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淺埋煤層群工作面合理區(qū)段煤柱留設研究*

黃慶享，杜君武，劉寅超

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

摘要：為確定淺埋煤層群開采合理的上下煤層區(qū)段煤柱布置，減緩下煤層煤柱集中壓力和地表裂縫發(fā)育，實現(xiàn)環(huán)境友好的安全開采，論文以陜北神南礦區(qū)檸條塔礦為背景，采用Flac3D分析1-2煤層和2-2煤層工作面同采區(qū)段煤柱寬度和不同留設方式的應力和塑性區(qū)分布規(guī)律，以及不同煤柱錯距地表下沉規(guī)律。通過物理相似模擬，揭示1-2煤層和2-2煤層區(qū)段煤柱不同錯距的巖層破斷規(guī)律。研究得出：1-2煤層合理的煤柱寬度為20 m；下煤層煤柱應力、地表下沉梯度和地表拉裂縫隨著煤柱錯距的增大而減小，沿傾向煤柱錯距達到40 m時下煤層煤柱集中應力和地表拉裂隙明顯減弱。同采工作面沿走向錯距大于60 m時，地表下沉梯度和地表拉裂隙明顯減小。

關(guān)鍵詞：淺埋煤層群；區(qū)段煤柱；錯距；采動裂縫；煤柱應力

0引言

我國西部神府煤田煤炭資源豐富，已經(jīng)建成為億噸級高產(chǎn)高效礦區(qū)[1]。礦區(qū)主要開采淺埋近距離煤層群，如陜北神南礦區(qū)檸條塔煤礦和張家峁煤礦，神東礦區(qū)的三道溝煤礦和大柳塔煤礦等大型礦井都存在煤層群開采的問題。淺埋煤層群的開采主要涉及2方面難題，其一是上下煤層的工作面區(qū)段煤柱形成集中應力，造成下區(qū)段巷道變形破壞嚴重，巷道支護困難；其二是淺埋煤層群開采導致地表裂縫集中發(fā)育，造成地表破壞嚴重，解決這2個相互關(guān)聯(lián)的矛盾，是淺埋煤層群安全高效和環(huán)境友好開采的科學難題。

近距離煤層群開采中，上煤層遺留煤柱引起應力集中，造成下煤層煤柱破壞和巷道支護困難等問題[2-4]。對此，我國學者對大同礦區(qū)、平頂山礦區(qū)、新墳礦區(qū)、淮南礦區(qū)等非淺埋地質(zhì)條件，開展了近距離煤層群開采的煤柱集中應力傳遞規(guī)律和巷道合理布置研究[5-7]。對于淺埋賦存條件下煤層群開采地表移動規(guī)律研究較少[8-10]。但淺埋煤層群開采對地表的影響更加顯著，考慮地表塌陷的合理煤柱留設和巷道布置一般根據(jù)經(jīng)驗確定，給安全生產(chǎn)和環(huán)境保護帶來困難。

以陜煤集團檸條塔煤礦淺埋煤層群開采為背景，采用數(shù)值計算揭示不同煤柱錯距的應力分布規(guī)律，采用物理模擬揭示覆巖垮落和地表沉陷規(guī)律，分析合理的煤柱布置參數(shù)，為陜北榆神府礦區(qū)煤層群安全高效開采提供依據(jù)。

1不同煤柱留設的應力分布規(guī)律

1.1　煤層群開采FLAC3D數(shù)值模型的建立

以陜北檸條塔井田東北區(qū)條件為研究背景，區(qū)內(nèi)1-2煤層與2-2煤層間距平均33.4 m.1-2煤層埋藏深度平均為176.4 m，煤層平均厚度1.6 m，直接頂以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，厚度平均2.2 m；老頂為細砂巖，厚度平均12.2 m.直接底以粉砂巖和泥巖為主，厚度平均4.9 m.2-2煤層為主采煤層，埋藏深度平均212.0 m，煤層平均厚度6.1 m.直接頂以粉砂巖為主，厚度平均6.2 m；老頂為細粒砂巖和中粒砂巖，平均厚度21.1 m.煤層底板以粉砂巖和泥巖為主，厚度平均5.6 m.

FLAC3D數(shù)值模型尺寸為600 m×20 m×150 m.模型中，地表以下110 m簡化為載荷q=2.14 MPa.模型地層主要參數(shù)見表1，包括楊氏模量E(MPa)、剪切模量G(MPa)、體積模量K(MPa)、內(nèi)聚力(MPa)、摩擦角(°)、抗拉強度(MPa)、容重(kg/m3)及泊松比v等。

圖1　模型開采布置Fig.1　Mining layout in calculation model

圖1為FLAC3D數(shù)值模擬開采布置，左右留設50 m邊界煤柱，計算過程中1-2煤層工作面區(qū)段煤柱寬度分別按照10，15，20，25和30 m 5種情況進行模擬，確定合理的區(qū)段煤柱寬度，揭示1-2煤層開采后在底板的應力傳播規(guī)律。在此基礎上，進行2-2煤層開采的模擬，確定合理區(qū)段煤柱位置和寬度。

表1　煤巖力學參數(shù)表

1.2　1-2煤層不同煤柱寬度的應力傳遞規(guī)律

采用FLAC3D計算得出，1-2煤層工作面區(qū)段煤柱寬度為10，15，20，25和30 m的塑性區(qū)如圖2所示，傳遞到2-2煤層的垂直應力分布如圖3和圖4所示，可以得出

1)1-2煤層煤柱的垂直應力自煤柱中心向兩邊逐漸遞減。隨著1-2煤柱寬度的增加，傳遞到底板附近的集中應力有所減??；

2)1-2煤層煤柱寬度小于20 m時，煤柱下方塑性區(qū)隨煤柱寬度的增加而減小；當煤柱寬度大于20 m時，煤柱下塑性區(qū)保持在21.4 m；

3)隨1-2煤層煤柱寬度的增加，傳遞到2-2煤層的應力增大，范圍增加。煤柱寬度為10 m時，2-2煤層應力集中系數(shù)為1.3；煤柱寬度20 m時，2-2煤層應力集中系數(shù)增大為1.55.

