淺埋煤層條帶充填開采覆巖破壞規律研究

黨宏文 蘇保平 秦建壯

（1.神東煤炭集團公司，陜西 榆林 719000；2.棗莊礦業濟寧岱莊煤業有限公司，山東 濟寧 272000；3.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

二墩煤礦位于陜北榆林地區[1]，水庫、公路、建筑物下壓覆煤炭資源較多，老舊的房柱式開采造成大量的資源損失。為提高煤炭采出率，釋放壓覆煤體，煤礦急需對原有的開采方法進行改革。

1 工程概況

3 號煤層為總體向西北西微傾的單斜構造，傾角小于1°，厚8.43～8.85 m，可采厚度8.37～8.73 m，底板標高1073～1094 m，由西北向東南遞增。埋深163～236 m，由西北向東南逐漸增大。3 號煤層直接頂板巖性為泥巖、粉砂質泥巖，基本頂板巖性為延安組第四段細粒長石砂巖。3 號煤頂底板物理力學性質見表1。

表1 3 號煤頂底板物理力學性質

2 條帶充填開采覆巖移動破壞理論分析

2.1 巖梁所受荷載的計算

將工作面窄條帶巷道的直接頂與護頂煤看作復合直接頂，并當作第一層巖層[2]。

第n層對第一層綜合影響形成的載荷（qn）1計算如式（1）：

式中：E1、E2…En為頂板各巖層的彈性模量，MPa；h1、h2…hn為頂板各巖層的厚度，m；r1、r2…rn為頂板各巖層的容重，kg/m3。

當計算到（qn+1）1＜（qn）1時，n層作用于復合直接頂巖層上的載荷q即采用（qn）1計算。

將3 號煤層所留設的頂煤（厚度為1.53 m）與碳質泥巖構成的復合直接頂作為一個整體的巖梁進行載荷計算，第一層巖厚度為：h1=1.53+1.36=2.89 m。

取復合直接頂的平均容重為1858 kg/m3，平均彈模為1.05×104MPa，則第一層巖層本身的載荷q1為：

依次計算，直到（q6）1=87.54 kPa，（q7）1=84.18 kPa，（q7）1<（q6）1。

所以第6 層巖層（層狀泥巖）將與其上部的頂板發生離層，第一層巖層（復合直接頂）承受其上六層巖層的載荷，所受載荷大小為87.54 kPa，此時巖梁上的載荷值可取為q=0.087 54 MPa。

2.2 條帶采寬確定

條帶采寬確定時，確保復合直接頂巖梁不因跨度中央的最大拉應力超過其抗拉強度而破壞的極限跨距為：

式中：t是梁的厚度，m；Rt為直接頂的抗拉強度，MPa；q為直接頂所受均布載荷，MPa。

查閱有關地質材料可以得知，此直接頂的平均厚度約為2.89 m，即t=2.89 m，抗拉強度Rt約為0.6 MPa，所受均布載荷q約為 0.087 54 MPa，代入公式（3）中，可以得到二墩煤礦采空條帶上方直接頂的極限跨距L=8.74 m。

2.3 條帶煤柱寬度確定

根據極限強度理論，煤柱的安全系數可由下式計算：

式中：F為煤柱安全系數；σp為煤柱的強度，MPa；σs為煤柱所承受的實際荷載，MPa。

如果F＞1.5，則認為煤柱具有長期穩定性。按照wilson 方法，按地表不產生波浪形下沉盆地原則，對于一般的地質采礦條件下的條帶煤柱穩定設計，可根據煤柱載荷和煤柱強度經驗公式，令其安全系數為F，得到條帶采寬a、條帶煤柱寬度b、條帶煤柱的安全系數F、煤柱高度M、埋深H之間的條帶法煤柱寬度方程[3]：

式中：a為條帶寬度，m；b為條帶煤柱寬度，m；M為煤柱高度，m；H為煤層埋深，m；F為煤柱安全系數。

若條帶煤柱保持長期穩定，應保證F≥1.5，取F=1.5。針對二墩煤礦3 號煤層賦存情況（埋深163～236 m，平均埋深180 m），按條帶煤柱可以保持長期穩定作為充填開采的條帶參數初始選取依據，取條帶采寬a=8 m，F=1.5，H=180 m，M=7.5 m，得出條帶煤柱寬度b的實際取值如下：

