煤層群二次上行開采對(duì)上位煤層影響研究

馬進(jìn)功 郝萬(wàn)東

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西省太原市，030006）

煤層群二次上行開采對(duì)上位煤層影響研究

馬進(jìn)功 郝萬(wàn)東

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西省太原市，030006）

王莊煤礦擬開采的2＃煤先后兩次受到其下部7＃、9＃煤開采的影響，需要對(duì)上行開采可行性進(jìn)行研究?；谙嚓P(guān)巖層控制理論，采用數(shù)值模擬方法，研究下部煤層二次采動(dòng)影響下，上覆巖層尤其是關(guān)鍵層巖層與2＃煤層的移動(dòng)規(guī)律與破壞特征。分析論證2＃煤上行開采的可行性。數(shù)值模擬研究認(rèn)為，在經(jīng)歷下部?jī)纱尾蓜?dòng)影響后，2＃煤仍處于彈性變形階段，可以采用上行開采，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中取得了較好的效果。

煤炭開采 上行開采 數(shù)值模擬 二次采動(dòng) 塑性破壞 彈性變形

江蘇省王莊煤礦主采2＃煤、7＃煤、9＃煤，2＃煤位于7＃煤、9＃煤上方，7＃煤位于9＃煤上方，7＃煤和9＃煤已經(jīng)先于其上位的2＃煤采完，因此2＃煤先后受到下部7＃、9＃煤開采的兩次上行采動(dòng)影響，屬上行開采。對(duì)于上行開采的可行性，國(guó)內(nèi)外研究較多，理論判別方法也多適用于兩層煤間。而本次開采，其在時(shí)間上超前于2＃煤進(jìn)行二次不均衡開采，所以受二次采動(dòng)影響的2＃煤完整性未知，運(yùn)用已有的理論判別方法判別時(shí)有很大的局限性，需借助其他研究方法。

本文在對(duì)巖層進(jìn)行關(guān)鍵層判斷的基礎(chǔ)上，通過FLAC有限元數(shù)值模擬研究方法，模擬2＃煤及其下部關(guān)鍵層的巖層破斷規(guī)律、破壞程度和塑性破壞區(qū)域，分析其應(yīng)力場(chǎng)分布、位移變化和力學(xué)狀態(tài)，判斷2＃煤在二次采動(dòng)后的完整性。實(shí)踐證明，數(shù)值模擬對(duì)2＃煤開采提供了理論基礎(chǔ)。

1 煤層概況

王莊礦主采煤層2＃煤、7＃煤和9＃煤厚度分別是2 m、3.33 m和3 m，煤層均屬半亮型氣煤，其中2＃煤埋深約為200 m，煤層傾角平均為21°，煤層頂板為砂泥巖或砂頁(yè)巖互層，中等穩(wěn)定，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，老空區(qū)無積水；7＃煤頂板為石英砂巖，底板為砂泥巖；9＃煤頂板為細(xì)砂巖，底板為砂泥巖。7＃、9＃煤層間距最小為7.1 m，最大為15 m。巖層的巖石物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 煤巖層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

2 關(guān)鍵層計(jì)算

關(guān)鍵層的變形破斷規(guī)律及其運(yùn)動(dòng)過程中與上下巖層間的相互耦合作用，對(duì)于研究地表沉陷或者說煤層群上位煤層的巖層移動(dòng)、下沉曲線和破壞情況提供理論分析依據(jù)，因?yàn)殛P(guān)鍵層的破斷與變形，將會(huì)導(dǎo)致上覆載荷巖層相互協(xié)調(diào)變形一致即整體運(yùn)動(dòng)。因此對(duì)于關(guān)鍵層位置的判別是研究其上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)。

根據(jù)關(guān)鍵層理論計(jì)算，通過剛度判別和強(qiáng)度判別，判別結(jié)果見表2及圖1。因主關(guān)鍵層位于2＃煤上方，因此不做研究，下文所述關(guān)鍵層均指亞關(guān)鍵層。

表2 關(guān)鍵層判別計(jì)算結(jié)果匯總表

圖1 關(guān)鍵層判別結(jié)果圖

3 二次上行開采數(shù)值模擬分析

采用FLAC數(shù)值模擬軟件模擬7＃煤和9＃煤在開采過程中其覆巖亞關(guān)鍵層和2＃煤的煤巖層變形規(guī)律。整個(gè)數(shù)值模型示意圖如圖2所示，模型尺寸130 m×150 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為90 m，兩邊各留20 m的邊界煤柱。2＃煤層老頂細(xì)砂巖上部的巖層重量按照垂直補(bǔ)償應(yīng)力施加2 MPa。

7＃、9＃煤實(shí)際開采過程中，平均推進(jìn)速度為3.5 m／d。模擬中開采3.5 m作為一次推進(jìn)長(zhǎng)度，即為一個(gè)小循環(huán)，通過控制時(shí)步，待其上覆巖層及其頂板巖層得到一定的應(yīng)力釋放后再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。為了便于研究，數(shù)值模擬追蹤記錄亞關(guān)鍵層A點(diǎn)、B點(diǎn)與2＃煤C點(diǎn)、D點(diǎn)位移變化，A、B、C、D 4點(diǎn)的位置如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

