被擱置。綜合考慮我國(guó)當(dāng)前的煤炭市場(chǎng)、煤炭資源儲(chǔ)備情況，回采上方擱置的煤層才能讓煤炭資源得到充分的利用。先采標(biāo)高低的煤層，后采標(biāo)高高的煤層，這種方法稱(chēng)為上行開(kāi)采，即蹬空開(kāi)采[4-5]。下部煤層采空之后，會(huì)對(duì)上部煤層的開(kāi)采產(chǎn)生影響，圍巖應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致開(kāi)采過(guò)程中頂?shù)装鍞嗔哑扑椋踔链竺娣e懸空，造成嚴(yán)重的頂板事故，同時(shí)造成吸附的瓦斯釋放，引起瓦斯和煤塵爆炸等一系列問(wèn)題，增大開(kāi)采危險(xiǎn)性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煤炭科研專(zhuān)家對(duì)蹬空開(kāi)采可行性進(jìn)行了大量研究，侯文高[6]研究了朱子埠煤礦17煤蹬空開(kāi)采效益，發(fā)現(xiàn)煤壁前方可能出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)，同時(shí)工作面支柱載荷和頂板下沉量呈周期性變化，提出了蹬空區(qū)域可采的理論開(kāi)采條件和開(kāi)采建議。張學(xué)東[7]使用概率分析法對(duì)蹬空去底板變形規(guī)律進(jìn)行預(yù)判，同時(shí)用圍巖平衡法、“三帶”判別法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法等方法論證蹬空區(qū)域開(kāi)采可行性，構(gòu)建了蹬空采煤的理論架構(gòu)。劉常榮等[8]研究了張家礦薄煤層蹬空開(kāi)采區(qū)域的綜采工作面的頂?shù)装鍓毫σ?guī)律，得出頂?shù)装鍛?yīng)力集中現(xiàn)象可由支架工作阻力表示，并給出了特殊回采工藝和方法。馬菁花等[9]研究了蹬空開(kāi)采時(shí)工作面在不同推進(jìn)距離下的頂板圍巖變形特點(diǎn)、頂板來(lái)壓步距，垮落情況及液壓支架承載特點(diǎn)，得出頂板變形程度大小規(guī)律。劉超軍等[10]對(duì)開(kāi)采中期、后期和停采后圍巖變形情況等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出圍巖變形速率明顯小于停采后穩(wěn)定條件下的圍巖變形速率，蹬空開(kāi)采區(qū)域下方煤柱可以有效穩(wěn)定工作面煤體應(yīng)力分布，從而提高資源利用率。屯蘭煤礦在井田南部受2 煤回采影響，形成了02 煤的部分蹬空，需分析其可采性，為屯蘭礦儲(chǔ)量計(jì)算統(tǒng)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

井田位于太原西山煤田的西北部、馬蘭向斜的東翼。地層傾向南南西，傾角2°～15°，從井田整體構(gòu)造形態(tài)看，呈一走向北北東～北北西傾向南西～南東的波浪狀單斜構(gòu)造，有少量寬緩褶皺，但次一級(jí)小型波狀褶曲發(fā)育，斷層較多且成組出現(xiàn)，井田內(nèi)的主要構(gòu)造為斷層和陷落柱，其次為褶皺。

礦井采用“兩斜一立”綜合開(kāi)拓方式，設(shè)計(jì)+750 m、+650 m 兩個(gè)水平開(kāi)采，現(xiàn)生產(chǎn)水平為+750 m 水平，+650 m 為接替水平。根據(jù)屯蘭煤礦地質(zhì)資料可知，02煤層厚0.00～2.32 m，平均0.78 m。井田北半部02 號(hào)煤層發(fā)育不好，多處出現(xiàn)尖滅區(qū)，蘊(yùn)藏區(qū)煤層厚度由井田北部向南部逐漸增厚，大部分可采區(qū)位于井田南部。02 煤的頂?shù)装宥酁樯百|(zhì)泥巖，泥巖或粉砂巖。2 煤頂板以砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，次為細(xì)粒砂巖和炭質(zhì)泥巖，底板以炭質(zhì)泥巖為主，次為砂質(zhì)泥巖。

結(jié)合礦井采掘現(xiàn)狀，目前02 煤存在蹬空的區(qū)域分布在井田南部，主要受2 號(hào)煤層回采影響。蹬空區(qū)鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 蹬空區(qū)鉆孔參數(shù)

2 02 號(hào)煤層被蹬空煤炭資源可采性理論分析

影響上行開(kāi)采的主要因素有：煤層間距、層間結(jié)構(gòu)、層間巖性、煤層厚度、采高、采煤方法、開(kāi)采間隔、煤層傾角等[11]。蹬空開(kāi)采可行性論證的理論判別方法有比值判別法、“三帶”判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法、經(jīng)驗(yàn)公式分析法和頂?shù)装迤茐囊?guī)律實(shí)測(cè)法[12-13]，本文擬采用比值判別法、圍巖平衡法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)02 煤層蹬空可行性進(jìn)行分析。

