極近距煤層聯(lián)采覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律研究

安海曉

(西山煤電屯蘭礦，山西 太原 030200)

引 言

我國煤炭開采歷史悠久，各地域的地質(zhì)構(gòu)造情況也各有差異，導(dǎo)致了煤層的具體地質(zhì)賦存條件有所不同，且煤層賦存厚度及煤層的層間距大小也各不相同。我國極近距煤層群賦存較多，且有些特殊地域煤層間距離很近，部分區(qū)段出現(xiàn)合并分岔現(xiàn)象。而在極近距煤層開采時，其上部覆巖結(jié)構(gòu)特征及運移規(guī)律有一定的特殊性。當(dāng)極近距煤層聯(lián)采時，其上覆巖層原有的應(yīng)力平衡遭到破壞，且在覆巖內(nèi)部存在一定范圍的卸壓區(qū)，這會對煤層的應(yīng)力分布產(chǎn)生擾動，因此研究極近距煤層聯(lián)采覆巖結(jié)構(gòu)演變規(guī)律意義重大。近年來，國內(nèi)很多學(xué)者對此作了較深入的研究[1-7]，并從上覆巖層物理力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征等角度研究了近距離煤層聯(lián)采覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。本文針對某礦極近距離煤層聯(lián)采(即8#、9#煤層)覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，通過運用數(shù)值模擬的方法，對其上覆巖層結(jié)構(gòu)特征、頂板垮落特性并進(jìn)行了研究，并對單一開采與聯(lián)合開采之間做了深入的對比分析，為今后解決類似技術(shù)問題提供了一定的技術(shù)依據(jù)。

1 礦井概況

該礦井生產(chǎn)規(guī)模為120萬t/a，井田共分為3個采區(qū)，即，一、二、三采區(qū)，采區(qū)依次順序接替開采。采區(qū)內(nèi)條帶(區(qū)段)采用前進(jìn)式，條帶(區(qū)段)內(nèi)采用后退式。首采區(qū)位于井田東南部靠近井底車場，頂板采用全跨落法管理。由于該礦為兼并重組礦井，在兼并重組前8#煤層采用刀柱式開采，且在工作面留設(shè)煤柱，經(jīng)多年開采，8#煤層已基本開采殆盡。經(jīng)整合后，批準(zhǔn)開采8#、9#煤層，據(jù)地質(zhì)資料顯示，8#煤層的煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度突出，其中，頂、底板分別為石灰?guī)r、泥巖，中部夾有炭質(zhì)泥巖，局部地區(qū)有偽頂出現(xiàn)，并且煤層平均厚度約為3.5 m。在井田范圍內(nèi)9#煤層礦井設(shè)計可采儲量為5 430 kt，平均厚度為3.12 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂板為泥巖，底板為炭質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖，局部含布一層極薄的炭質(zhì)泥巖夾石矸。經(jīng)地質(zhì)勘探后，確定8#、9#煤層間距離很小，間距最小處為0.5 m，最大處為0.8 m，平均間距約為0.65 m，且層間為頁巖，經(jīng)檢測，層間頁巖強(qiáng)度很低。

2 上覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

2.1 上部頂板8#煤層結(jié)構(gòu)特征分析

8#煤層采用刀柱式開采，經(jīng)地質(zhì)勘探及測量，留有15 m左右的煤柱間凈跨距，且留設(shè)6 m左右的工作面煤柱。經(jīng)近距離煤層聯(lián)采技術(shù)可行性研究，得出8#煤層采用“刀柱”開采時頂板不會立即垮落，且當(dāng)下一個“刀柱”開采時，會隨著煤柱塑性區(qū)寬度的增加，工作面煤柱間實際凈跨距也在增大。根據(jù)地質(zhì)資料可知，頂板第一層石灰?guī)r厚度為1.5 m左右，當(dāng)頂板第一層石灰?guī)r垮落后，隨之第二層炭質(zhì)泥巖泥巖巖層也會發(fā)生垮落，即8#煤層“刀柱”開采后，頂板巖層(厚度為6.02 m)也會垮落下來，而上頂板(3.84 m的石灰?guī)r)不會垮落，直接頂板(石灰?guī)r和炭質(zhì)泥巖)垮落后，不能夠完全充填滿采空區(qū)?？迓鋾r冒落矸石不接頂，且冒落的矸石與老頂之間有3 m的空隙，而此時老頂并未受到破壞，還處于完整狀態(tài)，則由老頂將覆巖層的重量傳遞給回采空間兩側(cè)煤柱上，采空區(qū)上方老頂可能呈塑性變形或彎曲下沉。由于巖層內(nèi)部應(yīng)力重新分布，逐漸形成了一個類似拱形的“壓力拱”，拱的兩個支撐點分別作用在采空區(qū)前、后方煤柱上(如圖1所示)。

圖1 8#煤層刀柱開采回采空間頂部形成自然平衡拱狀態(tài)

2.2 9#煤層上覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

當(dāng)9#煤層的工作面處在8#煤層采空區(qū)下時，其9#煤層的上覆頂板結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)變化，且拱的作用力直接由采空區(qū)前、后方煤柱承擔(dān)，而9#煤層的工作面恰好處在應(yīng)力降低區(qū)。8#煤層采空區(qū)垮

落區(qū)巖石的作用力則由回采工作面的支架來承擔(dān)(如圖2所示)。

圖2 9#煤層工作面在8#煤層采空區(qū)下回采空間結(jié)構(gòu)狀態(tài)

