甘莊煤礦近距離煤層上行蹬空開采技術應用*

楊五五

(山西中新甘莊煤業有限責任公司，山西 大同 037002)

0 引言

對于上行蹬空開采安全性問題，國內外學者進行了大量的探究，早在20世紀20年代，波蘭已經對此問題進行了研究，相關學者認為采動影響系數是影響上行開采的關鍵因素[1-3]，但也只是從經驗公式演化而來，在一些特定的區域能夠實現上行蹬空開采的安全預測。我國上行開采安全性研究起步較晚，始于20世紀70年代，借鑒于國外的研究成果，又進行了大量的現場實測工作，將理論與實測結合修正的方法，來進行上行開采安全可靠性的判別[4-7]。

甘莊煤礦8號煤層為保證穩定采取全區所有可采用的煤層，采用采煤綜合化和機械化方式開采。由于11號煤層自1980年開始已經普遍采用傳統的刀柱式開采，留下大量的老采空區，因此8號煤層屬于蹬空開采，給實施綜合機械化采煤帶來安全隱患。甘莊長壁煤礦301盤區，屬于殘留開采區部分上行暗挖開采，下部長壁煤層開掘采用部分下行開采開挖方法(采用刀柱式下行開采)，采空區盤區遺留較多的下部殘留煤柱，老和新采空區下部上覆長壁巖層一般不完全垮落或巖層垮塌塌落不充分，在其開采動力和壓力的雙重影響下，可能直接造成下部長壁煤層老和新采空區下部保留巖層煤柱的運動失穩，引起下部上覆長壁巖層的垮塌塌落或被破壞和下部長壁煤層工作面與煤底板下覆巖層間的失穩，威脅上部煤層采煤工作面的煤礦生產安全。

實行上行方式開采，可采出大量的煤炭資源[8]。因此，研究煤礦上行煤層開采所作用引起的煤層采動應力覆巖及煤礦層間層中巖層再次移動應力變形，確定煤礦層間層中巖層移動應力再次移動分布結構特征、卸壓應力范圍及層中巖層層間移動應力變形及其演化過程，科學分析確定煤礦上下行與煤層上行開采的相互作用、相互影響，綜合分析評價煤礦上行煤層開采過程可行性，為開展煤礦繼續上行開采蹬空安全煤層開采研究提供重要理論依據。研究成果不僅對煤礦行業具有重要的理論現實意義，而且可以為該區類似條件上行蹬空開采的安全提供指導和借鑒，產生巨大的經濟和社會效益。

1 工程概況

甘莊煤礦11號煤層自1980年開始采用短壁刀柱式炮采(即打眼、放炮、支護、裝車)，回采工作面在左右留設煤柱，2個工作面之間留設的采空區邊界煤柱，刀柱式工作面推進。采煤工作面一般采用留設煤柱和木支護相結合的方法進行管理，回采工作面用木支護滿支、滿回管理。

目前甘莊煤礦在論證區域的8號煤層賦存區域內的下部11號煤層已大面積采空。采出投影面積約為764 687 m2，約占論證區域8煤層賦存區域面積(約1 441 773 m2)的53.0%。據計算，11號煤層工作面回采率60%左右，采區回采率40%左右。1-1號煤層在刀柱式回采過程中礦壓顯現不明顯，支柱回收后直接頂垮落，垮落高度2 m，刀柱及巷道無明顯片幫現象。

根據現有研究資料分析得出，刀柱上方柱式煤層采空進行底板回采時，下方2個刀柱式煤層采空區如果遺留較多的巖層殘留上方煤柱，并且下方上覆底板巖層一般不完全垮落或巖層垮塌塌落不充分，則在其回采動力和壓力的雙重影響下，可能直接造成下方刀柱煤層底板采空區上方刀柱的采動失穩，引起下方刀柱式上覆底板巖層的垮塌塌落或被破壞和上部刀柱煤層底板綜采綜合工作面煤層底板上覆巖層間的失穩，威脅上方刀柱煤層綜采工作區地面的安全高效順利開采。初步分析可得，如果不進行工作面長度參數的研究，11號早期采用刀柱式采煤法回采，現已部分采空，上方8號煤層進行綜合機械化回采時，受到采動應力的影響，刀柱會產生壓裂破壞。

