雙系煤層開采上覆遺留煤柱下采場強礦壓機理研究

王少卿

（大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院 山西大同 037003）

0 引言

大同礦區(qū)屬于雙系煤層開采，上部侏羅系煤層開采完畢，現(xiàn)逐步轉(zhuǎn)向下部石炭系特厚煤層開采，煤層厚度11.0 m～23.6 m，雙系層間巖層厚度150 m～200 m，其下屬多個礦井在石炭系特厚煤層開采期間，尤其在推出上覆侏羅系遺留煤柱邊界時易發(fā)生頂板大幅下沉等嚴重的礦壓問題，對礦井的安全高效生產(chǎn)造成極大的危害。掌握此類條件下強礦壓發(fā)生機理及防治對策是大同礦區(qū)亟待解決的技術(shù)難題。當前，有關(guān)過煤柱階段易發(fā)生壓架強礦壓災害的研究主要集中于淺埋近距離煤層開采方面[1-3]，有關(guān)大同礦區(qū)雙系煤層大間距方面的研究較少。本文針對同忻煤礦雙系煤層開采時上覆遺留煤柱下易發(fā)生支架立柱大幅壓縮的礦壓案例，研究此類條件下強礦壓發(fā)生機理及影響因素，為大同礦區(qū)雙系煤層安全開采提供參考。（表1與表2分別為同忻礦某工作面煤層特征以及頂?shù)装鍘r層特性）

表1 煤層特征

表2 煤層頂?shù)装鍘r層特性

1 侏羅系煤柱下采場強礦壓顯現(xiàn)案例

據(jù)大同礦區(qū)特厚煤層綜放工作面壓架事故統(tǒng)計，上覆侏羅系煤層遺留煤柱區(qū)域亦是強礦壓顯現(xiàn)多發(fā)區(qū)域，侏羅系煤層煤柱下開采普遍存在周期來壓強度大、支架阻力高、支架活柱下縮量大，嚴重時甚至誘發(fā)端面漏冒、壓架等強礦壓災害。據(jù)不完全統(tǒng)計，同忻煤礦侏羅系遺留煤柱下開采的強礦壓顯現(xiàn)案例如表3所示。

表3 同忻煤礦侏羅系遺留煤柱誘發(fā)強礦壓顯現(xiàn)案例描述

表3 所述案例表明，大同礦區(qū)上覆侏羅系煤層采空區(qū)遺留煤柱對下伏石炭系特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)存在顯著影響，嚴重威脅著礦井的安全高效生產(chǎn)。因此，有必要研究侏羅系采空區(qū)遺留煤柱對石炭系特厚煤層綜放面強礦壓顯現(xiàn)的誘發(fā)機制，為科學制定上覆遺留煤柱下強礦壓防控對策提供理論依據(jù)。

2 雙系煤層開采出侏羅系遺留煤柱采場壓架機理

特厚煤層綜放工作面推出上覆侏羅系采空區(qū)遺留煤柱過程中，采場強礦壓顯現(xiàn)甚至壓架事故頻繁發(fā)生，這顯然與侏羅系遺留煤柱頂?shù)装鍘r層的活動規(guī)律密切相關(guān)。由于煤柱的存在，其頂板上關(guān)鍵層會在煤柱邊界破斷形成“砌體梁”式的鉸接結(jié)構(gòu)，并承擔著其所控制的那部分巖層的載荷。在下煤層工作面推出煤柱邊界的過程中，此結(jié)構(gòu)的斷裂巖塊必然會產(chǎn)生進一步的回轉(zhuǎn)運動；當這種結(jié)構(gòu)不能維持其自身穩(wěn)定性時，就可能會對下煤層工作面產(chǎn)生沖擊載荷作用，最終造成壓架的發(fā)生，如圖1所示。

圖1 工作面出上覆遺留煤柱階段關(guān)鍵塊體運動示意圖

隨著石炭系煤層工作面逐漸向上覆侏羅系遺留煤柱邊界推進，煤柱上方關(guān)鍵層將逐步發(fā)生周期性破斷回轉(zhuǎn)運動，巖塊之間相互鉸接，最終會在出煤柱邊界形成如圖1（a）所示的三鉸式拱形鉸接結(jié)構(gòu)。顯然，此結(jié)構(gòu)兩側(cè)的C、D 塊體便是控制工作面出煤柱時礦壓顯現(xiàn)的關(guān)鍵塊體，因此，分析兩關(guān)鍵塊體三鉸式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是尋求出煤柱階段工作面壓架機理的關(guān)鍵所在。工作面上方鉸接巖塊可看成是相互鉸合而成的多環(huán)節(jié)鉸鏈，而塊體則可簡化為一個個桿體。因此，圖1（b）中關(guān)鍵塊體的拱形鉸接結(jié)構(gòu)即可簡化為由兩個桿體組成的鉸接結(jié)構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)庫茲涅佐夫的理論，鉸接巖塊間的三鉸結(jié)構(gòu)必須滿足中間節(jié)點高于兩端節(jié)點時，結(jié)構(gòu)才能夠保持穩(wěn)定。而對于出煤柱階段關(guān)鍵塊體形成的拱形鉸接結(jié)構(gòu)，其中間節(jié)點卻是低于兩端節(jié)點的。所以，此結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，它只有靠下部未離層巖層的支撐作用才能保持平衡。

圖2 關(guān)鍵塊體桿式鉸接結(jié)構(gòu)

