工作面推進方向對孤島邊角煤復采的影響分析

王志強

（山西焦煤有限責任公司西山煤電東曲煤礦，山西 古交 030200）

南屯煤礦經過30多年的高強度開采，礦井煤炭資源迅速減少，礦井邊角煤逐步增加。七采區主采3上、3下煤層，基礎儲量1512.6萬t，有效可采儲量1060.0萬t。七采中部的73上03（西）、73上05（西）、7307（西）三個邊角煤工作面賦存條件復雜，其主要特征表現為：（1）塊段形狀的不規則性：有三角形、梯形、弦弧形、樹葉形等；（2）煤厚變化的不穩定性：即受斷層、沖刷帶等地質因素的影響，煤厚變化大；（3）開采條件的復雜性：即周邊受采空區或斷層構造帶等因素影響，開采壓力大，頂板破碎，受水、火、瓦斯等自然災害威脅。因此，邊角煤開采技術水平將對煤炭資源回收率的高低起到決定性作用，也將直接影響到煤礦的可持續發展前景。

1 工程概況

七采區中部邊角煤塊段南、北面為采空區，東、西部靠近七采區軌道、運輸和回風上山。該部分邊角煤煤層賦存相對穩定，結構較為簡單，煤層最大厚度為5.91m，最小厚度為5.3m，平均厚度為5.21m。煤層傾角最大為10°，最小為3°，平均傾角為6°。工作面布置如圖1所示。

七采區現有的邊角煤賦存條件主要有以下特點：（1）煤層3上和3下平均厚度分別為5.5m和3.5m，屬厚煤層，且厚度變化大，3上煤層3.29～7.85m，3下煤層2～4.15m。（2）工作面區段規模較小，而且成不規則階梯形塊段較多，可分為比較規則和不規則塊段。比較規則塊段走向長度一般在400～660m，不規則的塊段一般在20～200m，傾斜長度不超過100m。工作面長度不宜過長，一般不超過80m。（3）礦區內存在大量的老空冒落區，頂板完整性差。由于南屯煤礦目前剩余的邊角煤塊段形狀的不規則性，而且有些邊角煤塊段一側是采空區，有些兩側都是采空區甚至少數的幾塊周圍是孤島形狀，因此工作面的煤層和上方的巖層承受的是高應力區。基于高應力條件下的開采，這種情況會導致頂煤（頂板）的破碎程度以及斷層帶破碎區的范圍增大，從而增加了頂板控制的難度。

圖1 七采中部邊角煤塊段工作面布置

2 推進方向對工作面礦壓顯現的規律

由上述可知，七采區邊角煤層和上方巖層承受的是高應力。為提高工作面開采的安全性，本文選擇FLAC3D模擬軟件分析不同推進方向對工作面上覆頂板礦壓顯現規律的影響，為工作面安全開采提供理論支撐。

2.1 模型建立及模擬過程

模擬依據南屯煤礦73上03（西）工作面地質條件，將該工作面及其周邊已采的73上03、73上05、73上06工作面簡化為900m×800m×400m（長×寬×高）模型，分析不同推進方向對工作面上覆頂板礦壓顯現規律的影響。模型頂部為自由邊界，四周及模型底部限制位移移動，僅允許模型發生垂直方向位移，頂部施加均布載荷，采用摩爾庫倫模型。本模擬過程為：將73上03（西）周邊三個工作面按開采時間先后依次回采，通過運算平衡后，分別選取背向和面向七采區上山方向進行邊角煤開采的模擬研究，并分析不同回采方向對孤島梯形工作面覆巖運動的影響規律，確定合理回采方向。模擬各巖層塊體力學參數見表1所示。

