上行開采油頁巖回采巷道合理位置確定分析＊

楊永杰 馬德鵬 解洪兵

（山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國家重點實驗室培育基地，山東省青島市，266590）

上行開采作為一種特殊順序的開采方法，不僅應(yīng)用于深部及構(gòu)造影響下的卸壓開采，而且越來越多地應(yīng)用于采空區(qū)上方遺留煤層的回采，特別是在一些煤炭資源逐步枯竭的礦井。許多學(xué)者對單煤層、近距離煤層群、殘采區(qū)上行開采及上行開采巷道支護方面做了大量研究，得到了許多成果，然而在上行開采回采巷道合理掘進位置方面的研究較少，特別是在油頁巖上行開采的過程中。

本文采用現(xiàn)場實測、概率積分法預(yù)計及數(shù)值模擬等方法，分析油頁巖上行開采底板變形與破壞規(guī)律，確定回采巷道的合理位置，以保證回采巷道的穩(wěn)定性。

1 開采地質(zhì)條件

北皂煤礦是褐煤與油頁巖共生礦井，主要可采煤層為2＃煤層，其上部油頁巖發(fā)熱量和焦油產(chǎn)率較高，是一種經(jīng)濟環(huán)保的綠色原料，目前2＃煤層基本回采完畢，油頁巖的開采屬上行開采。礦井煤系地層屬于三軟地層，但油頁巖為致密堅硬層狀結(jié)構(gòu)，韌性大，平均厚度5 m。1301 油頁巖工作面位于2＃煤層2101工作面上方23m，2101工作面走向長度430m 左右，傾斜長度150m，煤層平均厚度約3.6m，煤層標高-355～-371.4m。

2 采場覆巖破壞規(guī)律探測

為獲得2＃煤層開采后覆巖破壞狀況，進而研究此地質(zhì)條件下油頁巖上行開采的可行性及合理的回采巷道布置位置，2101工作面開采前在油頁巖層布置觀測巷道，向2101工作面上方的覆巖內(nèi)打傾斜鉆孔，采用雙端堵水器進行觀測。

觀測時設(shè)置2個觀測面，即2＃煤層開采前觀測面及開采后觀測面，如圖1所示。兩個觀測面之間夾角為30°，每個觀測面均設(shè)置5個觀測孔，兩觀測面鉆孔除方位角夾角為30°外，其余鉆孔要素全部相同，如表1所示。

圖1 觀測鉆孔布置圖

以2＃孔為例進行分析，2＃采前孔觀測結(jié)果表明，巖層的原始滲透性較小，除去最靠近孔口的點外，最大注水漏失量只有6.6L／min，而且滲流段較少，如圖2所示。這說明巖層的原始連通型裂隙不發(fā)育，這是軟巖性質(zhì)決定的。

2＃采后孔在鉆孔斜長為6.1 m 時流量明顯增大，進入裂隙帶內(nèi)，直至22.8m 處，鉆孔最大注水漏失量為9.6L／min，相對采前孔注水漏失量只增加了3L／min，可知裂隙帶內(nèi)裂隙發(fā)育程度較低。

表1 鉆孔施工要素

圖2 2＃孔注水漏失量圖

其余鉆孔的觀測結(jié)果處理方式與2＃鉆孔類似，綜合各探測鉆孔的觀測成果，2101 工作面覆巖裂隙帶高度為28.3m，冒落帶發(fā)育高度為11m，發(fā)育形態(tài)如圖3所示。

圖3 裂隙發(fā)育形態(tài)圖

由觀測結(jié)果可得，油頁巖位于2＃煤層冒落帶以外、裂隙帶以內(nèi)，但位于裂隙帶的頂部靠近彎曲下沉帶。由于巖層屬于軟巖地層，所以煤層雖然會產(chǎn)生裂隙，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞程度不明顯，可進行上行開采。

在開采邊界處，覆巖彎曲變形的曲率最大，所以開采邊界處的裂隙發(fā)育高度最大；在開采邊界外側(cè)，彎曲變形的覆巖處于拉伸狀態(tài)，容易產(chǎn)生張開型裂隙，因此，裂隙帶側(cè)向邊界外凸，外凸寬度在14m 左右，可求出2＃煤層開采影響邊界角為58.6°。

3 油頁巖底板采動破壞預(yù)計

為了獲得2＃煤層采出后油頁巖底板的變形情況，采用概率積分法進行預(yù)計分析。根據(jù)已有巖移觀測成果，工作面回采后地表最大下沉系數(shù)為0.93，由于此次預(yù)計的是油頁巖底板的破壞情況，油頁巖與2＃煤層的平均距離23m，所以取下沉系數(shù)為1，水平移動系數(shù)為0.3，主要影響角正切值為1.4。