2 圍巖力學參數測試分析

煤層頂板和底板結構物理和動力學結構參數分析是長期研究含煤層間隙和巖層結構穩定性的重要基礎。煤巖的巖體物理學和力學結構性質一般是廣泛指由灰巖煤體或其他巖石固有的主要物質結構組成和巖體結構特征所直接決定的具有容重、變形、強度等基本力學屬性。巖石地質物理學和力學反應性質的準確試驗測定，對于目前科學家們研究制定出來的圍巖物理控制技術方案也具有重要指導意義，重點進行關于煤巖的巖石物理學和力學反應性質的準確試驗分析研究。

采樣采集地點均為井下煤礦掘進迎頭新煤所揭露的大型煤礦底巖層，采集的所有煤礦層巖樣均必須完全達到相關試驗標準要求，并自行包裝好，寫好試驗標簽。試驗中的所有試件都采自甘莊煤礦，保證了試件的統一性。巷道遺址所處地理位置地層屬于典型的深層圍巖地理條件礦區地層，對該條件地區深層圍巖的調查研究發掘具有一定的科學工程技術應用價值。所取材的巖樣為新鮮的砂巖頂板、底板。試件通過工業鉆井提取礦石巖芯、切割、打磨制成。組織相關人員對8號、11號煤層的頂底板進行采樣，然后在專業巖石力學試驗室進行物理力學參數測定，部分試件如圖1所示。

圖1 加工后的部分試件Fig.1 Some test pieces after processing

在頂板單向抗壓強度試驗過程中，巖樣從內部產生裂隙，分別發展為面狀和層狀破壞；煤層底板巖樣從內部產生裂隙，并逐漸發展為面狀破壞，為一“X”狀的近似斜面剪切破壞面，最終導致試樣從內部貫穿破壞；煤樣內部產生裂隙，并逐漸發展為斜狀壓破壞，破壞斷面不整合。煤巖物理力學性質見表1，巖樣受力破壞曲線形態如圖2所示，受力破壞曲線結構如圖3所示。

表1 煤巖物理力學性質匯總

圖2 部分試件試驗結果Fig.2 Test results of some specimens

圖3 巖石應力應變關系Fig.3 Rock stress-strain relationship

根據表1中的試驗數據得出，8號煤層頂板條件較好，但由于部分8號煤層底板為泥巖，巖性較軟。因此，在8號煤層的開采過程中，要注意巷道底板不要長期積水，以免進一步降低底板巖石強度，引起巷道變形。11號煤層頂底板的巖石力學分級均在較堅硬及以上，回采巷道的支護基礎好。但在剪切試驗中發現11號煤層頂底板以及煤體的抗剪強度不高，所以推測其節理發育。因此，在8號煤層的開采過程中如遇到巷道圍巖難以控制、易失穩問題時，可以考慮錨帶(梁)網支護，以提高圍巖整體支護強度，從而達到更好的支護效果。

3 上行蹬空開采模擬及工程實踐

為了減少現場工業工藝試驗的操作盲目性，運用FLAC3D模擬分析軟件可以對甘莊煤礦煤層上行蹬空采場長度進行模擬分析[9-10]，本次模擬分析研究主要根據甘莊采煤礦井的上行采煤開采開挖工程的實際情況進行。針對11號煤層采用刀柱式采煤開采的上行采場和8號煤層均采用煤層分步挖掘，而對上層8號煤層上行采煤開挖工作面則分別采用不同開掘長度的開挖工作面進行推進，主要是為了用于模擬確定合理的開采工作面擾動參數。在此基礎上，對8號保護煤層長壁柱式開采時層間上覆變質巖層、層間下覆巖層以及11號煤層留設煤柱的變形及應力的變化規律進行分析，模擬8號煤層工作面長度不同時采場巖體的力學狀態及其變化。

3.1 模擬方案的建立

根據試驗研究工作目的，在煤層模型觀測中的各煤層間層和巖層中分別設計布置3條沿線平行的煤層觀測平線路徑和一個相應的煤層監控跟蹤點，觀測平行路徑沿線的煤層布控走向可以橫跨整個觀測模型。本次煤層數值應力模擬主要用于研究11號煤層采用刀柱式開采后，上行開采8號煤層的過程中層間巖層的應力變化。為了有效避免煤層模型分析計算中煤層邊界作用效應的嚴重影響，各層分別留設邊界煤柱。先對實體模型計算平衡，然后對11號煤層開挖后計算平衡，最后再進行8號煤層開采模擬計算。

