井田下覆房柱式采空区对上覆煤层开采影响研究

刘 熙

晋能控股集团 李阳煤业有限公司, 山西 晋中 032701)

煤层群开采一般情况下采用先采上煤层再采下煤层从上而下的开采方式。但有时由于地质构造和经济等特殊原因,采取自下而上的开采方法。这样会形成开采工作面下方为采空区,为提高资源利用率,分析研究采空区上覆煤层的破坏程度及其可采性,很有必要。

通过采用现场原位实测、理论计算、数值模拟等方法对山西某矿5-2煤层房柱式采空区条件下上覆2-2、3-2煤层开采可行性进行研究。

1 矿井地质条件

山西某矿井田煤层倾角1°～3°,其中可采煤层2层,分别为2-2煤层、3-2煤层。其下方5-2煤层采用房柱式采煤法开采,采5 m留8 m,相距3-2煤层80 m. 2-2、3-2煤层采用长壁综合机械化采煤法开采。各煤层分布见图1,各煤层赋存特征见表1.

图1 上行开采煤层分布图

2-2煤层为区内的主采煤层,与3-2煤层的间距较稳定,约50 m. 2-2煤层可采面积4.69 km2,煤层厚2.10～2.50 m,平均2.31 m,可采率70%,3-2煤层可采面积4.382 km2,可采率60%,煤层厚度1.05 m. 2-2、3-2煤层厚度变化小,变化规律明显。

2 煤房采空区上覆煤层开采可行性分析

长壁工作面采空区全部垮落,覆岩破断过程遵循“三带”型垮落[1],见图2. 该矿5-2煤层房式采空区上覆岩层垮塌过程见图3. 参照普遍的“三带”垮落法对5-2煤层房采采空区上部2-2、3-2煤层开采进行判定。

顶板岩体破碎后垮落至采空区,则填满整个采空区垮落所需要的顶板高度为[2-3]:

式中:hk为充满采空区所需覆岩高度,m;M为采厚,m;Kp为顶板岩层碎胀系数。

其中下部5-2煤层采厚为3.5 m,碎胀系数Kp为1.2. 代入上式可以得到填满整个采空区垮落所需要的顶板高度为17.5 m.

表1 可采煤层特征表

1—冒落带;2—裂隙带;3—下沉带图2 采空区“三带”型垮落图

根据地质报告可知,房式采空区上覆与2-2、3-2煤层之间的岩体为中硬岩层,由5-2煤层采高3.5 m,代入下列中硬岩体条件下的公式[4]:

得到冒落带最大发育高度Hm=9.87 m,裂隙带最大发育高度Hli=28.7 m.

图3 房式采空区垮塌过程图

由于5-2房式采空区与2-2煤层相距125.5 m,与3-2煤层相距85 m,远大于以上求得的28.7 m. 说明2-2、3-2煤层远在5-2煤层冒落带和裂隙带以上,因此,上覆2-2、3-2煤层开采不会受到下部采空区的影响。可见,5-2采空区上的2-2、3-2煤层可以安全进行开采。

3 5-2煤层房式采空区稳定性分析

3.1 房柱稳定性理论分析计算

目前Bieniawski(1968年)公式应用最为广泛[5],煤柱强度和宽高比存在如下关系公式:

式中:σp为煤柱强度,MPa;σm为立方体煤柱的原位强度,MPa.

计算得,5-2煤层所留设的煤柱强度为12.9 MPa.

