小窯破壞區殘煤綜放開采覆巖破壞規律模擬研究

秦喜文

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

近年來，隨著煤炭資源整合及殘采煤炭資源回收計劃的開展，厚煤層遺棄資源成為資源整合礦井主要開采對象[1]。對于厚煤層遺煤而言，為減少資源浪費，資源整合后的厚煤層一般則采用綜放開采方式進行開采[2]，而在資源整合以前，受開采技術落后和追求短期利益的影響，小窯開采一般通過留設大量煤柱的方式進行，開采設計、采掘接替、巷道布置無明顯規律可循，導致資源整合區內小窯破壞區空間分布和結構特征較為復雜，導致復采時圍巖活動特征較常規工作面存在較大差異，嚴重影響工作面頂板管理與控制，制約著礦井安全高效開采[3，4]。

張俊文等[5]分析了近距殘采煤體的損傷力學特性，基于相似材料模擬試驗，提出了增加頂煤自由面為手段的錯層位巷道布置采煤法，顯著提高了殘煤的采出率；原野等[6]應用相似模擬對舊采區冒落區圍巖變形與應力進行研究，得出了殘采工作面采場規律；張文陽等[7，8]運用相應的力學模型分析了殘采工作面支架-圍巖關系，給出了復采工作面支架初撐力與工作阻力，并在實踐中得到了驗證；姜東海等[9]通過實測復采工作面老頂的初次來壓步距、周期來壓步距，用實測統計法計算了支架的額定工作阻力，并采用FLAC3D模擬計算進行了驗證；劉廣金[10]采用數值模擬的手段研究了復采工作面過水淹區覆巖破斷特征，并提出了相應的回采工藝；仝佳[11]結合復采工作面的具體情況對回采巷道的支護方案、充填復采各項參數進行具體設計，并進行礦壓監測；李鵬[12，13]等通過數值模擬、理論計算確定該工作面過空巷期間支架的最大工作阻力及支架型號，并通過數值分析與現場應用對所選型支架工作阻力的合理性進行了分析驗證；張耀榮[14]對復采工作面的巷道布置、采高以及刀柱煤柱與復采工作面的位置關系等技術進行了探討，得出了殘煤復采的條件以及要實現安全生產應采取的一系列技術措施；周傳龍[15]通過工作面“三機”合理選型配套和加強現場管理，取得了較好的技術經濟效果。上述研究從相似模擬、數值計算及理論分析的角度分析了殘采工作面覆巖力學行為及響應特征，而關于殘采煤層下分層綜放開采回收煤柱前、后覆巖的破斷規律研究涉及較少。

以韓咀煤礦32101工作面為研究背景，采用相似模擬的方法研究殘采工作面圍巖的變形規律，從而，揭示殘采工作面過空區、煤柱時覆巖結構的失穩特征。研究成果對改善礦井安全生產現狀、延長資源短缺服務年限等具有重要意義，對該類煤炭資源的安全高效開采具有重要的參考價值。

1 工程概況

韓咀煤礦位于山西省鄉寧縣西南部，井田內 2#煤全區可采，平均厚度為5.8m。小窯巷柱式開采時期對2#煤上分層進行開采，形成大面積的老空區、老巷和上分層采空區?；谄茐膮^殘煤賦存特征，采用相似模擬方法開展3#煤層殘煤綜放復采覆巖破壞規律研究。

2 相似模擬方案

根據工作面的覆巖條件及上覆小窯采空區遺留煤柱的不同，參照32101工作面的鉆孔柱狀，如圖1所示，鋪設幾何相似比為1∶100的物理模型。32101工作面模型煤層總厚度為5.8m，上煤層開采2.0m，下分層開采3.8m，相似模型材料比例見表1。

圖1 32101工作面的鉆孔柱狀

將復采煤層(3#煤)劃分為上、下兩層，上分層采用巷柱式采煤法模擬殘采區圍巖穩定特征，采高2m；下分層采用綜放開采，32101工作面采高3.8m。如圖3所示，模擬上分層小窯采空區煤柱賦存情況，模型中上分層共留設4個煤柱，由左至右依次編號為1—4號。為了對比分析上煤層小窯采空區所留設的煤柱處于不同的穩定狀態時對下煤層開采礦壓的影響，在模型的4個煤柱中設計2個不完整的煤柱，分別為2號、4號，2號煤柱上部回采上煤層厚度的1/3，留2/3監測對下煤層開采的影響，4號煤柱上部回采上煤層厚度的2/3，留1/3監測對下煤層開采的影響。

具體實施方法：首先，對上分層進行開采，按模擬方案設計留設4個煤柱；其次，開采2號、4號煤柱，2號煤柱留設2/3(采出上部1/3)、4號煤柱留設1/3(采出上部2/3)；最后，開采下分層，由左至右依次開采，開采步距0.02m，工作面支架模型(頂梁長度/支護距離0.04m)隨開采前移。當支架進入上覆煤柱后，先開采本煤層，頂梁過后回采位于支架后方的頂煤，模擬放頂煤開采。

