厚煤层残煤复采矿压显现规律研究

路 鑫，宋旭斌，张晓岩

(潞安化工集团有限公司 古城煤矿，山西 长治 046000)

近年来，残煤复釆在我国越来越引起重视。从理论和技术层面上讲，残煤复釆作为一种较新的特殊开采方法，到目前为止,国内外大多是一些定性的研究，定量的较少。国内在残煤资源开采工艺、残煤资源开采经济效益等方面做了相关研究[1-4]。与此同时，国内学者对残煤复采工作面的围岩控制进行了研究[5-8]。然而这些研究很少涉及到工作面在含老巷时矿压显现规律。本文以新岭煤矿地质条件为基础，研究工作面在通过老巷时的矿压显现规律。

1 地质概况

由于新岭煤矿历史上各小矿井采煤方法落后，采用巷采方式进行回采，采区回采率不足10%，造成了大量煤炭资源的浪费。工作面煤层赋存有如下特点：

1) 煤层平均较厚，且厚度变化大，如煤层厚度变化3.70～8.96 m，平均5.92 m。

2) 复采工作面区段规模小，一般走向长度300～500 m，倾斜长度较短，一般不超过80 m。

3) 工作面内部存在大量老空垮落区，顶板完整性差。

如采用综采放顶煤采煤法，在回采过程中将面临：工作面规模小(平均长度70 m)造成搬家频繁，从而无法发挥综放面设备的产能与技术优势，另外，工作面两巷道间距变化大造成的延面和缩面问题，以及端面顶板控制灵活性差造成易于冒顶的问题等，严重影响工作面的推进速度，容易引起采空区顶煤的自燃，从而带来安全管理方面的困难。鉴于该矿在炮采放顶煤方面已拥有成熟的生产管理经验和完善的技术设备，决定选用炮采放顶煤采煤作为工作面复采工艺。

2 厚煤层残煤复采工作面矿压规律数值模拟研究

2.1 数值模拟方案

1) 建立模型。以新岭煤矿复采工作面的地质条件为基础，建立二维数值计算模型。模型尺寸为240 m×90 m，为了消除边界效应对模拟结果的影响，模型两侧各留50 m保护煤柱，工作面推进距离为140 m，综合各因素，模型宽度取240 m，模型垂直方向高度取90 m。模型共取8个完整岩层，自上而下分别是表土层、粉砂岩、砂岩、中砂岩、21号煤、粉砂岩、砂岩和细砂岩，各岩层的厚度修正后分别取14 m、18 m、8 m、4 m、5.92 m、6 m、16 m和18 m。所建数值模型如图1所示。

图1 数值模型示意

2) 模型本构关系与岩体属性参数。根据现有的实验数据和前人的模拟参数取煤层和各岩层的属性参数如表1和表2所示。

3) 模拟方案。根据研究需要，进行了以下方案的模拟分析：

方案1：模型在无老巷的影响下求解平衡后，进行开挖，分析工作面在无老巷时矿压显现规律。

方案2：模型中开挖宽度为6 m的老巷，模拟老巷平行工作面矿压显现规律，求解平衡后进行开挖，对比分析工作面在含老巷时矿压显现规律。

方案3：模型中设置宽度为3 m、6 m、9 m和12 m的老巷分别求解平衡后，进行开挖，对比分析不同宽度的老巷对工作面矿压的影响。

表1 煤岩层力学参数

2.2 不含老巷条件下矿压显现规律

上覆岩层的压力使煤壁遭到破坏，支承压力极限平衡区在煤壁的附近区域，支承压力峰值出现在极限平衡区与弹性区的分界点；工作面超前应力分布可以分为三个区，分别为应力降低区、应力增高区与原岩应力区。图2和图3分别为21号煤层不含老巷时沿工作面推进方向的支承压力分布图和塑性区分布图。

图2 超前支承压力分布图

从图2(a)看出工作面开切眼后，工作面超前支承压力的应力增高并不明显，随着工作面的不断推进，直接顶初次垮落，顶板压力被传递到工作面前方，应力峰值出现在工作面前方约4 m处，如图2(b)所示；随着工作面继续推进，老顶初次垮落，如图2(c)所示，相比直接顶初次垮落而言，工作面前方应力峰值的位置前移至约4.5 m处，应力增高区范围增加。

