張浩春

(山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500)

煤礦是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，在多目標(biāo)限定的情境下常常需要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)開(kāi)采。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤層的協(xié)調(diào)開(kāi)采領(lǐng)域開(kāi)展了大量的工作，主要有：煤與共伴生資源[1]、井下“采選充”協(xié)調(diào)開(kāi)采[2，3]，以及日益重視的資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采研究[4]。然而，許多西部礦井屬于淺埋煤層群賦存條件，多煤層間受煤質(zhì)、煤厚、老空區(qū)等因素的影響需要進(jìn)行煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采。

在煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采方面，楊振乾[5]評(píng)價(jià)了煤層群非常規(guī)保護(hù)層工作面卸壓增透效果，實(shí)現(xiàn)了被保護(hù)層與保護(hù)層工作面間的協(xié)調(diào)開(kāi)采，紀(jì)欣卓[6]優(yōu)化了采選充一體化礦井的采充協(xié)調(diào)配采方案。在淺埋煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采礦壓規(guī)律研究方面，近距離煤層重復(fù)采動(dòng)條件下，郝相應(yīng)等[7]通過(guò)分析覆巖特征和來(lái)壓情況實(shí)現(xiàn)了支架合理選型，陸少帥等[8]通過(guò)實(shí)測(cè)和相似模擬確定了重復(fù)采動(dòng)的垮采比和巖層移動(dòng)角量參數(shù)。黃慶享等[9-11]對(duì)淺埋煤層群重復(fù)采動(dòng)的覆巖裂隙、巖層移動(dòng)和礦壓分布特征進(jìn)行了大量的研究，對(duì)于工作面布置、煤柱留設(shè)和采動(dòng)損傷控制提出了有效的模型和措施。張村等[12-14]獲得了重復(fù)采動(dòng)的應(yīng)力路徑 “破裂彈”煤巖樣的破碎壓實(shí)特征。然而，對(duì)于淺埋煤層群工作面間復(fù)雜空間分布和多變的開(kāi)采參數(shù)條件下協(xié)調(diào)開(kāi)采及過(guò)程中涉及的礦壓研究，以及煤層群多工作面間的協(xié)調(diào)開(kāi)采規(guī)劃研究還相對(duì)缺乏。本文以山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司沙坪煤礦為工程背景，針對(duì)多工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采規(guī)劃面臨復(fù)雜生產(chǎn)地質(zhì)條件下礦壓和巖層移動(dòng)特征分析困難的問(wèn)題，通過(guò)理論分析協(xié)調(diào)開(kāi)采難點(diǎn)，建立盤區(qū)尺度的數(shù)值模型，分析關(guān)鍵工作面的接續(xù)時(shí)機(jī)，確定盤區(qū)工作面時(shí)空協(xié)調(diào)開(kāi)采順序，指導(dǎo)工作面規(guī)劃和采掘計(jì)劃的科學(xué)制定。

1 工程概況

沙坪煤礦地質(zhì)勘探表明共有5層可采煤層，即9#—13#煤層，其中，9#和10#煤層穩(wěn)定可采，平均煤厚分別為4.0 m和2.0 m，適宜采用綜采；11#和12#煤層平均厚度約1.0 m，且賦存極不穩(wěn)定，區(qū)域內(nèi)布置工作面困難；13#煤層為特厚煤層，全礦井穩(wěn)定可采，一盤區(qū)內(nèi)平均煤厚13.0 m，二盤區(qū)內(nèi)平均煤厚18.0 m，采用放頂煤工藝生產(chǎn)。由于一盤區(qū)內(nèi)中上組煤受小窯開(kāi)采破壞，老空區(qū)復(fù)雜分布，僅布置13101～13104，共計(jì)4個(gè)綜放面，二盤區(qū)內(nèi)涉及多煤層工作面之間的協(xié)調(diào)開(kāi)采，13#煤層工作面分布情況如圖1所示。