2.1 比值判別法

比值判別法[12]是通過(guò)分析采動(dòng)影響倍數(shù)及綜合采動(dòng)影響倍數(shù)及上覆巖層的巖性，判定煤層是否可進(jìn)行蹬空開(kāi)采。其中，采動(dòng)影響倍數(shù)K 是指上下煤層的層間距H 與下煤層采高M(jìn) 之比，見(jiàn)公式（1）、圖1。

圖1 兩層煤層蹬空順序開(kāi)采的比值判別

式中：K 為上下煤層層間距與下煤層采厚的比值；H為上下煤層層間距，m；M2為下位m2煤層的采厚，m。

我國(guó)蹬空開(kāi)采的大量研究數(shù)據(jù)表明：當(dāng)上、下煤層之間為堅(jiān)硬巖層且K≥8 時(shí)，上層煤蹬空開(kāi)采可行；當(dāng)上、下煤層之間為中硬巖層且K≥7.5 時(shí)，上層煤蹬空開(kāi)采可行；當(dāng)上、下煤層之間為軟弱巖層且K≥7 時(shí)，上層煤蹬空開(kāi)采可行。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中對(duì)覆巖巖性的判定依據(jù)可知02 煤層和2 煤層之間巖層屬于中硬巖層。將煤層厚度、層間距等數(shù)據(jù)帶入公式（1）計(jì)算，結(jié)果如表2 所示，K 值均小于7.5，因此02 煤蹬空開(kāi)采不可行。

表2 02 煤蹬空區(qū)可采性比值判別法結(jié)果

2.2 圍巖平衡法

平衡巖層是指在回采過(guò)程中不產(chǎn)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象的平衡巖層結(jié)構(gòu)。蹬空開(kāi)采會(huì)破壞煤巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，上覆煤巖受到橫向和縱向剪切拉伸破壞，產(chǎn)生大量煤層裂隙，導(dǎo)致煤層被破壞，但是煤層裂隙會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)慢慢閉合，縱向剪切變形會(huì)引起無(wú)煤層臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)，是影響蹬空開(kāi)采的主要因素?？刂瓶v向剪切變形，就是蹬空區(qū)域圍巖壓力平衡問(wèn)題。圍巖平衡高度[12]是下煤層頂板至平衡巖層頂板的高度，見(jiàn)公式（2）。

式中：M 為下煤層煤厚，m；hp為平衡巖層本身的厚度，m；K1為距煤壁L（來(lái)壓步距）處的巖石碎脹系數(shù)。

采用圍巖平衡法判別開(kāi)采可行性時(shí)，需要考慮煤層之間的巖性，K1取值為1.1，平衡巖層厚度取4.8 m。將各數(shù)值代入公式（2），計(jì)算蹬空開(kāi)采必要層間距HP，結(jié)果如表3 所示，02 煤與2 煤的層間距均小于蹬空開(kāi)采必要層間距，因此02 號(hào)煤層不具備開(kāi)采可行性。

表3 02 煤蹬空區(qū)可采性圍巖平衡法結(jié)果

2.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法

北京開(kāi)采所劉天泉院士[13]通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法出求出了受下部一個(gè)煤層采動(dòng)影響的蹬空開(kāi)采的必要層間距H 計(jì)算公式，見(jiàn)公式（3）。

式中：M 為下煤層煤厚，m；MS為上煤層煤厚，m。

將2 號(hào)煤采高與02 號(hào)煤厚度代入公式（3），計(jì)算受下部一個(gè)煤層采動(dòng)影響的蹬空開(kāi)采的必要層間距H，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。02 煤與2 煤的層間距基本均小于蹬空開(kāi)采必要層間距，因此區(qū)域內(nèi)02 號(hào)煤層不具備開(kāi)采可行性。

表4 02 煤蹬空區(qū)可采性數(shù)理統(tǒng)計(jì)法結(jié)果

2.4 02 煤蹬空區(qū)域可采性綜合分析

經(jīng)上述方法判定，比值判別法、圍巖平衡法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法判定結(jié)果均為02 煤不符合可采判別依據(jù)，因此綜合判定02 煤蹬空區(qū)域不具備可采性。

