高位巨厚堅硬巖層下煤層的合理開采方法研究

王崇剛

(潞安新疆煤化工(集團)有限公司二礦，新疆 哈密 839003)

0 引言

潞新二礦II102采區位于礦井二水平西部，在一水平I4采區的下部，采用下山開采10煤層。II102采區東以5號勘探線及HF7斷層為界，西以10煤層不可采區為界，上以一水平-475 m西運輸大巷保護煤柱為界，下以-700 m等高線為界。采區走向長2 000～2 670 m，平均2 340 m，傾斜280～900 m，平均700 m，面積1.638 km2。巖漿巖覆蓋在II102采區的上方，其整體表現穩定。根據關鍵層判別軟件KSPB判別，為覆巖的主關鍵層。相關的探測顯示，該巖漿巖呈巖床形式分布在煤體上方。除了部分區域出現褶曲之外，整體分布均勻。

該巖漿巖抗壓強度可達140 MPa，抗拉強度在10 MPa以上。因此，由于巖漿巖的巖體強度高、厚度大，巖漿巖內積聚了大量的彈性能。隨著II102采區的II1022、II1024工作面的繼續推采，巖漿巖內積聚的彈性能進一步變化。由于巖漿巖強度高，不易破斷，而是將應力向采空區煤壁、煤柱傳遞，使這些區域的煤體產生應力集中。一旦這些區域的煤體達到其承載能力，便會將煤體內積聚的能量瞬間釋放出來，造成沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害。因此，探討合理的開采方法成為解決潞新二礦安全生產的重大課題。

1 開采方案模擬分析

1.1 模擬模型建立

沿工作面傾向建立模型，所建模型(長×寬)=1 600 m×402 m。高位巨厚堅硬巖層厚120 m，高位巨厚堅硬巖層與開采煤層之間層間距170 m，模擬3個工作面開采，每個工作面長度160 m，兩工作面之間留設5 m的煤柱。模型中選用的巖層參數參照潞新二礦II102采區的地質資料，建立的數值計算模型如圖1所示。

圖1 高位巨厚堅硬巖層條件下工作面開采通用模型

1.2 模擬開采方案運算

第一個工作面500～660 m一次開采，待運算平衡后，再對第二個工作面665～825 m一次開采，待運算平衡后，再開采第三個工作面830～990 m，直至運算平衡。

圖2 第一、二個工作面開采后高位巨厚堅硬巖層的下沉量

如圖2所示，在第一個工作面開采后，高位巨厚堅硬巖層發生較小的下沉，第二個工作面開采后，隨著采空區面積增大，高位巨厚堅硬巖層繼續下沉，但下沉量不大，僅為0.32 m。通過2個工作面開采后高位巨厚堅硬巖層下沉量，可以判斷出此時高位巨厚堅硬巖層尚未破斷。當開采第三個工作面時，通過采用不同的開采方案，對高位巨厚堅硬巖層的破斷情況進行分析研究，以實現高位巨厚堅硬巖層條件下安全開采。

1.3 模擬垮落法開采

第三個工作面采用垮落法開采時，高位巨厚堅硬巖層急劇下沉，如圖3所示，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量可達2.16 m，說明高位巨厚堅硬巖層發生破斷，此時，工作面易發生沖擊地壓等動力災害。因此，應采取有效措施控制高位巨厚堅硬巖層運動，防止其突然破斷，釋放其積聚的巨大能量。

圖3 垮落法開采第三個工作面高位巨厚堅硬巖層下沉量

1.4 模擬工作面留大煤柱，采用條帶開采

條帶開采是將所要開采的煤層區域劃分成若干個條帶，采用采一條留一條的方式，使留下的煤柱能夠有效地支承上覆巖層載荷，減少地表下沉。由于條帶開采能有效地控制地表坍陷，且采煤過程中增加的成本較少，所以大量的礦井廣泛采用此采煤方法。第二個工作面開采后，在第二個工作面和第三個工作面之間留設70 m的大煤柱，然后再進行第三個工作面的垮落法開采，開采結果如圖4所示，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.54 m，因此，可以判斷出高位巨厚堅硬巖層尚未發生破斷。