圖1 13#煤層工作面分布情況

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[15]，需要在既定的大巷布置和盤區(qū)劃分條件下，既保障礦井產(chǎn)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效益均衡，又需要避免同時(shí)生產(chǎn)工作面數(shù)量過(guò)多造成采掘緊張、管理困難和采動(dòng)疊加引發(fā)的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)，將礦井9#-12#中組煤層與下部13#特厚煤層進(jìn)行配采，實(shí)現(xiàn)煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采。二盤區(qū)工作面空間分布如圖2所示。

圖2 二盤區(qū)工作面空間分布垂直剖面(m)

2 近距離煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采中存在的問(wèn)題

沙坪煤礦一盤區(qū)內(nèi)僅有13101、13102、13103和13104工作面，綜放工作面接替順序?yàn)?3103→13102→13101→13104→13204→13203→13202→13201，綜采工作面接替順序?yàn)椋?204→9203→9202→9201→10203→10202→10201。

1)9204工作面雙巷掘進(jìn)生產(chǎn)后礦方考慮到區(qū)段煤柱在開(kāi)采后將產(chǎn)生許多問(wèn)題[16]：區(qū)段煤柱浪費(fèi)了大量的煤炭資源，影響采區(qū)采出率；遺留的區(qū)段煤柱對(duì)于近距離煤層群重復(fù)采動(dòng)而言，將形成應(yīng)力集中等致災(zāi)隱患；雙巷掘進(jìn)巷道掘進(jìn)率高，不利于緩解采掘緊張。為避免這一問(wèn)題，采用高水充填沿空留巷取消了區(qū)段煤柱[17，18]，實(shí)現(xiàn)中組煤無(wú)煤柱開(kāi)采。13#煤采用6m小煤柱沿空掘巷，盤區(qū)間留設(shè)了50 m的安全煤柱。

2)根據(jù)沙坪煤礦工作面規(guī)劃圖，二盤區(qū)內(nèi)9201與13103，10201與13104工作面可能存在空間壓覆關(guān)系，應(yīng)進(jìn)一步研究判斷是否需要對(duì)初期確定的工作面接續(xù)順序進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

3 二盤區(qū)工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采數(shù)值建模

由于二盤區(qū)工作面布置方式和參數(shù)均有變化，傳統(tǒng)的理論分析難以直觀判斷工作面間的開(kāi)采擾動(dòng)，而數(shù)值模擬方法對(duì)于地下工程復(fù)雜的空間布局優(yōu)化具有顯著的優(yōu)勢(shì)[19]。根據(jù)二盤區(qū)地質(zhì)探測(cè)結(jié)果，建立了二盤區(qū)工作面協(xié)調(diào)開(kāi)采的FLAC3D數(shù)值模型，如圖3所示。模型尺寸為1300 m×100 m×94 m(X×Y×Z)，初始采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，工作面走向兩側(cè)留設(shè)邊界煤柱不小于100 m。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，最大水平主應(yīng)力為西北方向，與工作面推進(jìn)方向基本一致，X和Y方向的地應(yīng)力分別取垂直應(yīng)力的0.9和1.7倍。經(jīng)過(guò)與正在回采的13103工作面采動(dòng)應(yīng)力和開(kāi)采沉陷的雙重標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬與工程實(shí)際校核。數(shù)值模擬中各巖層的參數(shù)取自基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)折減，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 盤區(qū)尺度煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采數(shù)值模型

建模后對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，為便于后續(xù)工作面的開(kāi)挖，對(duì)各工作面進(jìn)行了分組，分組后各工作面的分布情況如圖3所示。開(kāi)挖采用不同的本構(gòu)模型，開(kāi)啟大變形計(jì)算模式，不同本構(gòu)模型間設(shè)置Interface，避免模型穿透和應(yīng)力位移傳遞中斷。

模型內(nèi)中組煤綜采工作面開(kāi)挖后采用Null模型表征采空區(qū)的特征，綜放工作面由于平均采厚為18 m，直接采用Null模型后，大變形條件下容易在邊界直角處發(fā)生“Illegal Geometry”錯(cuò)誤。采空區(qū)碎石隨著采動(dòng)穩(wěn)定逐漸被壓實(shí)，這種特征可以采用FLAC3D中的Double-Yield本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，垮落碎石整體符合SALAMON提出的碎石壓實(shí)理論[20]，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