圖4 油頁巖層下沉剖面圖

按最大下沉系數(shù)為1 進行預(yù)計，在油頁巖與2＃煤層間距23m 的情況下沿其傾斜主斷面作下沉剖面圖，如圖4所示。受2＃煤層的開采影響，油頁巖產(chǎn)生較大的變形破壞，最大下沉值為3.6 m，2＃煤層兩邊開采邊界影響范圍分別為14.7 m 和15.2m。不同位置煤層變形狀態(tài)不同，位于采空區(qū)中間上部油頁巖底板呈平緩的盆地形態(tài)下沉，連續(xù)性較好，而位于采空區(qū)邊緣部分在邊界影響下則易產(chǎn)生裂隙，且裂隙難以閉合，形成臺階式下沉，最大沉降角度達15°。因此，在油頁巖中布置回采巷道時應(yīng)位于開采邊界影響范圍以外。

4 油頁巖應(yīng)力與變形規(guī)律數(shù)值模擬

2＃煤層距離油頁巖層底板較近，其開采對油頁巖的整體性產(chǎn)生影響，采用UDEC 數(shù)值計算軟件對油頁巖變形規(guī)律進行模擬分析。

4.1 數(shù)值模擬計算

根據(jù)地層情況建立上行開采數(shù)值模型，模型水平方向長度為150m，垂直方向為105m，其中2＃煤層厚度為3.6m，油頁巖層厚度為5m，模型水平方向兩側(cè)及下部邊界為固定邊界，在上部邊界均勻施加6.8 MPa垂直方向應(yīng)力用以模擬模型上部約270 m 巖層壓力，采用莫爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，巖石力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果分析

2＃煤層開采后油頁巖層及其鄰近巖層的塑性區(qū)分布如圖5 所示，2＃煤層開采后，其開采邊界影響范圍 （即裂隙帶外凸寬度）約為15 m，影響角約為56°，包括油頁巖在內(nèi)的覆巖產(chǎn)生了明顯的垂直位移，最大位移量約為3.6 m，接近2＃煤層厚度，油頁巖的整體性受到影響，在采動影響范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯的塑性破壞和拉伸破壞。油頁巖距2＃煤層開采邊界小于0.5倍采動影響范圍時，巖層運動以拉伸運動為主，邊界在0.5～1倍采動影響范圍時，巖層移動以滑移運動為主。

圖5 塑性區(qū)分布圖

5 回采巷道合理位置確定

綜合裂隙帶觀測結(jié)果、概率積分法預(yù)計及數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，2＃煤層開采邊界巖層移動范圍平均約為15 m，平均影響角約為55°，受下部2＃煤層開采影響，油頁巖產(chǎn)生 變形破壞，距離2＃煤層采空區(qū)邊界位置不同，油頁巖的變形狀況不同，因此回采巷道所處的位置不同，在油頁巖采動影響期間其穩(wěn)定性將會有較大的差異。

當巷道與2＃煤層開采邊界的平面距離小于等于7.5m 時，即在距2＃煤層開采邊界0.5倍采動影響范圍以內(nèi)，由于巷道圍巖處于巖層嚴重的拉伸變形破壞區(qū)，圍巖的穩(wěn)定性較差。

當巷道位于2＃煤層開采邊界平面距離大于7.5m、小于15 m 時，巷道圍巖處于巖層滑移變形區(qū)，圍巖的穩(wěn)定性相對較好。

當巷道位于2＃煤層采動影響范圍15 m 以外時，巷道所處位置的圍巖變形較小，圍巖的穩(wěn)定性最好，此處為巷道布置的最佳位置。

6 結(jié)論

（1）實測2＃煤層采動裂隙帶高度約28.3 m，油頁巖位于2＃煤層冒落帶以外，裂隙帶以內(nèi)，但裂隙發(fā)育程度較低，油頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞程度不明顯，可進行上行開采。

（2）受2＃煤層開采影響，油頁巖產(chǎn)生較大的變形破壞，最大下沉值為3.6m，位于采空區(qū)中間上部油頁巖底板呈平緩的盆地形態(tài)下沉，連續(xù)性較好，位于采空區(qū)邊緣部分在邊界影響下形成臺階式下沉。

（3）油頁巖在采動影響范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯的塑性破壞和拉伸破壞，在距2＃煤層開采邊界小于0.5倍開采影響的范圍內(nèi)，巖層運動以拉伸運動為主，在0.5～1倍開采影響的范圍內(nèi)，巖層移動以滑移運動為主。

（4）2＃煤層采動影響范圍 （裂隙帶外凸寬度）平均約為15m，平均影響角約為55°，油頁巖回采巷道應(yīng)布置在開采影響范圍 （15m）以外。

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