工作面推进方向对孤岛边角煤复采的影响分析

王志强

（山西焦煤有限责任公司西山煤电东曲煤矿，山西 古交 030200）

南屯煤矿经过30多年的高强度开采，矿井煤炭资源迅速减少，矿井边角煤逐步增加。七采区主采3上、3下煤层，基础储量1512.6万t，有效可采储量1060.0万t。七采中部的73上03（西）、73上05（西）、7307（西）三个边角煤工作面赋存条件复杂，其主要特征表现为：（1）块段形状的不规则性：有三角形、梯形、弦弧形、树叶形等；（2）煤厚变化的不稳定性：即受断层、冲刷带等地质因素的影响，煤厚变化大；（3）开采条件的复杂性：即周边受采空区或断层构造带等因素影响，开采压力大，顶板破碎，受水、火、瓦斯等自然灾害威胁。因此，边角煤开采技术水平将对煤炭资源回收率的高低起到决定性作用，也将直接影响到煤矿的可持续发展前景。

1 工程概况

七采区中部边角煤块段南、北面为采空区，东、西部靠近七采区轨道、运输和回风上山。该部分边角煤煤层赋存相对稳定，结构较为简单，煤层最大厚度为5.91m，最小厚度为5.3m，平均厚度为5.21m。煤层倾角最大为10°，最小为3°，平均倾角为6°。工作面布置如图1所示。

七采区现有的边角煤赋存条件主要有以下特点：（1）煤层3上和3下平均厚度分别为5.5m和3.5m，属厚煤层，且厚度变化大，3上煤层3.29～7.85m，3下煤层2～4.15m。（2）工作面区段规模较小，而且成不规则阶梯形块段较多，可分为比较规则和不规则块段。比较规则块段走向长度一般在400～660m，不规则的块段一般在20～200m，倾斜长度不超过100m。工作面长度不宜过长，一般不超过80m。（3）矿区内存在大量的老空冒落区，顶板完整性差。由于南屯煤矿目前剩余的边角煤块段形状的不规则性，而且有些边角煤块段一侧是采空区，有些两侧都是采空区甚至少数的几块周围是孤岛形状，因此工作面的煤层和上方的岩层承受的是高应力区。基于高应力条件下的开采，这种情况会导致顶煤（顶板）的破碎程度以及断层带破碎区的范围增大，从而增加了顶板控制的难度。

图1 七采中部边角煤块段工作面布置

2 推进方向对工作面矿压显现的规律

由上述可知，七采区边角煤层和上方岩层承受的是高应力。为提高工作面开采的安全性，本文选择FLAC3D模拟软件分析不同推进方向对工作面上覆顶板矿压显现规律的影响，为工作面安全开采提供理论支撑。

2.1 模型建立及模拟过程

模拟依据南屯煤矿73上03（西）工作面地质条件，将该工作面及其周边已采的73上03、73上05、73上06工作面简化为900m×800m×400m（长×宽×高）模型，分析不同推进方向对工作面上覆顶板矿压显现规律的影响。模型顶部为自由边界，四周及模型底部限制位移移动，仅允许模型发生垂直方向位移，顶部施加均布载荷，采用摩尔库伦模型。本模拟过程为：将73上03（西）周边三个工作面按开采时间先后依次回采，通过运算平衡后，分别选取背向和面向七采区上山方向进行边角煤开采的模拟研究，并分析不同回采方向对孤岛梯形工作面覆岩运动的影响规律，确定合理回采方向。模拟各岩层块体力学参数见表1所示。

表1 模型岩石物理力学参数

2.2 模拟结果分析

2.2.1 73上03（西）孤岛梯形工作面回采前状态分析

根据73上03（西）孤岛梯形工作面回采前状态模拟结果分析可知：73上03（西）孤岛梯形工作面在回采之前其整个煤岩体已产生了一定程度的应力集中，应力集中程度最高的区域分别为该工作面被73上06、73上05采空区共同夹持的三角地带和该工作面位于73上03、73上05采空区夹角地带。这两部分区域应力集中程度都达到了1.8倍的原岩应力，其中梯形工作面的三角形部分高应力区域面积要远大于矩形部分，这种差异的产生说明了采场周边采空区残余支承压力的叠加作用区域的范围受采空区自身形状影响很大。由图3可知，73上03（西）孤岛梯形工作面靠近周边采空区侧煤体长期受采空区残余支承压力作用已经进入了塑性阶段，此时煤体自身强度降低，承载能力下降，这与图2中垂直应力值处于降低区吻合。

图2 工作面回采之前垂直应力

图3 工作面回采之前塑性区分布

2.2.2 7不同回采方向超前支承压力分布规律

由图4可以看出，73上03（西）孤岛梯形工作面在不同回采方向下，其工作面煤壁前方支承压力峰值随推进距离增加而产生的变化趋势差异很大。当工作面推进方向是背向七采上山推进时，工作面前方煤壁支承压力峰值随开挖距离的增加而增长，并且峰值的增长速率基本一致。另一种回采方向下，在工作面开挖距离小于220m时，工作面前方煤壁支承压力峰值随开挖距离的增加呈缓慢增大趋势，但当工作面开挖距离超过220m后，峰值随开挖距离的增大而增长的速率显著加大，此时的增长速率与背向七采上山回采下基本相同。两种回采方向下工作面开挖距离均小于100m时，在开挖相同距离的情况下，面向七采上山回采工作面前方支承压力峰值要大于背向七采上山回采，但是两种回采方向下工作面前方支承压力峰值之差的绝对值却随着开挖距离的增加而减小。当工作面开挖距离大于100m后，在开挖相同距离的情况下，面向七采上山回采工作面前方支承压力峰值均小于背向七采上山回采，两种回采方向下工作面前方支承压力峰值之差的绝对值随开挖距离的增加而增长。当工作面开挖距离超过200m后，两种回采方向下工作面前方支承压力峰值之差的绝对值随开挖距离的增加基本保持不变。

图4 不同回采方向超前支承压力峰值与工作面推进距离关系图

2.2.3 73上03（西）不同回采方向塑性区分布规律

如图5，选取两种回采方向下工作面各自推进180m后，工作面前面塑性区变化图背向七采上山回采控顶区域顶板塑性破坏范围要大于面向七采上山回采，在这一阶段，背向七采上山回采工作面顶板较面向七采上山维护难度加大，而工作面前方煤体塑性区范围也大于面向七采上山回采，这有利于顶煤破坏从而提高采出率。

2.3 综合结果分析

由上述分析可知，由于73上05、73上06采空区残余支承压力叠加影响要大于73上03、73上05采空区残余支承压力叠加影响，在开采推进100m前面向七采区上山推进煤壁前方支撑压力大于背向七采区上山压力，但是超出100m时结果反之，且工作面前面塑性区范围也大于面向七采区上山推进的范围，煤层前方应力集中也较小，发生冲击危险倾向也较小，且本煤层采用的是放顶煤开采，因此选择背向采区上山推进的方向进行孤岛边角煤开采。

图5 不同回采方向下相同推进距离工作面塑性区对照图

3 结论

（1）73上03（西）工作面回采之前受周边已采工作面的影响，整个工作面煤体出现了应力集中现象，且73上05、73上06采空区残余支承压力叠加影响要大于73上03、73上05采空区残余支承压力叠加影响，应力集中系数最高达到了1.8。

（2）通过对两种回采方向下支承压力分布、顶煤冒放性对比，最终确定73上03（西）工作面回采方向为背向七采上山回采。