低煤層煤柱回采率與頂板和地表沉降研究

李 慧

（大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

0 引言

煤柱的回采意味著地表的沉降，如果煤層深度小于100m，沉降可能大。房柱回采沉陷預(yù)測(cè)非常復(fù)雜，取決于剩下的殘余煤柱的大小以及高度和回撤煤柱的狀態(tài)，與殘余柱的強(qiáng)度也有關(guān)。殘余柱的強(qiáng)度與開挖方法(鉆爆法或機(jī)械法)有關(guān)[1,2]。大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司礦區(qū)內(nèi)的一些整合的小煤礦，采煤方法以前為房柱開采法，其煤柱回采率越高，煤柱變形和頂板位移越大。以此建立頂板沉降預(yù)測(cè)模型，與實(shí)測(cè)沉降進(jìn)行了對(duì)比。

1 現(xiàn)場(chǎng)采礦實(shí)踐和觀察

由于礦山的總產(chǎn)量較低，公司研究通過提高煤柱回采率來提高煤炭采收率。在試驗(yàn)過程中進(jìn)行了多次回采實(shí)踐的迭代，并將此方法應(yīng)用于研究礦井。最初，只有一側(cè)煤柱回采了2m深。即回采前煤柱尺寸為7m×7m，回采后柱尺寸為7m×5m。該回采方式的采收率約為65%。圖1煤柱（B柱）為公司原回采后煤柱圖和現(xiàn)公司改進(jìn)回采后煤柱A。

公司決定推進(jìn)更高效的回采應(yīng)用，挖掘更大體積的煤柱。第一次切割后，從礦柱上再挖出2m×5m的二次切割，將礦柱尺寸減小到只有5m×5m（圖1 A礦柱），改進(jìn)后面板的全部采收率提高到75%～80%。

圖1 原回采后煤柱圖B和現(xiàn)改進(jìn)回采煤柱圖A

圖2 工作面板爆破區(qū)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖2 為改進(jìn)后面板和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。實(shí)施爆破后柱子的最終形狀不是方形，這是由爆破過程失控造成。圖2為變形后柱子的最終形狀A(yù)和開采階段柱的形狀B。煤柱面積變化較大16～33m2之間，預(yù)計(jì)目標(biāo)面積為25m2。爆破后平均柱面積為23.27m2，標(biāo)準(zhǔn)差為4.88m2。每根柱子的最終形狀和強(qiáng)度也是不同的。爆破作業(yè)對(duì)煤柱完整性的另一影響為：在爆破過程中，部分激波仍留在煤柱內(nèi)，導(dǎo)致削弱剩余的支柱強(qiáng)度。

圖3實(shí)際頂板沉降監(jiān)測(cè)值

圖3 為沉降區(qū)域的收斂監(jiān)測(cè)。當(dāng)工作面位于T36時(shí)，工作面后5～6排柱子開始擠壓，頂板沉降速度快，沉降量變大，如圖3（a）所示。失效的跡象是煤柱開始破裂。擠壓發(fā)生的非常快，之后頂板沉降率下降，最終在兩個(gè)月內(nèi)穩(wěn)定下來，如圖3（b）所示。在煤柱破壞過程中，對(duì)地表面沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。三個(gè)月后沉降達(dá)到平衡（如圖4所示）。

圖4 實(shí)際測(cè)量地表沉降值

2 支柱力量

采用Mark and Chase 2013年研究的煤柱穩(wěn)定性（ARMPS）軟件設(shè)計(jì)工具分析設(shè)計(jì)煤柱，煤層強(qiáng)度輸入為6.5MPa[2]。煤層強(qiáng)度采用Satyanarayana I等人提出的反向分析方法。在Satyanarayana I等人的研究中，在145m的覆巖層深度下，采用高1.3m的5m×5m方柱進(jìn)行面板試驗(yàn)。在這次測(cè)試中，柱子沒有失效。據(jù)此估算煤體強(qiáng)度為6.5MPa[3,4]。

在本文重點(diǎn)研究的面板中，開發(fā)柱為7m×7m，剩余柱為5m×5m。Satyanarayana I等人進(jìn)行的面板試驗(yàn)與公司改進(jìn)回采煤柱面板試驗(yàn)的區(qū)別是：改進(jìn)后的5m×5m煤柱是由煤柱兩側(cè)的兩組連續(xù)爆破而產(chǎn)生的結(jié)果（圖1中A煤柱）。