9#煤層長壁工作面的持續(xù)推進(jìn)，會對工作面前方形成超前支承壓力，且支承壓力的顯現(xiàn)特征主要體現(xiàn)在支承壓力分布范圍、分布形式及應(yīng)力峰值，其中，支承壓力分布范圍及應(yīng)力峰值對煤柱穩(wěn)定性影響較大。

運用數(shù)值模擬的方法，模擬了圍巖垂直應(yīng)力的分布情況(如圖3所示)。由圖3可知，9#煤層長壁在采空區(qū)下時頂板超前支承壓力最小僅為0.40 MPa左右，當(dāng)工作面推入8#煤層刀柱邊緣時超前支承壓力急劇增大，達(dá)15 MPa左右；工作面推進(jìn)至煤柱正下方時超前支承壓力降低為0.67 MPa左右；通過煤柱時超前支承壓力略有增大為0.70 MPa左右。

圖3 圍巖垂直應(yīng)力分布圖

分析原因主要是，當(dāng)工作面推入8#煤層刀柱邊緣時工作面前2.5 m處超前支承壓力達(dá)15 MPa左右時，煤柱的極限強(qiáng)度為12.45 MPa，小于超前支承壓力15 MPa，說明煤柱塑性屈服即煤柱失穩(wěn)，導(dǎo)致集中載荷降低。

3 上覆頂板垮落特征分析

由地質(zhì)資料可知，8#煤層工作面留設(shè)煤柱厚度約為6 m，其煤柱間跨距約15 m左右，又知8#煤層上部第3層石灰?guī)r極限跨距約為34 m，超過其極限跨距，因此，隨著8#煤層煤柱的失穩(wěn)，導(dǎo)致上覆巖層進(jìn)一步垮落。由于梁的端部是最大彎矩的發(fā)生處，因此處于前、后兩個臨近煤柱之間的頂板首先發(fā)生斷裂(圖4)。

圖4 初采期間工作面推進(jìn)至煤柱邊緣時頂板垮落情況

綜上所述，由于上部8#煤層的開采，導(dǎo)致頂板呈“壓力拱”形式，其兩個支撐作用點分別落在采空區(qū)前后方兩個煤柱上，且上覆煤柱的穩(wěn)定性直接對上覆巖層結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性產(chǎn)生影響。當(dāng)煤柱失穩(wěn)時，上覆頂板的支撐力也隨之失去，失穩(wěn)煤柱所承受載荷會逐漸向前、后臨近兩個煤柱轉(zhuǎn)移。經(jīng)分析，原8#煤層頂板所呈現(xiàn)的“壓力拱”結(jié)構(gòu)，可能存在兩種情況：上覆頂板極限斷裂步距小于前后兩個煤柱間距離，則頂板斷裂；前后臨近兩個煤柱載荷增大，臨近兩個煤柱失穩(wěn)。

同時，對“9#煤層單一綜采”和“采9放8聯(lián)層綜放”冒落時，直接頂與老頂之間的空隙Δ進(jìn)行分析。

1) 9#煤層單一綜采

9#煤層單一綜采，其采高為3.44 m，采空區(qū)垮落矸石由3部分組成：8#、9#煤層間的頁巖(0.75 m)、8#煤層殘煤(8#煤層厚平均4.57 m，工作面回收率70.0%，殘煤約1.37 m)和8#煤層的直接頂(包括1.50 m的石灰?guī)r和4.52 m的炭質(zhì)泥巖)。9#煤層平均3.44 m。冒落的直接頂與老頂之間的空隙Δ1計算見式(1)。

Δ1=∑h-(∑h-∑M)Kp=4.605

(1)

式中：Kp為巖石碎脹系數(shù)，取1.25。

2) 采9放8聯(lián)層綜放

若采用采9放8聯(lián)層綜放，其頂煤(包括8#煤層殘煤厚度為1.37 m，8#、9#煤層間的頁巖0.7 m)回收率η按75%計算，則冒落的直接頂與老頂之間的空隙Δ1計算見式(2)。

Δ1=∑h-[∑h-M9-M8-
η·(Md8)+h1)]Kp=6.59

(2)

式中：M9為9#煤層厚度，平均3.44 m；M8為8#煤層采出厚度，8#煤層平均4.57 m，殘煤視厚度為1.37 m，實際采出視高度按3.2 m；h1為8#、9#煤層間的頁巖，0.75 m；Md8為8#煤層殘煤厚度，為1.37 m。

由此可見，無論“9#煤層單一綜采”還是“采9放8聯(lián)層綜放”冒落的直接頂與老頂之間的空隙Δ1>0，冒落的矸石不能夠完全充滿采空區(qū)，采空區(qū)直接頂冒落的矸石和上位基本頂間還留有空隙，采場覆巖斷裂破壞范圍向上進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)論

通過對該礦上覆巖層結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的研究，可得以下幾點結(jié)論：

1) 該礦8#煤層刀柱開采時，頂板形成“壓力拱”結(jié)構(gòu)，且拱的兩個支撐點分別在刀柱采空區(qū)前、后方煤柱上；

2) 8#、9#煤層聯(lián)采時，其頂板結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性與單一開采9#煤層時不同，其上覆煤柱的穩(wěn)定性是影響上覆巖層結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的主要影響因素；

3) 聯(lián)采初始階段，上覆頂板結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，9#煤層長壁工作面支架只承擔(dān)8#煤層采空區(qū)垮落巖石的作用力；工作面采至上部8#煤層工作面煤柱邊緣時，上方煤柱失穩(wěn)破壞，且失穩(wěn)煤柱所承受載荷會轉(zhuǎn)移到前后臨近兩個煤柱上，隨之導(dǎo)致臨近兩個煤柱隨動失穩(wěn)。