3 綜放工作面圍巖破壞特征研究

3.1 相似模擬研究

3.1.1 上分層開采

模型開采為了模擬上部不同程度遺留煤柱對下分層開采產生的影響，設置煤柱完整程度不同，以分析煤柱失穩狀態不同的差異。在煤柱完整的情況，一般煤柱的承載性能較好，可以有效限制頂板的垮落高度。因此，在上分層開采之后，煤柱完整程度不同，影響了上分層開采后頂板覆巖破壞程度。

32101面模型下分層開采覆巖運動情況如圖2所示，由圖2可知，在1#、3#煤柱完整性比較好的情況下，上部巖層基本未發生垮落，2#、4#煤柱破壞差異不同，發生頂板垮落的高度也不同。根據模擬實驗結果可知，煤柱遺留高度僅剩1/3時，兩側開采空間聯通，垮落高度約10m，為2倍上分層采高。上分層開采過程中，直接頂隨著開挖垮落，但由于老頂巖層厚度較大，且采高度小、開采尺寸小，因此并未發生明顯破斷垮落。在回采2#煤柱和4#煤柱頂部部分煤層之后，頂板破壞程度增加，回采頂煤2/3煤柱的情況下，破壞程度較大。

3.1.2 下分層開采

下分層開采過程中，上煤層留設煤柱的穩定性，對巖層破斷的影響特征更加明顯。下分層開采過程中，覆巖破壞演化的過程如圖2所示。工作面開采位置為模型底板巖層中箭頭所指的位置。

圖2 32101面模型下分層開采覆巖運動情況

3.2 模擬結果分析

3.2.1 殘煤綜放復采覆巖運移規律分析

如圖3所示，上分層開采過程中，直接頂隨著開挖垮落，但老頂巖層厚度較大，加之煤層開采高度小、開采尺寸小，并未發生明顯破斷垮落。在綜放2#煤柱和4#煤柱部分煤層之后，頂板破壞程度有所增加，回采頂煤2/3煤柱的情況下，破壞程度相對較大。

圖3 上分層開采過程中下部測線覆巖位移

圖4 下煤層開采過程中覆巖位移

下煤層開采過程中覆巖位移如圖4所示(圖中自上而下順序為采20—采210)，下分層開采過程中，回采至40m時，頂板破壞情況沒有發生明顯改變；回采至50m，尚未將頂煤采出之前，煤柱仍然發揮較為良好的支撐作用，頂板破壞情況變化不大，當回采頂煤之后，巖層發生大范圍運動，以1#、3#煤柱邊界為界，覆巖出現明顯的橫向和豎向裂隙，其中在左側邊界的裂隙較為明顯，主要受到開采的不均勻性影響，而由于2#煤柱尚未開采，3#煤柱邊界的裂隙尚未明顯發育，但是已經發生微裂縫，覆巖產生橫向裂隙的高度約68.5m。工作面繼續在采空區下開采，覆巖破壞高度和裂隙分布情況沒有發生改變。至工作面開采至90m，將2#煤柱下方對應煤層和頂煤開采完畢，裂隙范圍變化不大，但是最上部離層的發育程度增加，直至開采至3#煤柱前，頂板垮落情況沒有明顯變化。工作面繼續開采至3#完整煤柱下方，煤柱尚未發生破壞之前，覆巖結構和裂隙分布未發生改變，但當工作面回采130m并放出頂煤之后，上部巖層發生整體下沉運動，并在上分層開采邊界上方形成明顯的邊界裂隙。由于煤柱承受壓力較大，底板表面發生一定程度的破壞。

3.2.2 支架受力分析

50#、51#、52#支架上不同的三個壓力盒數值變化規律如圖5所示。為了研究不同覆巖條件下支架阻力在不同煤柱條件下的受力特征，在下分層開采過程中，對頂板壓力進行了監測。實驗結果表明：在工作面回采經過完整的1#、3#煤柱方時，支架所承受的壓力明顯上升，不完整的2#、4#煤柱下方支架壓力也有所增加，但是相對較小。上分層遺留煤柱的穩定性與完整性，將會對下分層開采造成比較明顯的影響。因此，在實際開采過程中，首先，要探查上覆分層中煤柱的位置以及可能存在的穩定狀態，然后，在下分層開采時應該在遺留煤柱的前后提前采區措施防范高壓力甚至壓架事故的發生。

圖5 32101開采模型下分層開采過程中支架壓力變化

4 結 論

1)煤柱遺留高度僅剩1/3時，兩側空區聯通，上部巖層垮落高度為10m，約為上分層采高的2倍；在回采2#煤柱和4#煤柱頂部部分煤層之后，頂板破壞范圍增加，回采頂煤2/3煤柱的情況下，破壞程度最大。

2)當回采頂煤之后，巖層發生大范圍運動，以1#、3#煤柱邊界為界，覆巖出現明顯的橫向和豎向裂隙，其中在左側邊界的裂隙較為明顯，主要受到開采的不均勻性影響，而由于2#煤柱尚未開采，3#煤柱邊界的裂隙尚未明顯發育，但是已經發生微裂縫，覆巖產生橫向裂隙的高度約68.5m。

3)3#完整煤柱下開采時支架阻力最大，1#煤柱次之，2#煤柱再次，4#煤柱最小，此規律與采空區下開采基本相同。