圖4 留大煤柱開采第三個工作面高位巨厚堅硬巖層下沉量

1.5 模擬離層區注漿充填開采

實驗及現場實測結果表明，高位巨厚堅硬巖層對地表的移動變形起控制作用。高位巨厚堅硬巖層的破斷將引起地表的快速下沉，地表的下沉速度也隨著高位巨厚堅硬巖層的周期性破斷發生跳躍性變化。通過關鍵層理論，可以對高位巨厚堅硬巖層下由于開采形成的離層區進行注漿，控制高位巨厚堅硬巖層的破斷下沉，實現工作面的安全回采[4-5]。離層技術的關鍵是覆巖中有典型的主關鍵層且離層區發育較好，主關鍵層遠離煤層，處在緩沉帶及以上位置時，才適用于離層注漿緩沉，如圖5所示。

圖5 離層區注漿示意圖

離層區充填之后，工作面兩側煤體所承受的載荷明顯小于未充填時煤體所承受的載荷，支承壓力增高區峰值降低，應力集中系數變小，此時形成“離層充填體+高位巨厚堅硬巖層+煤體”的支承結構，充填體分擔部分載荷，減小了煤體承受的載荷，有效地支承上覆巖層，控制地表沉陷。

兩個工作面開采過程中，對高位巨厚堅硬巖層下方的離層空間進行注漿充填，待運算平衡后，再進行第三個工作面的垮落法開采，直至運算平衡。

在實際注漿過程中，漿體擴散形態極其復雜，且注漿對現場條件的依賴性較強，因此注漿的動態過程不予考慮，而是對覆巖中賦存漿體的最終狀態進行模擬。本節將利用UDEC軟件中SUPPORT單元(即支柱)，將其設置于采動形成的離層之中，用來模擬漿體的充填與支撐作用。用支柱模擬注漿時，用剛度對支柱的增阻特性進行設置。為了使支柱與漿體在力學特性上近似，支柱參數的取值應保證二者的壓縮特性一致。通過現場實測的漿體壓縮特性確定SUPPORT單元參數為：剛度10 GN/m，角度90°，間距1 m，沿離層區水平方向共設置350根支柱。

圖6 采用離層區注漿充填開采第三個工作面高位巨厚堅硬巖層下沉量

如圖6所示，第三個工作面開采后，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.51 m，說明此時高位巨厚堅硬巖層尚未發生破斷，離層區注漿充填開采可有效地控制高位巨厚堅硬巖層的彎曲沉降。

1.6 模擬采空區充填開采

在工作面推采初期，工作面后方出現采空區，此時，可將采空區上覆巖層載荷視為一端由邊界煤柱支撐，另一端由工作面煤壁支撐的簡支梁結構，如圖7所示。隨著工作面的不斷向前推采，煤層頂板在其自重及覆巖載荷作用下，發生彎曲沉降，當沉降到一定位置，充填體開始參與支撐作用，此時，可將該支承結構視為“煤柱-充填體-煤壁”的力學支撐模型[6]。在充填體未參與支撐前，采空區頂板會在其自重及其上覆巖層載荷的作用下發生彎曲變形，當下沉到一定程度，充填體開始參與支撐，此時形成“煤柱-充填體-煤壁”力學結構模型，將上覆巖層載荷分布到多個支撐點上。在充填體參與支撐的情況下，頂板的撓度較小，從而可有效地減緩地表沉陷。

a-充填體作用前頂板受力特征；b-充填體作用后頂板受力特征圖7 頂板的受力特征

采空區充填采用隨采隨充開采方式，模擬第一個工作面充填開采并運算平衡后，再進行第二個工作面的充填開采，待運算平衡后，再進行第三個工作面的垮落法開采，直至運算平衡。

模型中考慮到充填層的壓縮性、充填體的密實程度等是影響上覆巖層活動的重要因素，因此，結合現場充填體實際壓縮率，在數值計算時設定充填體的壓縮率為4%。當采用采空區充填法進行開采時，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.42 m，如圖8所示，可以判斷出高位巨厚堅硬巖層尚未發生破斷。