3 數值模擬分析

3.1 開采方案的確定

二墩煤礦在條帶開采“采8 留16”參數基礎上，采用條帶煤柱寬度三倍于條帶采寬設計，即采用“采8 留24”的充填開采參數，后期置換條帶煤柱時以條帶采寬為基礎分三次置換，假定置換最后一個條帶采寬的條帶煤柱后的覆巖載荷由充填體完全承擔，則此時充填體強度為：

式中：σ為煤柱所承受的平均荷載，MPa ；γ為上覆巖層平均巖重，MN/m3；H為開采深度，m；a為條帶采寬，m；b為條帶煤柱寬度，m；K為安全系數。

按照“采8 留24”的充填開采參數計算，取K=1.1，H=180 m，γ=0.023 MN/m3，帶入上式計算可得σ=6.07 MPa。

3.2 模擬方案

“采8 留24”的充填開采方案，充填體強度為6 MPa，分析開采與充填過程中塑性區的變化情況和充填體的受力情況。

3.3 數值模型建立

數值分析取模型整體尺寸為長×寬×高=388 m×158 m×170 m，四周預留邊界各 30 m，模擬條帶工作面長320 m，走向推進距離為98 m。模擬各巖層累計厚度為170 m。模型開挖前進行了自平衡處理。如圖1。

圖1 數值模擬模型

3.4 數值模擬結果分析

（1）采充過程中條帶煤柱與充填體塑性區分析

由圖2 可知，前兩個階段開采結束后，開采條帶煤柱兩側端部開始出現零星塑性區，充填結束后覆巖載荷主要由條帶煤柱承擔，第二階段充填體由于還沒有承擔覆巖荷載，所以未產生塑性破壞。

圖2 第二階段充填后

煤柱剪切塑性區范圍沿條帶煤柱長度方向最長約90 m，分布在中間條帶煤柱區域，最短為50 m，分布在兩側條帶煤柱。整個破壞區域呈“橢圓形”分布。塑性區主要出現在條帶煤柱煤壁處，破壞深度為2 m，第二階段充填結束后煤柱塑性區變化，該階段煤柱-充填體整體穩定，未產生大面積塑性破壞，可以有效承載上覆巖層。

由圖3 可知，四階段煤柱全部開采后，上覆巖層主要由第一、二、三階段充填體承載。第一階段充填體邊緣產生豎條狀塑性破壞，破壞深度2 m；前三階段充填體距巷道自由端產生2～4 m 塑性破壞，但破壞趨勢沒有向內發展；三個階段的充填體整體穩定性良好。

圖3 第四階段充填后

（2）采充過程中條帶煤柱與充填體應力分析

由圖4 ～圖6 分析可知，在整個采充過程中，圍巖和充填體應力呈現出緩慢增大后趨于穩定，覆巖承載實現了由條帶煤柱向充填體的均勻過渡。四個階段開采過程中，條帶充填體和周邊煤體均不會發生失穩危險。

圖4 第一階段開采結束后煤柱應力

圖5 第三階段開采結束后煤柱及充填體應力

圖6 第四階段充填結束后煤柱及充填體應力

在整個采充過程，圍巖應力峰值為5.8 MPa，小于圍巖極限承載強度，可以保證覆巖的良好穩定性。在第三階段充填結束后，區段煤柱的應力達到最大為7.5 MPa。第四階段結束后，前三輪充填體平均應力達到5.0 MPa。

4 結論

（1）將工作面窄條帶巷道的直接頂與護頂煤看作復合直接頂，對窄條帶膏體充填開采過程中的條帶頂板移動與條帶頂板穩定性進行理論研究與分析計算，計算得出二墩煤礦巖梁上的載荷值為q=0.087 MPa，直接頂的極限跨距8.74 m；通過對煤柱的荷載計算，得出煤柱寬度最小為15.6 m。

（2）在整個采充過程中，塑性區逐漸從煤柱端頭零星破壞發展到煤柱內部條形破壞，破壞深度端頭由2 m 逐漸發展到4 m。四個階段結束之后，第一個條帶破壞深度達到2 m，但破壞趨勢沒有向內發展，其余三個階段的充填體整體穩定性良好。

（3）通過對充填過程中煤柱與充填體應力值的變化特征分析可知，覆巖載荷正在由煤柱向充填體轉移。在第三階段充填結束后，區段煤柱的應力最大7.5 MPa，第四階段結束后，前三輪充填體平均應力5.0 MPa。