式中，σv為垂直應(yīng)力，MPa；E0為垮落帶巖石的初始彈性模量，MPa；ε為當(dāng)前垂直應(yīng)變；εm為最大垂直應(yīng)變。

因此，為綜合考慮計(jì)算效率和采動(dòng)響應(yīng)，綜采工作面采空區(qū)單元用Null本構(gòu)，綜放工作面應(yīng)當(dāng)考慮垮落帶范圍內(nèi)巖層的變形和壓實(shí)特征，采用Double-Yield本構(gòu)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的采動(dòng)響應(yīng)反演[21]，垮落帶范圍單元雙屈服模型力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[22]。

表2 垮落帶單元雙屈服模型力學(xué)參數(shù)

4 關(guān)鍵工作面接替時(shí)機(jī)分析

4.1 13103工作面采動(dòng)影響

13103工作面采動(dòng)影響如圖4所示，由圖4(a)可知，13103工作面開(kāi)采后，13104工作面臨空側(cè)形成應(yīng)力集中，若采用沿空掘巷技術(shù)需等到采空區(qū)垮落壓實(shí)穩(wěn)定，工作面接續(xù)需要跳采。13103工作面的開(kāi)采對(duì)9201工作面影響較小，應(yīng)力無(wú)明顯變化，最大側(cè)向支承壓力達(dá)11.84 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.36，采空區(qū)中部應(yīng)力恢復(fù)至約3～4 MPa。采動(dòng)后邊界角約為73°，采空區(qū)頂板垮落角由于采高較大，近乎等于90°。由圖4(b)可知，側(cè)向采動(dòng)影響角為45°，綜放開(kāi)采后覆巖全部發(fā)生破壞，但塑性區(qū)未發(fā)育至9201工作面。

圖4 13103工作面采動(dòng)影響

根據(jù)礦井煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采地質(zhì)條件，受中組煤壓覆，僅13104工作面符合跳采條件，其他綜放工作面無(wú)法進(jìn)行跳采。據(jù)此，若考慮減小區(qū)段煤柱并兼顧工作面順序接替，可對(duì)煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化，但煤柱尺寸減小范圍有限，存在采出率和巷道維護(hù)成本之間的矛盾。因此，在綜放工作面選擇了切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)[23]，保障了綜放工作面間的順序接替。

4.2 13104工作面的接替時(shí)機(jī)

4.2.1 中組煤未開(kāi)采時(shí)

二盤區(qū)工作面未開(kāi)采時(shí)，若先開(kāi)采13104工作面，上覆9202和9201工作面將受到破壞，塑性區(qū)分布如圖5所示。9201工作面中部位移達(dá)8～9 m，9202工作面邊界也發(fā)生了部分垮落，10201工作面不受影響。據(jù)此可以確定，13104工作面接續(xù)應(yīng)在9201和9202工作面開(kāi)采結(jié)束后進(jìn)行。結(jié)合13103工作面開(kāi)采可知，實(shí)體煤下綜放開(kāi)采的側(cè)向采動(dòng)影響角同為45°。

4.2.2 二盤區(qū)9#煤開(kāi)采結(jié)束后

在二盤區(qū)9#煤開(kāi)采結(jié)束后，對(duì)13104工作面進(jìn)行開(kāi)采，覆巖垂直應(yīng)力和塑性區(qū)演化如圖6所示。由圖6(a)可知，13104工作面開(kāi)采結(jié)束后左側(cè)區(qū)段煤柱應(yīng)力集中程度較高，右側(cè)盤區(qū)煤柱寬50 m，因此應(yīng)力集中程度顯著降低。采空區(qū)邊界形成了應(yīng)力集中區(qū)域，但是未影響到10201工作面。由圖6(b)可知，側(cè)向采動(dòng)影響角為70°，未對(duì)10201工作面產(chǎn)生新的影響。