3 02 號(hào)煤層被蹬空煤炭資源可采性數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)屯蘭煤礦煤層賦存情況，建立FLAC3D 仿真模型，如圖2 所示。模型尺寸為300 m×320 m×260 m，共有74 層巖層，8 種巖性。巖石力學(xué)參數(shù)如表5所示。模型共劃分948 000 個(gè)單元，1 013 549 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型施加初始應(yīng)力，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比為1.2∶1。自上而下為遞增應(yīng)力，垂直應(yīng)力梯度為2.5×10-2MPa/m，水平應(yīng)力梯度為3.0×10-2MPa/m。根據(jù)礦方所提供的地質(zhì)資料，2 煤埋深約為325 m，計(jì)算可知模型上部均布荷載為4.63 MPa，模型的前、后、左、右四側(cè)采用鉸支邊界?？紤]數(shù)值模擬的邊界效應(yīng)問(wèn)題，模型四周各留50 m 煤柱用以消除開(kāi)挖模型帶來(lái)的邊界影響，工作面沿Y 方向布置，工作面長(zhǎng)度為220 m，X 方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向。

圖2 模型圖

表5 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬方案

模擬計(jì)算分為兩步，第一步：在初始應(yīng)力條件下，模型運(yùn)算至平衡狀態(tài)，模擬巖層開(kāi)挖前的狀態(tài)；第二步：2 煤層開(kāi)挖，每開(kāi)挖10 m，進(jìn)行一次運(yùn)算，共開(kāi)挖200 m，以此分析煤層開(kāi)挖后上覆巖層的破壞規(guī)律以及其對(duì)上層煤的影響。

3.3 2 煤回采對(duì)02 煤的影響分析

圖3 為2 煤工作面推進(jìn)10、40、80、120、160、200 m時(shí)塑性區(qū)分布圖。由圖3 可以看出，工作面推進(jìn)10 m時(shí)，工作面上覆巖層受到剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力作用，作用范圍是工作面上方直接頂；工作面推進(jìn)40 m 時(shí)，工作面上覆巖層發(fā)生不同程度的剪切和張拉破壞，導(dǎo)致工作面直接頂密閉性被破壞；直接頂上方細(xì)砂巖和粉砂巖巖層應(yīng)力區(qū)域趨于穩(wěn)定，未受到破壞，之上的砂質(zhì)泥巖受剪切應(yīng)力影響；工作面推進(jìn)80 m 時(shí)，上方粉砂巖發(fā)生程度較大的張拉破壞，直接頂砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖受到剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力作用，工作面兩端發(fā)生較深的剪切破壞區(qū)域，高度為12.4 m，影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅鎯啥艘詢(xún)?nèi)9 m，作用范圍為工作面上方直接頂、基本頂和之上的粉砂巖，最高破壞區(qū)域?yàn)楣ぷ髅鎯啥艘詢(xún)?nèi)15 m 位置的17.6 m 高處；工作面推進(jìn)120 m 時(shí)，塑性破壞高度穩(wěn)定，不再向上擴(kuò)展，橫向繼續(xù)延伸，張拉破壞作用厚度由4.5 m 延伸到9 m，影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅鎯啥艘詢(xún)?nèi)6 m；工作面推進(jìn)160 m 時(shí)，位于基本頂上方的粉砂巖受到張拉破壞的區(qū)域趨于穩(wěn)定，張拉破壞作用厚度約為10 m，影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅鎯啥艘詢(xún)?nèi)4 m；工作面推進(jìn)200 m 時(shí)，位于基本頂上方的粉砂巖張拉破壞區(qū)域穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有變化，影響區(qū)域?yàn)槌龉ぷ髅鎯啥? m；煤層開(kāi)采后，上覆巖層沉降離層，頂板受到破壞。

圖3 2 煤回采過(guò)程中上覆巖層塑性破壞圖

圖4 為2 煤回采時(shí)上覆巖層塑形破壞區(qū)的高度變化曲線(xiàn)，由圖可以看出，工作面推進(jìn)至60 m 時(shí)，塑形破壞區(qū)高度達(dá)到18.8 m，之后塑形破壞高度穩(wěn)定，不再向上擴(kuò)展，而在橫向方向延伸。

圖4 2 煤回采過(guò)程中塑形破壞區(qū)高度變化曲線(xiàn)

2 煤與02 煤之間的層間距平均厚度為14.3 m，小于18.8 m，02 煤位于2 煤回采后形成的破壞區(qū)域內(nèi)，如果在02 煤被蹬空區(qū)域內(nèi)布置工作面，其危險(xiǎn)性大，不具備開(kāi)采可行性。

4 結(jié)論

以屯蘭煤礦為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析以及數(shù)值模擬等多種研究手段，對(duì)02 號(hào)煤層上行開(kāi)采的可行性進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究結(jié)論具體如下：

1）采用比值判別法、圍巖平衡法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)02 煤層被蹬空煤炭資源的可采性進(jìn)行判別，結(jié)果表明2 煤層回采后，02 煤層無(wú)法蹬空開(kāi)采。

2）采用FLAC3D 數(shù)值仿真軟件，模擬2 煤回采后上覆巖層的破壞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)2 煤層回采后，02 煤位于2 煤回采后形成的破壞區(qū)域內(nèi)，如果在02 煤被蹬空區(qū)域內(nèi)布置工作面，其危險(xiǎn)性大，不具備開(kāi)采可行性。