殘煤復(fù)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬及巷道變形監(jiān)測研究

邊樹鵬，何 峰,黃亞寅

（1.山西焦煤集團(tuán)，山西太原030000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000；3.霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西河津043300）

1 概述

就目前而言，我國在中厚煤層的開采方式中，最為高效、便捷的方式為綜采。但是在由于在進(jìn)行復(fù)采工作時，上覆巖層的活動空間相對來說比較大，礦內(nèi)壓強(qiáng)過高、煤礦整體結(jié)構(gòu)較為松散等情況的出現(xiàn)，容易造成冒頂?shù)认嚓P(guān)事故。此外，進(jìn)行復(fù)采工作時，回采巷道圍巖控制的相關(guān)問題較為明顯。故而，進(jìn)行對回采巷道礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律的研究，并以此為依據(jù)，提出與之對應(yīng)的順槽支護(hù)措施，這對于正常安全生產(chǎn)使用復(fù)采工作面回采巷道具有較為重要的意義。是保證回采通道的穩(wěn)定，實現(xiàn)礦井安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)[2-4]。

薛虎溝煤業(yè)的2#煤層在進(jìn)行煤礦開采時，沒有應(yīng)用正規(guī)的過壁式和大面積采煤方法，而是應(yīng)用巷采或房式開采方法，造成其回采率只能達(dá)到約30%，國家發(fā)改委16號令發(fā)布《特殊和稀缺煤類開發(fā)利用管理暫行規(guī)定》，該規(guī)定是對于稀缺煤種進(jìn)行保護(hù)開發(fā)的理論依據(jù)。在實際工作中，2#煤層作為第一批稀缺煤種的煤層之一，其厚度平均為4.03m，其內(nèi)部上下分層，上層中已幾乎沒有煤礦了，下層2.5m的厚度中也已經(jīng)出現(xiàn)局部被采空的現(xiàn)象，只留有較多的殘存煤渣。重復(fù)開采較正規(guī)開采技術(shù)難度大，主要是存在一些不確定因素，在復(fù)采過程中存在頂板不穩(wěn)定、壓力集中等現(xiàn)象，給巷道掘進(jìn)與工作面開采帶來較大困難。研究開采2#煤層的復(fù)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，不但可以對稀缺煤種2#煤層優(yōu)質(zhì)資源的充分回收，杜絕優(yōu)質(zhì)資源的浪費，并且可以延長礦井的服務(wù)年限，提高煤炭的經(jīng)濟(jì)效益。

論文主要研究復(fù)采煤層破碎、對復(fù)采煤層頂板進(jìn)行圍巖控制以及上覆巖層的移動規(guī)律，并利用數(shù)值模擬方法對重復(fù)開采的煤層進(jìn)行回采的作面過采空區(qū)和空巷時礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，通過現(xiàn)場監(jiān)測得到順槽的頂?shù)装宓囊苿泳嚯x，其兩幫移近距離的總和，以及在該過程中其變形的速率隨著工作面不斷推進(jìn)的距離變化而產(chǎn)生的變化規(guī)律，全面解決了復(fù)采煤層開采技術(shù)難度大，復(fù)采工作面巷道圍巖控制問題。

2 工程背景

2.1 末采面情況概述

在整個復(fù)采工作煤層中，其厚度在4.6～5.55m之間，平均厚度為4.92m，煤層部位水平面具有一定傾斜角度，一般為1°～3°，平均角度為2°，結(jié)構(gòu)相對簡單不復(fù)雜，在其材質(zhì)構(gòu)成中，老頂主要材料為中細(xì)砂巖，厚5～6m，具有較好的穩(wěn)定性。頂板的主要材料為泥巖、中細(xì)砂巖以及砂質(zhì)泥巖。厚度為4～6m，具有較好穩(wěn)定性。底板主要材料為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖以及泥巖，厚度為3～5m，質(zhì)地比較松軟，也具有較好的穩(wěn)定性。