表1 模型巖石物理力學參數

2.2 模擬結果分析

2.2.1 73上03（西）孤島梯形工作面回采前狀態分析

根據73上03（西）孤島梯形工作面回采前狀態模擬結果分析可知：73上03（西）孤島梯形工作面在回采之前其整個煤巖體已產生了一定程度的應力集中，應力集中程度最高的區域分別為該工作面被73上06、73上05采空區共同夾持的三角地帶和該工作面位于73上03、73上05采空區夾角地帶。這兩部分區域應力集中程度都達到了1.8倍的原巖應力，其中梯形工作面的三角形部分高應力區域面積要遠大于矩形部分，這種差異的產生說明了采場周邊采空區殘余支承壓力的疊加作用區域的范圍受采空區自身形狀影響很大。由圖3可知，73上03（西）孤島梯形工作面靠近周邊采空區側煤體長期受采空區殘余支承壓力作用已經進入了塑性階段，此時煤體自身強度降低，承載能力下降，這與圖2中垂直應力值處于降低區吻合。

圖2 工作面回采之前垂直應力

圖3 工作面回采之前塑性區分布

2.2.2 7不同回采方向超前支承壓力分布規律

由圖4可以看出，73上03（西）孤島梯形工作面在不同回采方向下，其工作面煤壁前方支承壓力峰值隨推進距離增加而產生的變化趨勢差異很大。當工作面推進方向是背向七采上山推進時，工作面前方煤壁支承壓力峰值隨開挖距離的增加而增長，并且峰值的增長速率基本一致。另一種回采方向下，在工作面開挖距離小于220m時，工作面前方煤壁支承壓力峰值隨開挖距離的增加呈緩慢增大趨勢，但當工作面開挖距離超過220m后，峰值隨開挖距離的增大而增長的速率顯著加大，此時的增長速率與背向七采上山回采下基本相同。兩種回采方向下工作面開挖距離均小于100m時，在開挖相同距離的情況下，面向七采上山回采工作面前方支承壓力峰值要大于背向七采上山回采，但是兩種回采方向下工作面前方支承壓力峰值之差的絕對值卻隨著開挖距離的增加而減小。當工作面開挖距離大于100m后，在開挖相同距離的情況下，面向七采上山回采工作面前方支承壓力峰值均小于背向七采上山回采，兩種回采方向下工作面前方支承壓力峰值之差的絕對值隨開挖距離的增加而增長。當工作面開挖距離超過200m后，兩種回采方向下工作面前方支承壓力峰值之差的絕對值隨開挖距離的增加基本保持不變。

圖4 不同回采方向超前支承壓力峰值與工作面推進距離關系圖

2.2.3 73上03（西）不同回采方向塑性區分布規律

如圖5，選取兩種回采方向下工作面各自推進180m后，工作面前面塑性區變化圖背向七采上山回采控頂區域頂板塑性破壞范圍要大于面向七采上山回采，在這一階段，背向七采上山回采工作面頂板較面向七采上山維護難度加大，而工作面前方煤體塑性區范圍也大于面向七采上山回采，這有利于頂煤破壞從而提高采出率。

2.3 綜合結果分析

由上述分析可知，由于73上05、73上06采空區殘余支承壓力疊加影響要大于73上03、73上05采空區殘余支承壓力疊加影響，在開采推進100m前面向七采區上山推進煤壁前方支撐壓力大于背向七采區上山壓力，但是超出100m時結果反之，且工作面前面塑性區范圍也大于面向七采區上山推進的范圍，煤層前方應力集中也較小，發生沖擊危險傾向也較小，且本煤層采用的是放頂煤開采，因此選擇背向采區上山推進的方向進行孤島邊角煤開采。

圖5 不同回采方向下相同推進距離工作面塑性區對照圖

3 結論

（1）73上03（西）工作面回采之前受周邊已采工作面的影響，整個工作面煤體出現了應力集中現象，且73上05、73上06采空區殘余支承壓力疊加影響要大于73上03、73上05采空區殘余支承壓力疊加影響，應力集中系數最高達到了1.8。

（2）通過對兩種回采方向下支承壓力分布、頂煤冒放性對比，最終確定73上03（西）工作面回采方向為背向七采上山回采。