残采区复采矿压显现规律模拟研究

刘建胜,年 军,程文旭,王卫鹏

(1.霍州煤电集团 河津腾晖煤业有限责任公司, 山西 运城 043300;2.太原理工大学, 山西 晋中 030600)

我国能源特点是富煤、贫油、少气,以煤为主的能源结构将长期不变。受历史原因与技术水平所限,早期我国煤矿主要通过旧式采煤法采煤,平均采出率为30%～35%,部分小型煤矿及乡镇煤矿的采出率仅为10%～20%,开采效率低,大量资源被浪费[1].

近几年,我国开始开展残采煤炭回收计划和矿井煤炭资源整合,厚煤层废弃矿井资源将会成为整合矿井主要对象。众多学者对残采区复采进行了研究。李向鹏等[2]通过UDEC数值模拟软件研究了预留煤柱区域残煤的垮落特征及应力分布规律,定性分析得出在复采区原煤柱区域集中应力较大,煤体破碎,出现大量塑性变形。原采空区和废弃巷道区域应力较小,采空区中部煤体相比两侧和巷道位置更为密实。秦喜文[3]采用相似模拟的方法,研究综放复采工作面过煤柱及采空区时顶板变形规律,揭示了工作面覆岩破断规律。刘畅等[4]建立了过空巷采场基本顶破断的力学模型,提出了影响复采采场基本顶超前断裂的3个因素:复采工作面与空巷间煤柱宽度、复采工作面与周期断裂线距离、空巷宽度。以上研究为残采区复采奠定了理论基础,在前人研究基础上以腾晖煤矿2206工作面为研究背景,采用数值模拟的方法模拟研究残采区复采工作面过空巷、采空区矿压显现规律,进而实施针对性措施,解决了复采工作面过采空区、空巷问题,以资源改善整合型煤矿安全生产现状、延长矿井服务年限,实现整合矿井安全高效复采。

1 工程概况

腾晖煤矿井田位于山西省河津市下化乡杜家湾村、乡宁县枣岭乡店沟村一带。目前主要开采2号煤层,埋深323～462 m,2号煤层厚5.2 m,一般含0～2层夹矸,夹矸厚度约0.1 m,煤层结构简单。2206工作面东部受小窑破坏影响,上分层已基本采空,剩余煤层平均厚度3.4 m. 2号煤层直接顶大部分为砂质泥岩,基本顶为细、中粒砂岩,直接底多为泥岩,基本底为细、中粒砂岩。工作面顶底板岩性见表1.

表1 2号煤层顶底板岩性表

2 数值模拟

2.1 数值模型的建立

采用UDEC2D6.0模型模拟复采残采岩层移动规律。工作面推进过程中引起工作面覆岩运动与破断,数值模型中的不同应力及位移结果反映了在实际开采过程中岩层应力及位移的演化过程。围岩本构关系采用Mohr-Coulumb模型。

模拟计算模型边界条件:模型的左右及下部边界为位移边界,左右边界限制x方向的位移;下部边界限制y方向的位移,模型见图1.

图1 数值模型图

模型横向300 m,纵向100 m,水平方向上坐标为0～300 m,垂直方向为0～100 m,模型中的2号煤层为近水平煤层。横轴数值为整个模型走向长度。左右每侧留出30 m煤柱消除模型边界的影响。当上分层为空巷开采时,确定2号煤开切眼位置在上分层空巷前方10 m处,则2号煤开挖范围为水平方向上34～231 m. 当上分层为采空区开采时,确定2号煤开切眼位置在上分层空巷前方30 m处,则2号煤开挖范围为水平方向上34～255 m.

2.2 数值模拟结果分析

2.2.1 复采工作面过空巷矿压显现规律

对复采工作面分别过实体煤、5 m空巷和5 m遗留煤柱进行了数值模拟,结果见图2、图3. 随着复采工作面向前推进至接近空巷的位置,复采工作面回采过程中采动影响表现为顶板垂直来压严重,复采工作面的超前采动影响对空巷围岩压力效应逐渐增强。如图4所示,复采工作面继续向前推进,推进25 m时,顶板已经全部垮落,随着复采工作面推进至空巷,煤柱垂直应力集中,约为0.27 MPa.

