厚煤層殘煤復采礦壓顯現規律研究

路 鑫，宋旭斌，張曉巖

(潞安化工集團有限公司 古城煤礦，山西 長治 046000)

近年來，殘煤復釆在我國越來越引起重視。從理論和技術層面上講，殘煤復釆作為一種較新的特殊開采方法，到目前為止,國內外大多是一些定性的研究，定量的較少。國內在殘煤資源開采工藝、殘煤資源開采經濟效益等方面做了相關研究[1-4]。與此同時，國內學者對殘煤復采工作面的圍巖控制進行了研究[5-8]。然而這些研究很少涉及到工作面在含老巷時礦壓顯現規律。本文以新嶺煤礦地質條件為基礎，研究工作面在通過老巷時的礦壓顯現規律。

1 地質概況

由于新嶺煤礦歷史上各小礦井采煤方法落后，采用巷采方式進行回采，采區回采率不足10%，造成了大量煤炭資源的浪費。工作面煤層賦存有如下特點：

1) 煤層平均較厚，且厚度變化大，如煤層厚度變化3.70～8.96 m，平均5.92 m。

2) 復采工作面區段規模小，一般走向長度300～500 m，傾斜長度較短，一般不超過80 m。

3) 工作面內部存在大量老空垮落區，頂板完整性差。

如采用綜采放頂煤采煤法，在回采過程中將面臨：工作面規模小(平均長度70 m)造成搬家頻繁，從而無法發揮綜放面設備的產能與技術優勢，另外，工作面兩巷道間距變化大造成的延面和縮面問題，以及端面頂板控制靈活性差造成易于冒頂的問題等，嚴重影響工作面的推進速度，容易引起采空區頂煤的自燃，從而帶來安全管理方面的困難。鑒于該礦在炮采放頂煤方面已擁有成熟的生產管理經驗和完善的技術設備，決定選用炮采放頂煤采煤作為工作面復采工藝。

2 厚煤層殘煤復采工作面礦壓規律數值模擬研究

2.1 數值模擬方案

1) 建立模型。以新嶺煤礦復采工作面的地質條件為基礎，建立二維數值計算模型。模型尺寸為240 m×90 m，為了消除邊界效應對模擬結果的影響，模型兩側各留50 m保護煤柱，工作面推進距離為140 m，綜合各因素，模型寬度取240 m，模型垂直方向高度取90 m。模型共取8個完整巖層，自上而下分別是表土層、粉砂巖、砂巖、中砂巖、21號煤、粉砂巖、砂巖和細砂巖，各巖層的厚度修正后分別取14 m、18 m、8 m、4 m、5.92 m、6 m、16 m和18 m。所建數值模型如圖1所示。

圖1 數值模型示意

2) 模型本構關系與巖體屬性參數。根據現有的實驗數據和前人的模擬參數取煤層和各巖層的屬性參數如表1和表2所示。

3) 模擬方案。根據研究需要，進行了以下方案的模擬分析：

方案1：模型在無老巷的影響下求解平衡后，進行開挖，分析工作面在無老巷時礦壓顯現規律。

方案2：模型中開挖寬度為6 m的老巷，模擬老巷平行工作面礦壓顯現規律，求解平衡后進行開挖，對比分析工作面在含老巷時礦壓顯現規律。

方案3：模型中設置寬度為3 m、6 m、9 m和12 m的老巷分別求解平衡后，進行開挖，對比分析不同寬度的老巷對工作面礦壓的影響。

表1 煤巖層力學參數

2.2 不含老巷條件下礦壓顯現規律

上覆巖層的壓力使煤壁遭到破壞，支承壓力極限平衡區在煤壁的附近區域，支承壓力峰值出現在極限平衡區與彈性區的分界點；工作面超前應力分布可以分為三個區，分別為應力降低區、應力增高區與原巖應力區。圖2和圖3分別為21號煤層不含老巷時沿工作面推進方向的支承壓力分布圖和塑性區分布圖。

圖2 超前支承壓力分布圖

從圖2(a)看出工作面開切眼后，工作面超前支承壓力的應力增高并不明顯，隨著工作面的不斷推進，直接頂初次垮落，頂板壓力被傳遞到工作面前方，應力峰值出現在工作面前方約4 m處，如圖2(b)所示；隨著工作面繼續推進，老頂初次垮落，如圖2(c)所示，相比直接頂初次垮落而言，工作面前方應力峰值的位置前移至約4.5 m處，應力增高區范圍增加。