3.1 7＃煤一次采動(dòng)效應(yīng)

3.1.1 應(yīng)力效應(yīng)

7＃煤開采作用效應(yīng)見圖3（a）所示，分析可知7＃煤垂直原巖應(yīng)力為5.1 MPa，工作面前方大約30 m范圍達(dá)1.9610 MPa，至煤壁范圍內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)為增壓區(qū)，其中煤壁前方大約5 m處最大應(yīng)力達(dá)到2.9415 MPa，至煤壁形成極限平衡區(qū)，支承壓力在工作面前方約50 m范圍達(dá)1.575 MPa，分布范圍延伸至煤體內(nèi)支承壓力影響逐漸減小，漸形成彈性區(qū)。

圖3 7＃煤開采作用效應(yīng)

由于煤層開采后將引起上覆巖層的移動(dòng)與破斷，從而在覆巖中形成采動(dòng)裂隙。如圖3（b）所示，垂直應(yīng)力在2＃煤的左右兩側(cè)相對(duì)中部較大，然而兩側(cè)的最大值僅為2.6 MPa，相當(dāng)于其原巖應(yīng)力 （2.35 MPa）的1.11倍，煤層中部垂直應(yīng)力處于原巖應(yīng)力水平。因此2＃煤受下部7＃煤開采的采動(dòng)應(yīng)力作用不明顯，基本位于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

3.1.2 位移效應(yīng)

在7＃煤開采過程中，亞關(guān)鍵層追蹤點(diǎn)A、B和2＃煤追蹤點(diǎn)C、D 4點(diǎn)的位移變化曲線如圖4所示。

巖層移動(dòng)由下向上成組運(yùn)動(dòng)，即關(guān)鍵層下沉變形時(shí)，其上覆全部或局部巖層的下沉量同步協(xié)調(diào)，且變化率較小。2＃煤追蹤點(diǎn)的垂直變形曲線與亞關(guān)鍵層追蹤點(diǎn)的垂直位移變形曲線形狀基本相似，且趨勢(shì)大體一致。巖層移動(dòng)過程中，2＃煤僅僅是相當(dāng)于亞關(guān)鍵層的一層載荷，其C7、D7追蹤點(diǎn)位移變化曲線的斜率小于A7、B7點(diǎn)的曲線斜率，即vA＞vC、vB＞vD（v為變形速率）。由此可見，在關(guān)鍵層存在的情況下，巖層移動(dòng)特點(diǎn)是關(guān)鍵層上位巖層的變形是越向上越緩慢，其垂直位移的運(yùn)動(dòng)與關(guān)鍵層保持同步。7＃煤開采后，2＃煤的局部最大破壞變形較小，約為45 mm，且其變形較緩，對(duì)2＃煤的采動(dòng)影響不明顯。

圖4 追蹤點(diǎn)垂直位移曲線圖

3.2 9＃煤二次采動(dòng)效應(yīng)

9＃煤的開采滯后于7＃煤，距離7＃煤平均為11 m，且隨著7＃煤的開采，其上覆巖層原應(yīng)力狀態(tài)被破壞，進(jìn)行重新分布。由此9＃煤在開采時(shí)作為二次上行開采對(duì)亞關(guān)鍵層與2＃煤的破壞原因主要分析垂直應(yīng)力、垂直位移變形大小以及塑性分布。

3.2.1 二次采動(dòng)應(yīng)力效應(yīng)

數(shù)值模擬模型中，9＃煤開采后，垂直應(yīng)力在采空區(qū)左右兩側(cè)相對(duì)中部較大，并且垂直應(yīng)力向上呈遞減趨勢(shì)。遞減到2＃煤層所在區(qū)域時(shí)，垂直應(yīng)力在2＃煤層中部較左右兩側(cè)相對(duì)較大，但是其值也僅稍高于原巖應(yīng)力，而左右兩側(cè)范圍垂直應(yīng)力均與原巖應(yīng)力相同。9＃煤的二次采動(dòng)雖使上覆巖層垂直應(yīng)力疊加，但未能造成2＃煤局部應(yīng)力集中，即對(duì)2＃煤采動(dòng)影響較小。

3.2.2 塑性破壞與位移變化

（1）塑性破壞區(qū)。模擬和實(shí)測(cè)研究表明，關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)離層的產(chǎn)生、發(fā)展與時(shí)空分布起控制作用，沿工作面推進(jìn)方向，關(guān)鍵層下離層動(dòng)態(tài)分布呈現(xiàn)兩階段發(fā)展規(guī)律。第一階段，關(guān)鍵層初次破斷前，隨著工作面推進(jìn)，離層量不斷增大，最大離層位于采空區(qū)中部。關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層在采空區(qū)中部離層趨于壓實(shí)，而在采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個(gè)離層區(qū)。

