02 号煤层蹬空区域可采性研究★

2024-01-12范经天谢建林庞杰文郝永江

山西化工 2023年12期

范经天，谢建林，庞杰文，郝永江，柳凯

（太原科技大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030024）

0 引言

近年来，因国家资源整合，中小型煤矿兼并改造政策的实施，要求许多小型矿井合并重组，从而进行更加完善的规划和利用。目前，整合重组的矿井存在大量蹬空储煤区域，然而蹬空开采区域会受到已开采区域的影响，可能会出现裂隙发育、煤体整体弯曲下沉的情况，存在一定危险性，会极大增大巷道掘进和回采过程中顶板管理难度。在我国大多数矿井中，依据煤层分布情况，一般的采煤顺序为从上到下开采，即下行开采[1-2]，煤层初采之后形成的采空区，位于现采煤层上方。然而，由于考虑我国当前的采煤工艺、采煤设备以及资源利用等原因[3]，经常会优先开采煤质较好、围岩情况较好的煤层，在这种情况下，上部煤层就会被搁置。综合考虑我国当前的煤炭市场、煤炭资源储备情况，回采上方搁置的煤层才能让煤炭资源得到充分的利用。先采标高低的煤层，后采标高高的煤层，这种方法称为上行开采，即蹬空开采[4-5]。下部煤层采空之后，会对上部煤层的开采产生影响，围岩应力变化会导致开采过程中顶底板断裂破碎，甚至大面积悬空，造成严重的顶板事故，同时造成吸附的瓦斯释放，引起瓦斯和煤尘爆炸等一系列问题，增大开采危险性。近年来，国内煤炭科研专家对蹬空开采可行性进行了大量研究，侯文高[6]研究了朱子埠煤矿17煤蹬空开采效益，发现煤壁前方可能出现应力增高区，同时工作面支柱载荷和顶板下沉量呈周期性变化，提出了蹬空区域可采的理论开采条件和开采建议。张学东[7]使用概率分析法对蹬空去底板变形规律进行预判，同时用围岩平衡法、“三带”判别法、数理统计分析法等方法论证蹬空区域开采可行性，构建了蹬空采煤的理论架构。刘常荣等[8]研究了张家矿薄煤层蹬空开采区域的综采工作面的顶底板压力规律，得出顶底板应力集中现象可由支架工作阻力表示，并给出了特殊回采工艺和方法。马菁花等[9]研究了蹬空开采时工作面在不同推进距离下的顶板围岩变形特点、顶板来压步距，垮落情况及液压支架承载特点，得出顶板变形程度大小规律。刘超军等[10]对开采中期、后期和停采后围岩变形情况等现场数据进行分析，得出围岩变形速率明显小于停采后稳定条件下的围岩变形速率，蹬空开采区域下方煤柱可以有效稳定工作面煤体应力分布，从而提高资源利用率。屯兰煤矿在井田南部受2 煤回采影响，形成了02 煤的部分蹬空，需分析其可采性，为屯兰矿储量计算统计提供科学依据。

1 工程概况

井田位于太原西山煤田的西北部、马兰向斜的东翼。地层倾向南南西，倾角2°～15°，从井田整体构造形态看，呈一走向北北东～北北西倾向南西～南东的波浪状单斜构造，有少量宽缓褶皱，但次一级小型波状褶曲发育，断层较多且成组出现，井田内的主要构造为断层和陷落柱，其次为褶皱。

矿井采用“两斜一立”综合开拓方式，设计+750 m、+650 m 两个水平开采，现生产水平为+750 m 水平，+650 m 为接替水平。根据屯兰煤矿地质资料可知，02煤层厚0.00～2.32 m，平均0.78 m。井田北半部02 号煤层发育不好，多处出现尖灭区，蕴藏区煤层厚度由井田北部向南部逐渐增厚，大部分可采区位于井田南部。02 煤的顶底板多为砂质泥岩，泥岩或粉砂岩。2 煤顶板以砂质泥岩和泥岩为主，次为细粒砂岩和炭质泥岩，底板以炭质泥岩为主，次为砂质泥岩。

结合矿井采掘现状，目前02 煤存在蹬空的区域分布在井田南部，主要受2 号煤层回采影响。蹬空区钻孔参数见表1。

表1 蹬空区钻孔参数

2 02 号煤层被蹬空煤炭资源可采性理论分析

影响上行开采的主要因素有：煤层间距、层间结构、层间岩性、煤层厚度、采高、采煤方法、开采间隔、煤层倾角等[11]。蹬空开采可行性论证的理论判别方法有比值判别法、“三带”判别法、围岩平衡法、数理统计分析法、经验公式分析法和顶底板破坏规律实测法[12-13]，本文拟采用比值判别法、围岩平衡法和数理统计分析法对02 煤层蹬空可行性进行分析。

2.1 比值判别法

比值判别法[12]是通过分析采动影响倍数及综合采动影响倍数及上覆岩层的岩性，判定煤层是否可进行蹬空开采。其中，采动影响倍数K 是指上下煤层的层间距H 与下煤层采高M 之比，见公式（1）、图1。

图1 两层煤层蹬空顺序开采的比值判别

式中：K 为上下煤层层间距与下煤层采厚的比值；H为上下煤层层间距，m；M2为下位m2煤层的采厚，m。

我国蹬空开采的大量研究数据表明：当上、下煤层之间为坚硬岩层且K≥8 时，上层煤蹬空开采可行；当上、下煤层之间为中硬岩层且K≥7.5 时，上层煤蹬空开采可行；当上、下煤层之间为软弱岩层且K≥7 时，上层煤蹬空开采可行。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中对覆岩岩性的判定依据可知02 煤层和2 煤层之间岩层属于中硬岩层。将煤层厚度、层间距等数据带入公式（1）计算，结果如表2 所示，K 值均小于7.5，因此02 煤蹬空开采不可行。