图3 塑性区分布图

从图3中可以看出，工作面开切眼后，只在工作面部分顶煤出现屈服现象，表明工作面开切眼时应力集中现象不明显，应力接近岩层自重产生的应力大小。随着工作面的推进，直接顶初次垮落，在工作面前方4 m范围内有屈服现象，这表明上覆岩层对工作面造成的应力集中现象逐渐明显。工作面继续推进，老顶垮落，工作面大部分顶煤和工作面前方4.5 m范围内大面积出现屈服现象，顶煤中出现大面积塑性破坏区。

2.3 老巷影响下矿压显现规律

在工作面推进过程中，若前方有老巷，随着工作面不断靠近老巷，工作面与老巷之间就会形成宽度不断变化的煤柱，煤柱宽度随着工作面的不断推进而逐渐减小，煤柱上的应力集中现象也就愈加明显。下面就以老巷宽度为6 m的模拟结果来分析含有老巷条件下的矿压显现规律。

从图4(a)中可以看出，工作面前方约4 m处出现一个应力峰值点。随着工作面的推进，工作面前方的应力峰值点也逐渐向前移动。当工作面距老巷11 m时，如图4(c)所示，煤柱上的应力开始出现叠加，达到5.57 MPa，老巷两侧应力集中现象明显。

图4 支承压力分布图

图5 塑性区分布图

图5是老巷条件下工作面推进过程中塑性区分布情况。在工作面与老巷距离大于25 m时，工作面与老巷之间的煤柱不受老巷影响。当工作面与老巷相距11 m时，两塑性区相汇，随着工作面继续推进，煤柱塑性破坏程度不断增加，老巷远离工作面一侧塑性区则开始扩展。当工作面推过老巷后，塑性区范围又逐步减小到正常推进情况。由此可见,老巷的存在，增大了工作面前方煤体的破坏范围，为工作面顶板控制带来困难。根据模拟结果，当工作面距离老巷11 m时，需要开始加强顶板支护。

2.4 不同老巷宽度条件下矿压显现规律对比分析

为了分析不同老巷宽度条件下工作面的矿压显现规律，针对工作面距离老巷11 m的情况进行分析，分别模拟了老巷宽度0 m(不含老巷)、3 m、6 m、9 m和12 m等五种不同的情形，图6是不同老巷宽度条件下，工作面超前支承压力的分布情况。

图6 不同老巷宽度条件下工作面超前支承压力分布图

在几种不同的模拟方案中设置观测点，观测点坐标一致，对不同老巷宽度条件下测点应力统计结果如表3所示。

表3 不同老巷宽度条件下应力统计结果

从表3可以看出，随着老巷宽度的增加，煤柱上的应力不断增大，当老巷宽度超过6 m时，煤柱上的应力不再增大，表明煤柱已发生塑性破坏，失去承载能力，应力不再升高，工作面超前应力影响区域向老巷另一侧转移。在现场对于老巷宽度超过6 m的巷道应该尤其注意加强支护，保证工作面安全通过老巷。

图7 不同老巷宽度条件下塑性区分布图

图7为不同老巷宽度条件下塑性区分布图。图中所示工作面距离老巷均为11 m且均为充分采动条件下的塑性区分布图，塑性区分布大小随着老巷宽度的增加而出现扩大的趋势，在老巷宽度超过6 m时，工作面与老巷之间的煤柱塑性区贯通，煤柱出现破坏，如图7(c)所示；随着老巷宽度的继续扩大，煤柱出现全面的塑性破坏，可见，老巷的出现导致工作面前方塑性区比不含老巷时大，并且老巷宽度越大，工作面超前塑性区的范围就越大，因此，在现场应该探明老巷的宽度，为做好有针对性的支护提供依据。

3 结 语

1) 由于工作面规模受到限制，工作面两巷道间距变化也造成工作面长度变化，故难以采用综采放顶煤法；鉴于该矿在炮采放顶煤方面已拥有成熟的生产管理经验和完善的技术设备，故选用炮采放顶煤工艺。

2) 当工作面与老巷相距11 m时，两塑性区相汇，随着工作面继续推进，煤柱塑性破坏程度不断增加。当工作面推过老巷后，塑性区范围又逐步减小到正常推进情况。表明老巷的存在增大了工作面前方煤体的破坏范围。

3) 随着老巷宽度的增加，煤柱上的应力值不断增大，塑性区也逐渐扩大，当老巷宽度超过6 m时，煤柱发生塑性破坏。在现场应加强老巷的探测工作，对于宽度超过6 m的老巷应该尤其注意加强支护。