3.2 模擬結果分析

為了確定合理工作面長度，分別對8號煤層工作面進行模擬開挖，長度分別為150 m、200 m和250 m。圖4分別為不同工作面長度推進200 m后的應力變化云圖。

由圖4模擬結果分析可以發現，工作面長度的變化影響著采空區圍巖的應力狀態。當工作面長度為150 m，推進80 m時，拉應力已因上部8號煤層的開采效應轉變為壓應力；當工作面長度為200 m，推進40 m時，拉應力轉變為壓應力；當工作面長度為250 m，推進20 m時，拉應力轉變為壓應力。表明8號煤層工作面的推進不會在11號煤層的頂板中帶來破壞性的影響，相反對其穩定性增強尚有一定的幫助作用。這是由于開采8號煤層引起了應力釋放，造成其上覆巖層荷載無法傳遞至層間巖層，從而說明上行開采時并未引起層間巖層破壞運動范圍的急劇增加，隨工作面繼續向前推進，在11號煤層的頂板和煤柱的拉應力區逐漸擴大，在工作面推進距離相同的情況下，250 m長度的工作面開采擾動對11號煤的影響最大，但并沒有達到破壞其穩定性的程度。

圖4 不同工作面長度應力分布Fig.4 Stress distribution of working face

當工作面推進200 m時，150 m長工作面上方的低應力區呈梯形分布，隨工作面長度的增加，該低應力區分布向“M”型過渡且低應力區范圍增加，說明工作面的長度越長，工作面后方采空區圍巖應力釋放越充分。隨工作面繼續推進，與短工作面相比，長工作面頂板的低應力區范圍更大，說明其頂板卸壓更充分。隨著工作面長度的增加，工作面前方支承壓力的影響范圍和峰值均不相同。工作面開采初期，工作面超前支承壓力峰值隨工作面的回采逐漸增加；當工作面推進200 m時，工作面超前支承壓力峰值趨于穩定。從不同工作面長度對比來看，工作面越長，超前支承壓力峰值越大；150 m、200 m、250 m長工作面的超前支承壓力峰值分別為12.5 MPa、14.2 MPa、16.9MPa。

由上述分析可知，工作面超前支承壓力峰值隨著工作面長度的增加而變大，若將工作面長度減小，可將支承壓力峰值降低，隨著綜放工作面長度的增加，工作面的圍巖應力分布狀態發生改變，工作面越長，工作面四周支承壓力峰值和影響范圍越大，但是150 m的工作面礦壓顯現并不是很強烈，存在一定的面長富余量，當工作面長度增加到250 m，在工作面四周圍巖支承壓力允許范圍內，可以保證回采巷道及工作面的安全回采。最大主應力的觀測路徑變化趨勢基本一致，但其量值有所差別，在工作面推進距離相同的情況下，觀測路徑最大主應力隨工作面長度的增加而增大，表明層間巖層應力峰值與8號煤層工作面長度成正比關系，250 m基本達到最大工作面長度。

3.3 工程實踐

為了更好地驗證理論分析及數值模擬結果，選擇8102工作面(工作面長度240 m)超前巷道作為監測對象。測得兩幫移近量為60 mm左右，頂底板移近量為80 mm。發現變形量較小，說明在240 m工作面長度下，目前采取的支護方案合理，能夠滿足安全生產需要。工作面超前支承壓力影響范圍為20～40 m，在回采過程中應對超前支承壓力影響范圍內的巷道采取合理的加強支護措施。

4 結論

(1)當8號煤層工作面長度在150～250 m之間時，上行蹬空開采時并未引起層間巖層及下部留設煤柱的突變失穩，8號煤層綜采工作面在良好的支護情況下，能夠維護采場巷道的穩定性。

(2)根據現場實測分析可得，巷道兩幫移近量為60 mm左右，頂底板移近量為80 mm，均在合理變形控制范圍內。工作面超前支承壓力影響范圍為20～40 m，巷道穩定性取決于支護強度及質量，即使下部煤柱發生緩慢蠕變破壞，也不會對上部采場構成威脅。

(3)盡管采用多種研究方法和手段進行了研究，但研究對象局限于試驗巷道，隨著井下地質條件的改變，應提前做好地質調查工作及頂底板、工作面礦壓實時監測工作，在保證安全回采的情況下增加企業效益。