采用與ARMPS相同的反向分析方法，必須降低柱的強(qiáng)度，才能發(fā)生煤柱破壞。由于煤柱尺寸確實(shí)發(fā)生了變化，導(dǎo)致煤柱強(qiáng)度發(fā)生變化。表1顯示了由ARMPS估計(jì)的各柱的安全系數(shù)（SF）及爆破后的煤柱強(qiáng)度，省略一部分?jǐn)?shù)據(jù)。

7m×7m計(jì)算開采煤柱和兩個(gè)計(jì)劃的回采煤柱尺寸的SF：兩個(gè)削減為（7m×5m）和兩個(gè)削減為（5m×5m）的回采煤柱。對(duì)于這些估計(jì)，使用較低的煤強(qiáng)度5MPa與原假設(shè)6.5MPa，見表2。

表1 各煤柱回采后SF值

表2 不同煤柱尺寸、不同煤柱強(qiáng)度的安全系數(shù)

3 沉降模擬

根據(jù)研究人員所描述的經(jīng)驗(yàn)方法，頂板與底板完全匯合的情況下，地表最大下沉量為頂板下降高度的80%[1]。然而，煤柱限制了頂板的運(yùn)動(dòng)，降低了頂板的總沉降量。從圖3可以看出，頂板最大沉降點(diǎn)約為40cm，是原始柱高1.3m的30.7%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)測(cè)地表最大沉降是32cm，比實(shí)際地表測(cè)量值19.5cm大12.5cm。

3.1 數(shù)值模擬

為了建立一個(gè)數(shù)值模型來模擬面板上方的完整運(yùn)動(dòng)，考慮了所有覆巖層和煤層。圖1和圖2顯示了建模柱子的幾何形狀。

數(shù)值模型的目的是模擬面板沉降區(qū)域上方的煤柱擠壓和巖石運(yùn)動(dòng)。Plaxis3D是用來模擬沉降，使用真實(shí)的開采和殘余柱子的形狀如圖2所示。模擬擠壓煤柱的材料特性減少到模擬爆破效果（見表3和圖2），材料屬性定義了基于鉆孔地質(zhì)特征描述和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的煤層特性。

表3 數(shù)值模型中巖石層的力學(xué)性質(zhì)

利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的柱狀幾何圖形建立了兩種模型，模擬了開采和回采過程。根據(jù)監(jiān)測(cè)圖（圖3）可知，煤柱塑性點(diǎn)少，豎向位移小，在回撤過程中，爆破效果降低了煤柱強(qiáng)度。圖5和圖6分別給出了開發(fā)階段和后退階段塑性點(diǎn)、豎向位移和豎向應(yīng)力的模型結(jié)果。

圖5 煤柱在開采階段的塑性點(diǎn)、頂板豎向位移和豎向應(yīng)力

圖5 為開采模型結(jié)果。煤柱周圍有少量塑性點(diǎn)，柱中心的豎向應(yīng)力與柱周圍的豎向應(yīng)力相差不大。說明由于鉆爆開挖，柱子的損傷很小。

圖6 煤柱在回采階段的塑性點(diǎn)、頂板豎向位移和豎向應(yīng)力

從圖6中可以看出，煤柱周圍大量塑性點(diǎn)，柱中心的豎向應(yīng)力與柱周圍的豎向應(yīng)力相差較大。說明由于爆破開挖，導(dǎo)致煤柱強(qiáng)度受到較大破壞。圖6還表明，模型中煤柱破壞時(shí)的頂板最大位移52cm比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值40cm大12cm。這表明更大的頂板和地表沉降是可能的。

4 結(jié) 論

對(duì)監(jiān)測(cè)到的沉降和煤柱SF進(jìn)行了反向分析和數(shù)值模擬。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上標(biāo)定的數(shù)值模型與井下觀測(cè)到的殘余煤柱的行為一致。因此，可以模擬不同的柱幾何形狀和回采序列。同時(shí)研究表明，由于殘余煤柱和低煤層導(dǎo)致實(shí)際沉降量低于常規(guī)預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)的沉降量。