4.2.3 二盤區(qū)中組煤開(kāi)采結(jié)束后

中組煤開(kāi)采結(jié)束時(shí)對(duì)13104工作面進(jìn)行開(kāi)采的覆巖應(yīng)力云圖與塑性區(qū)分布如圖7所示。由圖7(a)可知，由于10#煤層的開(kāi)采在10201工作面采空區(qū)邊界區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中，增加了13#煤層盤區(qū)煤柱的應(yīng)力集中程度。由圖7(b)可知，50 m的盤區(qū)煤柱對(duì)上覆巖層起到了較好的控制作用，阻隔了塑性區(qū)的貫通，開(kāi)采造成的側(cè)向采動(dòng)影響角為60°。

圖7 二盤區(qū)中組煤采空區(qū)下13104工作面采動(dòng)影響

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

當(dāng)前礦井工作面開(kāi)采處于規(guī)劃階段，不能直接對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)相鄰礦井調(diào)研表明，在上部9#煤層工作面采空，疊加13#煤工作面開(kāi)采的影響條件下采空區(qū)中部開(kāi)采沉陷疊加，實(shí)測(cè)最大下沉值12.8 m，累計(jì)采厚15.5 m，下沉系數(shù)0.83，13#煤綜放開(kāi)采側(cè)向采動(dòng)支承壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，應(yīng)力集中系數(shù)為2.31，與數(shù)值模擬結(jié)果一致性較好。

4.4 工作面時(shí)空接續(xù)

基于工作面時(shí)空協(xié)調(diào)開(kāi)采建模，采用1個(gè)綜采工作面配合1個(gè)綜放工作面生產(chǎn)方式，按設(shè)計(jì)產(chǎn)能8.00 Mt/a進(jìn)行協(xié)調(diào)開(kāi)采規(guī)劃。9#和10#煤層工作面接續(xù)順序?yàn)椋?204→9203→9202→9201→9302→9306→10203→10202→10201。綜放工作面于依次開(kāi)采13#煤一盤區(qū)13103、13102、13101、13104工作面，開(kāi)采結(jié)束于2024年4月。依次開(kāi)采13#煤二盤區(qū)13201、13202、13204、13204工作面，開(kāi)采結(jié)束于2029年8月，為礦井中長(zhǎng)期達(dá)產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和生產(chǎn)效益均衡提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié) 論

1)對(duì)于工作面參數(shù)多變的煤層群多工作面的協(xié)調(diào)開(kāi)采研究，采用盤區(qū)尺度數(shù)值模擬具有顯著優(yōu)勢(shì)。不僅可以實(shí)現(xiàn)各開(kāi)采方案的采動(dòng)響應(yīng)定量化分析，而且可以得到特定開(kāi)采條件下的巖層采動(dòng)影響角和重復(fù)采動(dòng)沉陷特征。

2)獲得了特厚煤層綜放開(kāi)采的側(cè)向采動(dòng)影響角變化規(guī)律，指出了13104工作面的接替時(shí)機(jī)。實(shí)體煤下特厚煤層綜放開(kāi)采的采動(dòng)側(cè)向影響角為45°，9#煤非對(duì)稱采空條件下采動(dòng)側(cè)向影響角為70°，中組煤開(kāi)采結(jié)束后13104工作面采動(dòng)側(cè)向影響角為60°，初步確定采空區(qū)下工作面重復(fù)采動(dòng)側(cè)向影響范圍變小，此外覆巖采空區(qū)分布的對(duì)稱性也決定著采動(dòng)側(cè)向影響角。為避免下部煤層開(kāi)采破壞上部工作面的覆巖完整性，13104工作面接續(xù)應(yīng)當(dāng)在9201和9202工作面開(kāi)采結(jié)束后進(jìn)行。

3)基于煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采準(zhǔn)則，確定了二盤區(qū)工作面時(shí)空接續(xù)方案。按設(shè)計(jì)產(chǎn)能8.00 Mt/a進(jìn)行協(xié)調(diào)開(kāi)采規(guī)劃，采用1個(gè)綜采工作面配合1個(gè)綜放工作面的生產(chǎn)方式，確定了2022—2029年的礦井煤層群協(xié)調(diào)開(kāi)采方案。