房柱采空區(qū)遺留煤柱對下煤層開采的影響

康慶濤 郭衛(wèi)彬 許海濤

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院;2.河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院;4.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

房柱采空區(qū)遺留煤柱對下煤層開采的影響

康慶濤1,2郭衛(wèi)彬3,4許海濤1,2

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院;2.河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院;4.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

為研究房柱采空區(qū)遺留煤柱對下部近距離煤層開采的影響規(guī)律，掌握該條件下工作面回采的礦壓顯現(xiàn)特征，采用數(shù)值模擬和力學(xué)分析方法，研究了大地精煤礦房柱采空區(qū)煤柱集中應(yīng)力的影響深度以及下部煤層開采頂板的破斷規(guī)律。結(jié)果表明：房柱采空區(qū)底板巖層應(yīng)力隨煤柱的分布呈周期性變化，3#煤層開采老頂活動受上部煤柱應(yīng)力集中的影響，從而破斷巖塊，易發(fā)生滑落失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅了下部煤層的安全開采。

房柱采空區(qū) 礦壓顯現(xiàn)特征 集中應(yīng)力 數(shù)值模擬 力學(xué)分析

我國煤炭以壁式體系開采方法為主，房式采煤法僅在局部地區(qū)小煤礦使用[1]。近年來，隨著煤炭資源整合，大型國有煤礦逐步取代小型煤礦，使得一些整合煤礦在原小煤礦房柱式采空區(qū)下采煤。當(dāng)煤層距離較小時(shí)，煤層間開采將會相互影響，加之開采殘留煤柱在底板形成的集中應(yīng)力，將導(dǎo)致下煤層頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，從而使得下部煤層開采礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律與單一煤層開采有所區(qū)別[2-3]。學(xué)者們對于房柱采空區(qū)下淺埋近距離煤層開采的覆巖運(yùn)動規(guī)律及頂板控制方法進(jìn)行了大量研究，成果豐碩[4-9]。本研究采用數(shù)值模擬和力學(xué)分析方法，對伊泰集團(tuán)大地精煤礦3#煤層開采工作面上部巖層的應(yīng)力分布及關(guān)鍵巖塊的破斷規(guī)律進(jìn)行分析，為該煤層及類似條件下煤層的安全高效開采提供參考。

1 數(shù)值模型建立

根據(jù)大地精煤礦的實(shí)際開采情況，2#煤層采用房式采煤法進(jìn)行開采，采空區(qū)留下大量煤柱，煤柱尺寸以6 m×6 m、8 m×8 m為主，該煤層與其下主采煤層(3#煤層)間距約25 m。根據(jù)現(xiàn)場巖層力學(xué)特性及分布情況，建立了如圖1所示的數(shù)值模擬模型。煤柱煤房寬度均為8 m，各巖層厚度經(jīng)修整后，自上而下分別為13，4，4，5.5，12，13，3.5，15 m。

2 房柱采空區(qū)底板巖層應(yīng)力分布規(guī)律

2#煤層采空區(qū)房柱支撐頂板，頂板壓力傳遞到底板中，將在底板巖層中形成集中應(yīng)力，采用UDEC軟件對煤巖層中的垂直應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬分析，

圖1 煤巖層分布模型

可知煤柱下部應(yīng)力增高，煤房下部應(yīng)力降低，使得底板中的應(yīng)力值發(fā)生周期性變化，但隨著深度的增加，應(yīng)力值的波動不斷減弱，直至消失。故當(dāng)兩煤層的層間距較大時(shí)，2#煤層采空區(qū)煤柱對3#煤層開采的影響程度較小，3#煤層開采時(shí)頂板活動規(guī)律及頂板壓力將不受上部煤層煤柱集中應(yīng)力的影響。

為研究2#煤層采空區(qū)煤柱集中應(yīng)力的影響深度，對3#煤層上覆巖層應(yīng)力進(jìn)行了測量，得到了不同層位的應(yīng)力分布曲線，見圖2。由圖2可知：3#煤層上位巖層應(yīng)力受煤柱的影響波動幅度較大，隨著深度的增加波動幅度逐漸減弱，在距3#煤層3～9 m的巖層中，應(yīng)力曲線波動明顯減弱，而煤層上方0，3 m 處的應(yīng)力曲線基本不受影響。由此可知：3#煤層直接頂(距煤層頂板0～3 m)不受煤柱集中應(yīng)力的影響，而直接頂上部的老頂(3～13 m)易受上部煤柱集中應(yīng)力的影響。