圖5 二次采動(dòng)時(shí)追蹤點(diǎn)垂直位移曲線圖

第二階段，隨著9＃煤工作面的推進(jìn)，通過數(shù)值模擬判斷，亞關(guān)鍵層下部一層厚度為1.8 m的巖層，其所受剪切力逐漸增大，達(dá)到屈服極限，產(chǎn)生塑性破壞區(qū)，使其與上覆亞關(guān)鍵層產(chǎn)生離層，但亞關(guān)鍵層仍處于彈性變形狀態(tài)，未產(chǎn)生破斷，2＃煤處于彈性階段，受破壞程度較小，即7＃煤、9＃煤二次上行開采對(duì)2＃煤的破壞影響有限。

（2）位移變化。9＃煤開采后，對(duì)亞關(guān)鍵層測(cè)點(diǎn)A9、B9和2＃煤的測(cè)點(diǎn)C9、D9位移進(jìn)行記錄，9＃煤采動(dòng)垂直位移如圖5所示。

從9＃煤開采到結(jié)束，亞關(guān)鍵層與2＃煤追蹤的4點(diǎn)位移變化范圍分別為0～0.065 m和0～0.002 m，2＃煤隨著應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)的二次分布，其煤層變化再次與亞關(guān)鍵層同步協(xié)調(diào)變形，且變形速率遠(yuǎn)小于一次采動(dòng)。二次擾動(dòng)的影響僅僅表現(xiàn)在對(duì)亞關(guān)鍵層和2＃煤的位移增加量，前者最大為70 mm，后者僅為50 mm。處于彈性區(qū)的2＃煤，變形量小，受破壞區(qū)較小，數(shù)值模擬結(jié)果證明上行開采是可行的，數(shù)值模擬為其開采提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

7＃煤和9＃煤開采后，對(duì)2＃煤進(jìn)行回采。2121工作面是2＃煤二采區(qū)的第一個(gè)綜采工作面，工作面長(zhǎng)度為150 m，在其回采期間對(duì)軌道巷進(jìn)行表面位移觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 表面位移曲線圖

由圖6可以看出，工作面正?；夭善陂g，工作面前方回采巷道受動(dòng)壓影響頂?shù)装蹇偟囊平考s45 mm，兩幫移近量在50 mm以內(nèi)；在工作面推進(jìn)至距離測(cè)站9～10 m左右時(shí)，巷道圍巖移近速度突然增加，期間變形量達(dá)到15～32 mm，說明9～10 m為工作面采動(dòng)劇烈影響區(qū)；距離工作面10～35 m范圍內(nèi)，巷道圍巖移近量有所增大，但是移近速度比較平緩，說明該范圍為超前采動(dòng)顯著影響區(qū)；距離工作面35～60 m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形量比較小，變形速度也不明顯；69 m以外，巷道幾乎沒有受采動(dòng)影響的變形現(xiàn)象。

由礦壓觀測(cè)可知，在工作面回采過程中，巷道表面位移變形量最大 也才50 mm，變形量較小，煤層及巷道頂?shù)装寰３忠欢ǖ姆€(wěn)定性，取得了很好的效果。因此，下部7＃、9＃煤層的二次上行開采，對(duì)2＃煤的回采影響較小。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）以巖層控制相關(guān)理論為基礎(chǔ)，研究2＃煤受下部7＃煤、9＃煤上行開采后的開采可行性，表明上覆巖層的位移變化規(guī)律與關(guān)鍵層的變化是同步協(xié)調(diào)的，且變形和其變形速率沿覆巖向上呈遞減趨勢(shì)。因此必須對(duì)關(guān)鍵層的圍巖狀態(tài)、巖層控制進(jìn)行研究，是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐取得成功的決定性因素。

（2）數(shù)值模擬表明盡管關(guān)鍵層下位巖層出現(xiàn)離層，但是由于關(guān)鍵層未能破斷，2＃煤仍處于其彈性變形階段內(nèi)，因此7＃、9＃煤的開采對(duì)2＃煤的破壞有限。礦壓觀測(cè)也表明，2＃煤未能有較大破碎帶，回采效果較好。

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Research on impact of secondary upward mining of coal seams on upper coal seam

Ma Jingong，Hao Wandong
（Taiyuan Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

The to-be-mined 2＃coal seam in Wangzhuang Mine has been twice affected by the mining of 7＃and 9＃seams below，so it needs to make a research on the feasibility of its upward mining.Based on the correlated theories of strata control，using numerical simulation method，the paper analyzes the movement regularity and failure features of the overlying strata，especially the key strata and 2＃coal seam under the impact of secondary mining of lower seams，which will provide evidence for the upward mining feasibility of the 2＃coal seam.The numerical simulation research shows that though affected twice by lower mining seams，the 2＃coal seam is still in the elastic deformation stage，so it is feasible to conduct the upward mining，which has achieved good effectiveness in field practice.

coal mining，upward mining，numerical simulation，secondary mining，plastic failure，elastic deformation

TD823.2

A

馬進(jìn)功 （1986-），男，山西汾陽(yáng)人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程碩士研究生，助理工程師，主要從事短壁機(jī)械化開采工藝和配套、邊角煤回收及礦山壓力與巖層控制方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）