付云贵

(山西潞安集团 潞宁孟家窑煤业有限公司)

上世纪八九十年代，由于开采水平的限制以及煤炭行业的不景气，许多小煤窑采用房式或巷柱式等落后开采方式，遗留了大量的煤炭资源，造成了资源严重浪费[1]。为回收此类遗留煤炭资源，必须进行复采，由于复采区域存在大量的空巷、空区，造成了一定的资源回收困难，尤其是矿压显现规律，与采实体煤时的规律不一致，是复采研究中必须解决的问题。

在残煤复采矿压显现规律研究方面，张勇[2]现场测量得出复采工作面来压步距比正常工作面来压步距较短，来压强度较大，且支架支柱载荷不平衡，矿压显现更明显。李建平[3]运用相似材料试验得出复采工作面存在矿压显现较强烈的现象，尤其是工作面过空巷时尤为显著。张振林等[4]通过对采用刀柱式遗留煤柱回收时矿压显现规律进行理论分析，得出复采工作面与普采工作面的矿压显现规律有区别也有联系，且支架支撑力经历高压与低压交替出现现象。本文以某整合煤矿3101复采工作面为研究背景，运用数值模拟、现场实测方法对房式开采遗留煤柱回收时矿压显现规律进行研究，为遗留煤柱回收提供一定理论依据。

1 工作面概况

某整合矿3101复采工作面为正在回采工作面，主要为回收之前小煤窑房式开采所遗留煤柱，该工作面地面标高为+1 106～+1 180 m，工作面所在处标高为+950～+1 035 m，工作面平均埋深约150 m，主要回采3#煤层，煤层平均厚2.5 m，倾角为6°～8°，平均为7°，属于近水平煤层，煤层顶板为细砂岩、炭质泥岩、中砂岩；煤层底板主要为泥岩，煤层中含有厚度不均匀的夹矸，夹矸最厚处为0.1 m，可直接与煤一同采出，煤层中存在个别断层，但断层落差较小，不会影响安全回采，影响安全回采的主要因素为工作面前方存在空巷空区，揭露时可能会遇到老坑积水或瓦斯涌出，必须采取一定的安全措施。工作面顶底板特征见表1。

表1工作面顶底板特征

2 遗留煤柱回收数值模拟

2.1 模型建立

为研究遗留煤柱回收时矿压显现规律，以3101复采工作面为背景，采用UDEC离散元软件建立数值模型。模型尺寸为136 m×24.3 m(长×高)，长度方向为工作面推进方向，高度方向为垂直方向，模型共2 931个单元，包含3 682个网络节点，含有14 252 条节理。模型上边界为应力边界，应力为上覆岩层重力产生载荷，为3.75 MPa，模型两边以及下部边界为速度边界且限制速度为零，房式开采遗留的煤房宽度为4 m，遗留的煤柱宽度为6 m。建立的数值模型见图1，模型中各岩层力学参数及节理面力学参数分别见表2、表3。

图1 数值模拟计算模型表2 各岩层力学参数

岩层名称弹性模量/GPa泊松比μ抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)黏聚力/MPa细砂岩8.90.284.828.85.3炭质泥岩7.90.263.925.15.6中砂岩8.70.273.826.64.5煤层1.50.351.524.91.6泥岩4.60.221.927.62.5

表3 各岩层节理面力学参数

本次数值模拟采用Mohr-Coulomb屈服破坏准则，其判别式为[5]

(1)

ft=σ3-σ1.

(2)

式中，fs为岩体单轴抗压强度，Pa;ft为岩体抗拉强度,Pa；σ1、σ3分别为材料所受最大和最小主应力，Pa；C为材料黏聚力，Pa；φ为材料内摩擦角，(°)。

正常情况下，岩体的抗拉强度一般都较低，因此，当ft>0时，煤岩体会发生拉伸屈服破坏状态；当ft<0时，煤岩体会发生剪切屈服破坏状态[6]。

2.2 数值模拟结果分析

将模型进行计算平衡后，先对模型进行房式开采模拟，对模型煤柱进行回收，每次模拟开挖煤柱为2 m，3次开采循环后即可完成一个煤柱的回采。图2为工作面推进不同距离情况下上覆岩层垮落情况。

由图2(a)可看出，当工作面推进到18 m时，即第二个煤柱回采4 m，由于房式开采遗留煤柱存在支撑作用，工作面直接顶和老顶没有发生明显的弯曲下沉以及垮落情况，上覆岩层完整性较好，且支架没有发生明显下沉；当回采工作面推进到20 m(图2(b))，即第二个煤柱完全回收后，采空区与遗留煤房打通，工作面顶板变成大面积悬顶状态，顶板发生大面积垮落，支架支柱下沉量较大，且出现支架倾斜状态，工作面顶板出现初次来压现象，来压显现强烈，加上第二个煤柱前方的4 m宽煤房，来压步距为24 m；工作面出现初次来压后，继续对工作面进行回采，当工作面推进到28 m(图2(c))，即第三个煤柱回采4 m时，支架上覆顶板岩层出现下沉情况，但下沉距离较小，支架支柱出现下沉状态，下沉距离较小，工作面未出现来压状态；当回采工作面推进到30 m(图2(d))，即第三个煤柱完全回收后，工作面顶板悬顶距离突然由8 m变为14 m，支架载荷显著增加，支架支柱发生下沉，但较顶板初次来压时下沉量较小，说明此时支架载荷小于初次来压时支架载荷，顶板发生垮落，工作面顶板出现周期来压现象，加上第三个煤柱前方的4 m宽煤房，周期来压步距为10 m。

图2 工作面推进不同距离时上覆岩层垮落情况

3 遗留煤柱回收时工作面矿压实测

该矿3101工作面在2016年7月布置完成并开始回采，为得到工作面矿压显现规律，分析工作面初次来压步距与周期来压步距，运用支架阻力仪对工作面推进过程中的支架阻力进行实测，选取工作面推进到50 m过程中的支架阻力数据制作成图3，图中，煤房为旧房式开采所遗留的空区，煤柱为3101工作面所需回收煤柱。可以看出，当工作面回采第一个煤柱时，支架工作阻力变化平稳，最大工作阻力为7 520 kN，工作面未出现来压现象；当工作面全部回采完第二个煤柱时，支架工作阻力瞬时变大，最大工作阻力为11 900 kN，此时工作面发生初次来压，加上第二个煤柱前方的4 m宽煤房，因此,初次来压步距为24 m；随着工作面继续推进，当工作面回收完第三个煤柱时，支架工作阻力变大，但较工作面初次来压时小，为8 950 kN，此时工作面发生周期来压现象，加上第三个煤柱前方的4 m宽煤房，因此,周期来压步距为10 m，约为初次来压步距的1/2。

4 结 论

(1)经数值模拟与现场实测可以得出,某整合矿3101工作面初次来压步距约24 m，周期来压步距约12 m，周期来压步距为初次来压步距的1/2。

图3 支架工作阻力曲线

(2)运用UDEC离散元软件模拟得出房式开采遗留煤柱回收时的工作面初次来压步距、周期来压步距与现场实测结果一致，验证了数值模拟方法可有效用于遗留煤柱回收时的工作面初次来压与周期来压步距计算中。