表2 02 煤蹬空区可采性比值判别法结果

2.2 围岩平衡法

平衡岩层是指在回采过程中不产生台阶错动现象的平衡岩层结构。蹬空开采会破坏煤岩的应力平衡状态，出现应力集中现象，上覆煤岩受到横向和纵向剪切拉伸破坏，产生大量煤层裂隙，导致煤层被破坏，但是煤层裂隙会随着时间的延长慢慢闭合，纵向剪切变形会引起无煤层台阶错动，是影响蹬空开采的主要因素。控制纵向剪切变形，就是蹬空区域围岩压力平衡问题。围岩平衡高度[12]是下煤层顶板至平衡岩层顶板的高度，见公式（2）。

式中：M 为下煤层煤厚，m；hp为平衡岩层本身的厚度，m；K1为距煤壁L（来压步距）处的岩石碎胀系数。

采用围岩平衡法判别开采可行性时，需要考虑煤层之间的岩性，K1取值为1.1，平衡岩层厚度取4.8 m。将各数值代入公式（2），计算蹬空开采必要层间距HP，结果如表3 所示，02 煤与2 煤的层间距均小于蹬空开采必要层间距，因此02 号煤层不具备开采可行性。

表3 02 煤蹬空区可采性围岩平衡法结果

2.3 数理统计分析法

北京开采所刘天泉院士[13]通过数理统计分析法出求出了受下部一个煤层采动影响的蹬空开采的必要层间距H 计算公式，见公式（3）。

式中：M 为下煤层煤厚，m；MS为上煤层煤厚，m。

将2 号煤采高与02 号煤厚度代入公式（3），计算受下部一个煤层采动影响的蹬空开采的必要层间距H，计算结果如表4 所示。02 煤与2 煤的层间距基本均小于蹬空开采必要层间距，因此区域内02 号煤层不具备开采可行性。

表4 02 煤蹬空区可采性数理统计法结果

2.4 02 煤蹬空区域可采性综合分析

经上述方法判定，比值判别法、围岩平衡法、数理统计分析法判定结果均为02 煤不符合可采判别依据，因此综合判定02 煤蹬空区域不具备可采性。

3 02 号煤层被蹬空煤炭资源可采性数值模拟

3.1 数值模型的建立

根据屯兰煤矿煤层赋存情况，建立FLAC3D 仿真模型，如图2 所示。模型尺寸为300 m×320 m×260 m，共有74 层岩层，8 种岩性。岩石力学参数如表5所示。模型共划分948 000 个单元，1 013 549 个节点。模型施加初始应力，水平应力与垂直应力比为1.2∶1。自上而下为递增应力，垂直应力梯度为2.5×10-2MPa/m，水平应力梯度为3.0×10-2MPa/m。根据矿方所提供的地质资料，2 煤埋深约为325 m，计算可知模型上部均布荷载为4.63 MPa，模型的前、后、左、右四侧采用铰支边界。考虑数值模拟的边界效应问题，模型四周各留50 m 煤柱用以消除开挖模型带来的边界影响，工作面沿Y 方向布置，工作面长度为220 m，X 方向为工作面推进方向。

图2 模型图

表5 煤岩物理力学参数

3.2 模拟方案

模拟计算分为两步，第一步：在初始应力条件下，模型运算至平衡状态，模拟岩层开挖前的状态；第二步：2 煤层开挖，每开挖10 m，进行一次运算，共开挖200 m，以此分析煤层开挖后上覆岩层的破坏规律以及其对上层煤的影响。

3.3 2 煤回采对02 煤的影响分析

图3 为2 煤工作面推进10、40、80、120、160、200 m时塑性区分布图。由图3 可以看出，工作面推进10 m时，工作面上覆岩层受到剪切应力和拉应力作用，作用范围是工作面上方直接顶；工作面推进40 m 时，工作面上覆岩层发生不同程度的剪切和张拉破坏，导致工作面直接顶密闭性被破坏；直接顶上方细砂岩和粉砂岩岩层应力区域趋于稳定，未受到破坏，之上的砂质泥岩受剪切应力影响；工作面推进80 m 时，上方粉砂岩发生程度较大的张拉破坏，直接顶砂质泥岩和细砂岩受到剪切应力和拉应力作用，工作面两端发生较深的剪切破坏区域，高度为12.4 m，影响区域为工作面两端以内9 m，作用范围为工作面上方直接顶、基本顶和之上的粉砂岩，最高破坏区域为工作面两端以内15 m 位置的17.6 m 高处；工作面推进120 m 时，塑性破坏高度稳定，不再向上扩展，横向继续延伸，张拉破坏作用厚度由4.5 m 延伸到9 m，影响区域为工作面两端以内6 m；工作面推进160 m 时，位于基本顶上方的粉砂岩受到张拉破坏的区域趋于稳定，张拉破坏作用厚度约为10 m，影响区域为工作面两端以内4 m；工作面推进200 m 时，位于基本顶上方的粉砂岩张拉破坏区域稳定，几乎没有变化，影响区域为超出工作面两端8 m；煤层开采后，上覆岩层沉降离层，顶板受到破坏。