3.2 5-2煤层开采区房柱稳定性验算

采用辅助面积法进行煤柱平均应力计算[6]. 采空区煤柱支撑了全部上覆岩体的重量,见图4. 则煤柱平均应力为:

式中:Sp为煤柱平均应力,MPa;r为覆岩容重20.01 kN/m3;H为5-2煤层采深,m;W为煤柱宽度;B为煤房宽度;L为煤柱长度。将以上参数代入上式得出煤柱应力为6.128 MPa. 综上可得煤柱稳定性安全系数为2.11>2.0,煤柱处于稳定状态。

图4 房式采空区煤柱平均应力计算示意图

4 数值模拟计算分析

4.1 数值模拟模型的建立

根据实际开采状况沿煤层走向建立长600 m×高200 m的模型,模型两侧和底部留有一定的固定边界。建立的有限元数值模型图见图5[7]. FLAC3D数值模拟所用的参数见表2. FLAC3D数值模拟选用摩尔-库仑屈服准则。模型上各煤层均从左侧65 m处开始开采。

4.2 模拟结果与分析

1) 下部5-2煤开采后采空区稳定性及上煤层3-2煤层破坏模拟。

图5 数值模型图

表2 模拟的煤岩层物理力学参数表

5-2煤利用房柱式采煤法分别开采4组煤房、8组煤房、15组煤房后,5-2煤顶板岩层和上部3-2煤层移动、破坏情况以及应力分别见图6.

从图6可看出,5-2煤层顶板岩层和上部3-2煤层最大下沉值约35 mm,上覆煤层移动值较小,连续性和完整性好。房柱式采煤法开采完后,应力主要集中在中间煤柱内部,且开采中间部位煤房煤柱为主要的应力集中区域。同时上部3-2煤层处应力连续,表明此煤层开采没有对上覆3-2煤层造成影响。

图6 5-2煤层开采覆岩移动及煤柱垂直应力图

2) 顶部2-2、3-2煤层开采后房采采空区稳定性模拟。

顶部2-2、3-2煤层回采结束后,下伏煤层5-2房式采空区顶板岩层和房柱煤层移动、破坏情况以及应力见图7.

从图7可看出,顶部2-2、3-2煤层工作面进行回采后下方5-2煤层房柱式开采形成的煤柱整体位移变化不大,同时2-2、3-2煤层工作面上覆岩层最大垮落位移为2.31 m且工作面中部下沉量最大。观测2-2煤层回采后下方3-2煤层没有发生任何位移变化。2-2、3-2煤层回采过后,煤层围岩塑性破坏区域主要出现在2-2煤层上方,对于下方3-2煤层没出现任何塑性破坏,同时底部5-2煤层遗留煤柱以及采空区破坏未增加。2-2煤层回采过后应力重新分布,下伏煤层5-2的采空区和遗留煤柱应力增高,但3-2煤层所处区域内应力连续且变化不大。表明2-2煤层的开采对3-2煤层应力分布影响较弱。

图7 顶煤2-2、3-2煤层回采后5-2煤柱变化状态图

5 现场效果验证

整个工程实践过程中,在上覆煤层进行正常开采的同时,对下部5-2煤层采空区煤柱进行应力监测。在5-2煤层采空区等距离选取4个煤柱,分别安装钻孔应力计,以确保监测数据的科学性与准确性。通过对煤柱应力变化情况进行分析,进而验证模拟结果的准确性。

通过监测得出采空区煤柱钻孔应力值在上覆煤层开采过程中随时间的波动曲线,见图8.

图8 煤柱应力变化情况图

从图8可以看出,4个钻孔所测应力均介于2.3～4.2 MPa,并且每一个钻孔应力数据并没有明显随时间变化的趋势,因此工程活动没有影响到煤柱的应力,整个过程煤柱完好无损,不影响上覆煤层的正常开采。

6 结 论

1) 分析了山西某矿5-2煤房柱式采空区条件下进行上覆2-2、3-2煤开采的主要影响因素。在理论上确定了2-2、3-2煤开采在技术上是可行性的。

2) 通过对煤柱稳定性系数的理论计算,得到2-2、3-2煤层在开采前其下部的5-2煤层采空区煤柱安全系数为2.11,处于稳定状态。

3) 通过理论分析、理论计算和FLAC3D数值模拟相结合的研究方法,综合得出下煤层5-2煤房采空区对其上部的2-2、3-2煤层没有影响,2-2、3-2煤层能够正常开采。