理論分析高位關(guān)鍵層2及其載荷層厚度之和的極限值處于17.6 m 之內(nèi)時，才能保證高位關(guān)鍵層2 斷裂塊體E鉸接結(jié)構(gòu)不發(fā)生滑落失穩(wěn)[4]，針對同忻煤礦的地質(zhì)開采條件，這在實際情況中顯然是無法滿足的。因此，石炭系3-5#煤層綜放面在推出侏羅系遺留煤柱邊界時，煤層間的關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)是必然的。正是由于煤柱上方關(guān)鍵塊體相對回轉(zhuǎn)運動傳遞的過大載荷才造成了塊體E“砌體梁”結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)，從而導致工作面頂板直接沿斷裂線切落，造成采場強礦壓災害的發(fā)生。

3 上覆遺留煤柱采場強礦壓影響因素的數(shù)值模擬研究

3.1 采高對采場強礦壓的影響

對照同忻煤礦基礎(chǔ)地質(zhì)資料進行簡化，利用UDEC 數(shù)值模擬軟件進行研究，數(shù)值計算模型長600 m，雙系煤層間距150 m，侏羅系煤層厚度7 m，石炭系特厚煤層厚度20 m，雙系煤層之間設(shè)置了三層關(guān)鍵層，厚度分別為20 m、10 m 和8 m，侏羅系煤層頂板賦存一層20 m的堅硬巖層。

制定了5 個不同采高的開采方案，綜放工作面采出厚度分別為10 m、12.5 m、15 m、17.5 m 和20 m。現(xiàn)以方案3即模擬采高為15 m時對應的數(shù)值模擬結(jié)果進行詳細描述。

表4 模型內(nèi)各巖層力學參數(shù)

方案3模擬采用放頂煤開采技術(shù)、采5 m放10 m，支架支撐高度為5 m。侏羅系上煤層采后的圍巖效果見圖3，下煤層工作面過上覆遺留煤柱期間支架立柱的下縮量如圖4所示。由圖4得出，下煤層工作面在推入煤柱之前以及進入煤柱區(qū)域時的支架立柱下縮量基本保持穩(wěn)定，約為1.5 m；當工作面推出上覆煤柱邊界約30 m 時，突然出現(xiàn)了一次支架立柱急劇下縮現(xiàn)象，最大下縮量達2.7 m，與正常開采期間立柱下縮量相差1 200 mm；表明下煤層工作面在推出上覆煤柱邊界時易發(fā)生動載礦壓甚至壓架。

圖3 15m采高條件下上煤層遺留煤柱開采效果

圖4 15m采高過煤柱時支架立柱下縮量變化

5個模擬方案得出推出上覆煤柱邊界時支架立柱對應的最大下縮量如表5所示。當雙系煤層間距保持不變，隨著采高的逐漸增大，在下煤層工作面推出上覆遺留煤柱邊界時支架立柱的下縮量都出現(xiàn)不同程度的增大，而在推入煤柱以及在煤柱下時的礦壓顯現(xiàn)一般比較緩和。由表5 可知，只有當雙系煤層間距與下煤層采高之比（即層間采厚比）大于12倍時，過煤柱邊界時才不會發(fā)生壓架災害。

表5 過煤柱期間不同采高對應支架立柱的下縮量

3.2 層間距對采場強礦壓的影響

以上述方案3 作為基礎(chǔ)模型，固定石炭系下煤層綜放面累計采出高度為15 m，改變雙系煤層之間的間距，模擬分析采高一定時層間距變化對過煤柱階段采場礦壓的影響。總共制定了5 組方案，對應的層間距分別為100 m，125 m，150 m，175 m 和200 m。模擬得出雙系煤層不同間距條件下出煤柱階段工作面支架立柱的下縮量變化如表6所示。

表6 過煤柱期間不同層間距對應支架立柱的下縮量

由表6 可知，當雙系煤層間距與下煤層采高之比（即層間采厚比）小于12倍時，過煤柱邊界時才會發(fā)生壓架災害。

4 強礦壓災害防治對策

根據(jù)前文所述雙系煤層開采下煤層工作面推出上覆遺留煤柱邊界易發(fā)生強礦壓災害機理，在實際回采過程中，可以采取以下措施保障工作面安全高效生產(chǎn)。

（1）開采之前提前優(yōu)化工作面開采設(shè)計，將工作面推進方向與上覆遺留煤柱走向平行或呈一定的夾角、而不是垂直相交。

（2）開采過程中采用地面壓裂或爆破上覆遺留煤柱及其頂板巖層，促使上覆遺留煤柱頂板關(guān)鍵塊體提前發(fā)生破斷回轉(zhuǎn)，從而抑制壓架的發(fā)生。此項具體措施已在同忻煤礦得到了實踐應用[5-6]，效果顯著。

5 結(jié)論

（1）石炭系特厚煤層工作面在推出上覆侏羅系遺留煤柱邊界時，其頂板上方兩個關(guān)鍵塊體所形成的鉸接結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著石炭系煤層開采兩個關(guān)鍵塊體會逐漸發(fā)生相向回轉(zhuǎn)運動，從而導致雙系煤層間的巖層發(fā)生剪切破壞失穩(wěn)，這是大同礦區(qū)雙系煤層開采上覆遺留煤柱下易發(fā)生支架立柱大幅下縮等強礦壓的根本原因。

（2）模擬研究揭示了下煤層采高、雙系煤層間距對上覆遺留煤柱下采場礦壓的影響規(guī)律。只有當雙系煤層間距與下煤層采高之比（即層間采厚比）大于12 倍時，下煤層工作面在推出上煤層遺留煤柱邊界時才不會發(fā)生壓架災害。