圖8 采用采空區充填開采第三個工作面高位巨厚堅硬巖層下沉量

2 開采方案綜合分析

采用垮落法開采時，隨著煤層不斷開采，高位巨厚堅硬巖層達到其破斷步距發生破斷，會造成地表沉降量大，損壞地表建筑。并且，高位巨厚堅硬巖層破斷會引發嚴重的動力災害。

從安全、經濟等角度來看，條帶開采缺點明顯。①條帶開采損失了大量的煤炭資源；②條帶開采過程中留設的條帶煤柱的穩定性對條帶開采能否取得理想的效果有極其重要的影響；③煤層開采結束后，留下的孤島煤柱、上山煤柱等將會形成一定的應力集中，在這些區域很容易發生煤柱型動力災害；④條帶開采后留下的煤柱還將會對其它煤層的開采造成應力集中，引發動力災害。

當采空區充填開采煤體時，充填體參與支撐，與采空區周圍煤體形成的“煤柱-充填體-煤壁”力學結構模型，使上覆巖層載荷分布到多個支承點上，有效地控制了上覆巖層運移沉降，因而有效地減緩了地表下沉，但工程量大，技術要求高。

離層區注漿充填開采，離層區注漿充填開采，盡管一次性投入成本較高，但可有效地緩解地表下沉，控制高位巨厚堅硬巖層破斷運移效果更加明顯。

綜上分析，從安全和技術等方面考慮，建議高位巨厚堅硬巖層下開采方案為：離層區注漿充填開采方案。

3 結論

(1)每個工作面開采寬度160 m，第一個工作面開采后地表下沉量很小，第二個工作面開采后地表下沉量有一定增加，但下沉量仍不大，僅為0.32 m，此時高位巨厚堅硬巖層尚未破斷。

(2)第三個工作面采用垮落法開采時，高位巨厚堅硬巖層急劇下沉，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量可達2.06 m，說明高位巨厚堅硬巖層發生破斷。因此，應采取有效措施控制高位巨厚堅硬巖層運動，防止高位巨厚堅硬巖層突然破斷釋放其積聚的巨大能量。

(3)第二個工作面開采后，在第二個工作面采空區與第三個工作面之間留設70 m的大煤柱，再開采第三個工作面后，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.54 m，因此，可以判斷出高位巨厚堅硬巖層尚未破斷。

(4)第一、二個工作面開采過程中進行覆巖離層區充填，第三個工作面開采后，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.54 m，說明此時高位巨厚堅硬巖層尚未破斷。表明離層區充填之后，工作面兩側煤體所承受的載荷明顯小于未充填時煤體所承受的載荷，支承壓力增高區峰值降低，應力集中系數變小，形成了“離層充填體+高位巨厚堅硬巖層+煤體”的支承結構，充填體分擔部分載荷，減小了煤體承受的載荷，有效地支承上覆巖層，控制地表沉陷。

(5)當采用采空區充填法開采時，在充填體參與支承前，上覆巖層載荷勢必會使頂板中間產生較大的撓度，在頂板中間位置彎曲下沉量較大，而充填體參與支承形成的“煤柱-充填體-煤壁”力學結構模型，能將上覆巖層載荷分布到多個支承點上，使頂板的撓度值變小，在此情況下頂板的彎曲下沉量很小，因而可有效地減緩高位巨厚堅硬巖層的沉降。此時，高位巨厚堅硬巖層最大下沉量為0.51 m，可以判斷出高位巨厚堅硬巖層未發生破斷。

(6)通過對比留大煤柱開采、離層區注漿充填開采、采空區充填開采等多種開采方法對高位巨厚堅硬巖層破斷運移影響，考慮安全、技術等因素，確定高位巨厚堅硬巖層條件下煤層開采技術方案為：離層區注漿充填開采方案。