2.2 圍巖結(jié)構(gòu)的相關(guān)介紹

在進(jìn)行復(fù)采工作面推進(jìn)工作的過程中，沒有出現(xiàn)斷層、沖刷帶或陷落柱等相關(guān)狀況。2#煤復(fù)采工作面屬于回采工作面，其頂板已經(jīng)破碎，在進(jìn)行回采工作時，會較多次的發(fā)現(xiàn)采空區(qū)或空巷現(xiàn)象，其整體大小分別為，采空區(qū)高度為2m，寬度為20m，空巷高度2m、寬度5m，而且可見頂板發(fā)生破碎或冒落等狀況，就整體而言，圍巖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

3 殘煤復(fù)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬

結(jié)合現(xiàn)場實際，應(yīng)用有限元軟件建立采煤工作面過空巷及采空區(qū)的有限元力學(xué)模型，分別得出了采空區(qū)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、煤層及頂?shù)装逅苄詤^(qū)圖和工作面超前應(yīng)力分布規(guī)律。

3.1 工作面過采空區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬

圖1 殘煤復(fù)采過采空區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律圖

采空區(qū)寬20m，煤柱寬140m，采空區(qū)與煤柱相間布置。

通過殘煤復(fù)采數(shù)值模擬，由圖1（c-e）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到采空區(qū)時，距離工作面前方0～20m范圍內(nèi)超前壓力急劇降低，由2.9MPa降到0.5～0.8MPa；距離工作面前方20～30m范圍為壓力升高區(qū)，最大值為11.5MPa。由圖1（f-h）可知，工作面推進(jìn)到采空區(qū)正下方時，工作面前方10m范圍內(nèi)超前壓力在0.5～0.8MPa之間，工作面前方12～20m范圍為應(yīng)力升高區(qū)，最大值為14.7MPa。由圖1（i-k）可知，工作面過采空區(qū)后，推進(jìn)到實體煤時，在距工作面7m處壓力達(dá)到最大值為38.3MPa，升高區(qū)范圍為15m。

3.2 工作面過空巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬

空巷寬2m，煤柱寬5m。廢巷與煤柱相間布置。見圖2。

通過對殘煤復(fù)采工作面過采空區(qū)和空巷模擬可知，由于受采空區(qū)及老巷影響，煤體及頂板基本都處于塑性區(qū)，圍巖應(yīng)力釋放，上覆巖層重新膠結(jié)形成新的壓力拱，使得工作面壓力主要是來自塑性區(qū)的巖體，礦壓顯現(xiàn)不明顯。殘煤復(fù)采礦壓規(guī)律如下：

（1）在進(jìn)行福彩工作時，在工作面范圍中不存在煤柱的情況下，將其整個工作面置于采空區(qū)下方，此時復(fù)采工作面礦壓的顯示規(guī)律為：完全采空區(qū)型復(fù)采礦壓與下分層的礦壓相近，沒有明顯的采壓周期規(guī)律，在復(fù)采面中，壓力分布散亂，不夠均勻。

（2）將復(fù)采工作面向煤柱的下方中部推進(jìn)，工作面的壓力逐漸增加，至其下方中部時，工作面所承受的壓力最大，在該過程中，工作面所承受壓力的大小在曲線圖中呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

具體措施為強(qiáng)化超前支柱的支護(hù)強(qiáng)度和工作面調(diào)斜。

圖2 殘煤復(fù)采工作面過空巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律圖

4 復(fù)采煤層礦壓現(xiàn)場監(jiān)測

對復(fù)采煤層下層煤開采工作面走向超前支承壓力的現(xiàn)場監(jiān)測，可以確定其壓力承受范圍，從現(xiàn)場礦壓監(jiān)測的手段來進(jìn)一步確定工作面停采線與采區(qū)巷道之間合理的安全煤柱寬度，在采區(qū)巷道和周邊巷道的穩(wěn)定性能夠得到保障的前提下，對煤層進(jìn)行較為高速、高質(zhì)量的回采，用現(xiàn)場監(jiān)測的手段進(jìn)一步確定綜采工作面停采線的合理位置。在進(jìn)行工作面回采的時間內(nèi)，主要監(jiān)測的項目有工作面兩巷圍巖表面的位移程度、工作面支柱的工作阻力等。