3 采空區(qū)煤柱下煤層開采頂板活動規(guī)律

3#煤層開采過程中，對控頂區(qū)上方關(guān)鍵塊進(jìn)行了受力分析(圖3)，可知：在2#煤層采空區(qū)煤柱下開采3#煤層，老頂活動規(guī)律易受到上部煤層煤柱集中應(yīng)力的影響，會使F值增大，A巖塊與未斷裂巖塊接觸處剪切力QA+B也相應(yīng)增大，故3#煤層在采空區(qū)煤柱下開采，老頂易發(fā)生滑落失穩(wěn)，工作面安全易受到威脅。

圖2 3#煤層上覆巖層中不同層位垂直應(yīng)力分布

圖3 老頂破斷受力分析

為驗(yàn)證2#煤層采空區(qū)煤柱產(chǎn)生的集中應(yīng)力對下煤層開采的影響，對3#煤層開采頂板活動規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，圖4為開采過程中煤壁前方超前支承壓力的分布情況，圖5為采空區(qū)煤柱下3#煤層開采過程中上覆巖層隨工作面回采的運(yùn)動狀態(tài)。

圖4 超前支承壓力分布

由圖4可知：工作面超前支承壓力峰值為5.2 MPa，超前支承壓力峰值與工作面的距離約6 m；老頂中(煤層上方8 m處測線)應(yīng)力受煤柱影響波動較大，且峰值位置相對于直接頂中(煤層上方0，1.5 m 處測線)的應(yīng)力峰值位置向煤壁側(cè)偏移。

由圖5可知：在2#煤層煤柱的影響下，當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)直接頂發(fā)生初次垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)50 m時(shí)，老頂發(fā)生初次破斷，此時(shí)工作面老頂斷裂位置位于殘留煤柱下方，老頂?shù)氖Х€(wěn)方式為滑落失穩(wěn)；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)60 m時(shí)，老頂發(fā)生第二次破斷，此時(shí)老頂?shù)钠茢辔恢梦挥趦蓺埩裘褐g的采空區(qū)下方，老頂?shù)氖Х€(wěn)方式為回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

綜上所述：數(shù)值模擬結(jié)果與力學(xué)分析基本一致，在采空區(qū)煤柱的影響下，3#煤層開采控頂區(qū)老頂破斷易發(fā)生滑落失穩(wěn)，存在壓架事故隱患，將對工作面的安全高效開采產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

(1)采用房式采煤法開采時(shí)，采空區(qū)上部頂板壓力通過煤柱傳遞至底板巖層中，使得底板巖層應(yīng)力分布不均，煤柱下部產(chǎn)生應(yīng)力增高區(qū)，煤房下部區(qū)域?yàn)閼?yīng)力降低區(qū)。底板巖層應(yīng)力增高與降低隨煤柱的分布呈周期變化，因此房式采空區(qū)下方近距離煤層開采時(shí)，應(yīng)考慮頂板壓力周期性變化及工作面支架的穩(wěn)定性。

(2)煤層開采是否受上部煤層采空區(qū)煤柱的影響，與上部煤柱集中應(yīng)力的影響深度關(guān)系較大。當(dāng)關(guān)鍵層或下部煤層老頂受到集中應(yīng)力作用時(shí)，下部煤層開采控頂區(qū)頂板巖層的活動規(guī)律仍將受到較大影響。

圖5 房柱采空區(qū)下開采3#煤層上覆巖層運(yùn)動狀態(tài)

(3)受上部遺留煤柱集中應(yīng)力的影響，煤柱下方老頂破斷易發(fā)生滑落失穩(wěn)，煤房下部老頂破斷易發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，煤柱下工作面回采安全受到威脅，煤層開采時(shí)應(yīng)增大支架支護(hù)強(qiáng)度，防止老頂破斷滑落失穩(wěn)發(fā)生壓架事故。

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2015-08-11)

康慶濤(1988—)，男，碩士研究生，065201 河北省三河市燕郊經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。