圖3 塑性區分布圖

從圖3中可以看出，工作面開切眼后，只在工作面部分頂煤出現屈服現象，表明工作面開切眼時應力集中現象不明顯，應力接近巖層自重產生的應力大小。隨著工作面的推進，直接頂初次垮落，在工作面前方4 m范圍內有屈服現象，這表明上覆巖層對工作面造成的應力集中現象逐漸明顯。工作面繼續推進，老頂垮落，工作面大部分頂煤和工作面前方4.5 m范圍內大面積出現屈服現象，頂煤中出現大面積塑性破壞區。

2.3 老巷影響下礦壓顯現規律

在工作面推進過程中，若前方有老巷，隨著工作面不斷靠近老巷，工作面與老巷之間就會形成寬度不斷變化的煤柱，煤柱寬度隨著工作面的不斷推進而逐漸減小，煤柱上的應力集中現象也就愈加明顯。下面就以老巷寬度為6 m的模擬結果來分析含有老巷條件下的礦壓顯現規律。

從圖4(a)中可以看出，工作面前方約4 m處出現一個應力峰值點。隨著工作面的推進，工作面前方的應力峰值點也逐漸向前移動。當工作面距老巷11 m時，如圖4(c)所示，煤柱上的應力開始出現疊加，達到5.57 MPa，老巷兩側應力集中現象明顯。

圖4 支承壓力分布圖

圖5 塑性區分布圖

圖5是老巷條件下工作面推進過程中塑性區分布情況。在工作面與老巷距離大于25 m時，工作面與老巷之間的煤柱不受老巷影響。當工作面與老巷相距11 m時，兩塑性區相匯，隨著工作面繼續推進，煤柱塑性破壞程度不斷增加，老巷遠離工作面一側塑性區則開始擴展。當工作面推過老巷后，塑性區范圍又逐步減小到正常推進情況。由此可見,老巷的存在，增大了工作面前方煤體的破壞范圍，為工作面頂板控制帶來困難。根據模擬結果，當工作面距離老巷11 m時，需要開始加強頂板支護。

2.4 不同老巷寬度條件下礦壓顯現規律對比分析

為了分析不同老巷寬度條件下工作面的礦壓顯現規律，針對工作面距離老巷11 m的情況進行分析，分別模擬了老巷寬度0 m(不含老巷)、3 m、6 m、9 m和12 m等五種不同的情形，圖6是不同老巷寬度條件下，工作面超前支承壓力的分布情況。

圖6 不同老巷寬度條件下工作面超前支承壓力分布圖

在幾種不同的模擬方案中設置觀測點，觀測點坐標一致，對不同老巷寬度條件下測點應力統計結果如表3所示。

表3 不同老巷寬度條件下應力統計結果

從表3可以看出，隨著老巷寬度的增加，煤柱上的應力不斷增大，當老巷寬度超過6 m時，煤柱上的應力不再增大，表明煤柱已發生塑性破壞，失去承載能力，應力不再升高，工作面超前應力影響區域向老巷另一側轉移。在現場對于老巷寬度超過6 m的巷道應該尤其注意加強支護，保證工作面安全通過老巷。

圖7 不同老巷寬度條件下塑性區分布圖

圖7為不同老巷寬度條件下塑性區分布圖。圖中所示工作面距離老巷均為11 m且均為充分采動條件下的塑性區分布圖，塑性區分布大小隨著老巷寬度的增加而出現擴大的趨勢，在老巷寬度超過6 m時，工作面與老巷之間的煤柱塑性區貫通，煤柱出現破壞，如圖7(c)所示；隨著老巷寬度的繼續擴大，煤柱出現全面的塑性破壞，可見，老巷的出現導致工作面前方塑性區比不含老巷時大，并且老巷寬度越大，工作面超前塑性區的范圍就越大，因此，在現場應該探明老巷的寬度，為做好有針對性的支護提供依據。

3 結 語

1) 由于工作面規模受到限制，工作面兩巷道間距變化也造成工作面長度變化，故難以采用綜采放頂煤法；鑒于該礦在炮采放頂煤方面已擁有成熟的生產管理經驗和完善的技術設備，故選用炮采放頂煤工藝。

2) 當工作面與老巷相距11 m時，兩塑性區相匯，隨著工作面繼續推進，煤柱塑性破壞程度不斷增加。當工作面推過老巷后，塑性區范圍又逐步減小到正常推進情況。表明老巷的存在增大了工作面前方煤體的破壞范圍。

3) 隨著老巷寬度的增加，煤柱上的應力值不斷增大，塑性區也逐漸擴大，當老巷寬度超過6 m時，煤柱發生塑性破壞。在現場應加強老巷的探測工作，對于寬度超過6 m的老巷應該尤其注意加強支護。