（1）圍巖表面位移測站：左右兩巷進(jìn)行30m的掘進(jìn)施工，并對其進(jìn)行測站設(shè)定，以此為起點，之后每30m設(shè)立一個測站，測站中設(shè)定相應(yīng)的側(cè)面。

運用十字布點法安設(shè)表面位移監(jiān)測斷面，見圖3，應(yīng)用三向智能激光巷道變形監(jiān)測儀進(jìn)行相關(guān)檢測，其誤差在0.1mm左右，并能記錄監(jiān)測結(jié)果。

由順槽的頂?shù)装宓囊苿泳嚯x，其兩幫移近距離的總和，以及在該過程中其變形的速率隨著工作面不斷推進(jìn)的距離變化而產(chǎn)生的變化規(guī)律，可以得出結(jié)論，距離工作面80m范圍中是受采動影響產(chǎn)生表面位移明顯的區(qū)域，0～20m的影響最為嚴(yán)重，變形速率遞增，所以該區(qū)域為圍巖變形劇烈區(qū)；20～40m范圍內(nèi)，表面位移量明顯，變形速率上下波動，所以該區(qū)域為圍巖存在明顯變形的區(qū)域，在60m周后，其位移逐漸減小，一直到較為平穩(wěn)，可以看出其為圍巖穩(wěn)定變形區(qū)。

圖3 表面位移測點布置示意圖

5 結(jié)論

（1）距工作面0～20m處受兩端煤柱及開采情況影響很大，20～40m處受兩端煤柱及開采情況影響較大，60m后受趨于穩(wěn)定，所以距工作面煤壁20m內(nèi)圍巖位移表現(xiàn)最為劇烈，應(yīng)為超前支護(hù)區(qū)域，加強(qiáng)支護(hù)。采用單體支柱加長鋼梁加強(qiáng)支護(hù)，柱距為800mm。

（2）完全采空區(qū)進(jìn)行復(fù)采時，其礦壓顯示的特點與下分層相似。其工作面的受壓情況都不均勻，且動載不增加。復(fù)采工作面行進(jìn)至煤柱下方中部時，會有最大壓力產(chǎn)生，而后逐漸降低。在該工作中，應(yīng)該強(qiáng)化工作面在經(jīng)過煤柱正中部分時的頂板管理；具體措施為強(qiáng)化超前支柱的支護(hù)強(qiáng)度和工作面調(diào)斜。

（3）通過應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究了復(fù)采煤層回采工作面過采空區(qū)和空巷時礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，通過現(xiàn)場監(jiān)測得到順槽的頂?shù)装宓囊苿泳嚯x，其兩幫移近距離的總和，以及在該過程中其變形的速率隨著工作面不斷推進(jìn)的距離變化而產(chǎn)生的變化規(guī)律解決了薛虎溝煤礦2#復(fù)采煤層復(fù)采開采技術(shù)難度大、復(fù)采工作面巷道圍巖控制的問題，并給出了應(yīng)對的可實施的技術(shù)的具體措施，能夠為快速推進(jìn)復(fù)采每層回采面、應(yīng)用技術(shù)使礦井工作進(jìn)行的高效以及搬家等等方面提供了較為科學(xué)的技術(shù)支持。在研究中，薛虎溝煤礦的2#復(fù)采煤層的復(fù)采殘采技術(shù)形成具有一定的代表性，本礦以后發(fā)展及國內(nèi)其它礦井復(fù)采煤層回采工作面回采巷道的掘進(jìn)及維護(hù)有推廣的價值。