图2 复采工作面推进10 m应力图

图3 复采工作面推进15 m应力图

图4 复采面推进25 m应力图及应力曲线图

如图5所示,随着工作面加深,复采面推进45 m时顶板垮落,上覆岩层出现离层裂隙,垂直应力约为0.34 MPa.

图5 复采面推进45 m应力图及应力曲线图

如图6所示,随着工作面进一步加深,顶板继续垮落,出现卸压松动,局部煤体离层破碎,垂直应力约为1.5 MPa.

图6 复采面推进70 m应力图及应力曲线图

由图2—6可知,复采工作面推进过程中,直接顶初次垮落步距为15～20 m,顶板压力较小,应力范围0.27～1.50 MPa,周期来压不明显。工作面推进对超前压力影响很小,主要是由于动压应力波受空巷及处于塑性流变状态下的残留煤柱阻断,超前压力最大值处于残留煤柱中间正下方位置11～13 MPa.

2.2.2 复采工作面过采空区矿压显现规律

对复采工作面分别过实体煤、20 m采空区和15 m遗留煤柱进行了数值模拟。如图7所示,随推采步距加深,复采工作面推进30 m位置处,工作面回采过程中采动影响表现为顶板垂直来压严重,采空区内直接顶全部垮落,基本顶岩层垮落高度直达上覆基岩,垂直应力约为0.9 MPa.

图7 复采面推进30 m采完实体煤应力及应力曲线图

如图8所示,随着工作面加深,复采面推进40 m时顶板垮落,上覆岩层出现离层裂隙,冒顶区岩体经挤压损伤和采动影响裂隙发育、更为破碎,垂直应力约为1.0 MPa.

图8 复采面推进40 m过采空区10 m应力及应力曲线图

如图9所示,随着工作面加深,复采面推进57 m时复采工作面推进至残留煤柱中部,直接顶先后发生拉伸破断和剪切冒落最终全部垮落,垂直应力约为1.3 MPa.

图9 复采面推进57 m至残留煤柱中部应力及应力曲线图

如图10所示,随着工作面加深,复采面推进65 m时,工作面通过煤柱后,该结构完全垮落稳定,应力递减明显,垂直应力约为0.8 MPa.

图10 复采面推进65 m过煤柱后应力及应力曲线图

由图7—10可知,复采工作面推进过程中,直接顶随采随冒,顶板压力较小,应力范围0.5～1.3 MPa. 工作面推进对超前压力影响很小,主要是由于动压应力波受采空区及处于塑性流变状态下的残留煤柱阻断,超前压力最大值处于残留煤柱中间正下方位置。

根据存在采空区时复采工作面推进数值模拟顶板跨落情况,初采时直接顶冒落步距为18～25 m;随着工作面的推进,当复采工作面推进到40 m时,基本顶发生破断,基本顶初次来压步距为45 m;随着工作面推进到57 m,直接顶随采随冒,基本顶第二次破断;随着复采工作面推进,基本顶周期来压,其步距为13～20 m.

结合现场实际情况,应用UDEC模拟软件建立了复采工作面过空巷与采空区的模型,得出了煤层及顶底板塑性区、采空区围岩应力分布规律和工作面超前应力分布规律。

3 结 论

1) 复采工作面上分层采空区及空巷的存在,使得煤层顶板及煤体全部位于塑性区内,致使围岩应力得以释放,复采工作面矿压显现不明显,压力的主要来源是处于塑性区的煤岩体。

2) 当复采工作面推进接近采空区时,复采工作面周期来压不明显,复采工作面压力分布不均,存在局部压力集中的现象,采场支架静载荷增加,动载减小。在复采工作面推进过程中,移架后上覆岩层会在采空区及煤体的上方出现垮落;在达到基本顶极限跨距后,基本顶会断裂、回转、触矸,然后进行“稳定-失稳-再失稳”循环过程。

3) 当复采工作面推进至上分层煤柱下方中部,工作面的压力达到最大,继续推进至煤柱后部时复采工作面的压力逐步变小。在复采工作面推进至煤柱下方时,复采工作面内压力出现波动,煤柱两端压力较小煤柱中部压力较高,需要加强复采工作面过煤柱中部时的顶板管理。