因此，從煤柱穩(wěn)定性和減少煤柱損失出發(fā)，將1-2煤層煤柱寬度確定為20 m較為合適。

圖2　不同1-2煤層煤柱寬度的塑性區(qū)Fig.2　Plastic zone of different 1-2coal pillar(a)煤柱寬度10 m　(b)煤柱寬度15 m　(c)煤柱寬度20 m(d)煤柱寬度25 m　(e)煤柱寬度30 m

圖3　不同寬度煤柱的底板垂直應力等值線Fig.3　Vertical stress contour ofcoal floor under different pillar width(a)煤柱寬度10 m　(b)煤柱寬度15 m(c)煤柱寬度20 m　(d)煤柱寬度25 m

圖4　不同1-2煤柱寬度時2-2煤層垂直應力分布Fig.4　Vertical stress contour of 2-2coal seamunder different 1-2coal pillar

1.3　2-2煤層工作面區(qū)段煤柱的留設

當1-2煤層工作面區(qū)段煤柱留設20 m，2-2煤層區(qū)段煤柱寬度也取20 m，上下煤柱不同錯距時的應力分布規(guī)律如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，2-2煤層區(qū)段煤柱布置于1-2煤層區(qū)段煤柱正下方時，造成的應力疊加最明顯，會導致2-2煤層工作面巷道支護困難。

隨著上下煤柱錯距的增加，應力疊加區(qū)域逐漸減小。當錯距為35 m時，2-2煤層煤柱垂直應力增高系數(shù)降至1.7.當錯距大于40 m時，2-2煤層煤柱所受的垂直應力已接近原巖應力，有利于采掘和巷道支護。

圖5　不同煤柱錯距時的應力分布Fig.5　Vertical stress of different pillar offset(a)重疊布置　(b)錯距10 m布置(c)錯距20 m布置　(d)錯距40 m布置

圖6　不同煤柱錯距時2-2煤柱的垂直應力Fig.6　2-2pillar vertical stress vs.pillar offset

2合理煤柱錯距的物理模擬

物理模擬得出，當2-2煤層工作面邊界完全處于1-2煤層煤柱外側(cè)時，沿煤柱外側(cè)底板出現(xiàn)貫穿裂隙(圖7(a))，直到外錯20 m時1-2煤層底板沿煤柱右側(cè)斷裂，1-2煤柱切落(圖7(b))。此時，2-2煤層應力卸載，煤柱壓力減小。外錯40 m后，1-2煤層煤柱對2-2煤層傳遞的應力集中基本消失，如圖8所示。因此，2-2煤層與1-2煤層區(qū)段煤柱之間的水平錯距應大于40 m.

圖7　不同錯距時的煤層間巖層破斷規(guī)律Fig.7　Strata breaking vs.offset distance(a)右側(cè)重疊4.5 m　(b)完全錯開20 m

圖8　不同錯距時的2-2煤層垂直集中應力Fig.8　2-2coal vertical stress vs.pillar offset

3煤柱錯距對地表沉降的影響

3.1　數(shù)值模擬方案

根據(jù)檸條塔煤礦地層條件，采用UDEC軟件進行計算分析，模型計算尺寸為630 m×260 m.模型邊界煤柱各留設50 m，先開采1-2煤層，工作面寬度240 m，采高2 m，區(qū)段煤柱留設20 m.在1-2煤層回采的基礎上進行2-2煤層的回采，采高5 m.分別模擬2-2煤層區(qū)段煤柱與1-2煤層區(qū)段煤柱重疊布置、錯距5，10，15，20，25，30，35，40 m共9種模型，對比不同錯距工作面傾向地表下沉量曲線。

3.2　不同煤柱錯距工作面傾向地表下沉規(guī)律

數(shù)值模擬得出，不同煤柱錯距工作面傾向地表下沉曲線如圖9所示，有如下規(guī)律

1)區(qū)段煤柱重疊布置時，地表下沉起伏最大，煤柱兩側(cè)巖層拉裂縫擴展至地表；

2)當上下煤層區(qū)段煤柱錯距10～40 m時，隨著錯距的增加地表盆地的最大下沉梯度逐步減小，巖層拉裂隙也明顯減小，區(qū)段煤柱錯距大于40 m時地表拉裂縫最小。

圖9　區(qū)段煤柱不同錯距時沿傾向地表下沉曲線Fig.9　Surface subsidence of differentpillar offset in dip section

3.3　不同煤柱錯距工作面走向地表下沉規(guī)律

2-2煤層工作面與1-2煤層工作面沿走向錯距分別為0，10，20，30，40，50，60，70 m時，地表的下沉量如圖10所示。

當工作面重疊布置時，采空區(qū)上方地表的下沉量達到4.5 m，地表下沉盆地最大下沉量梯度較大；當工作面錯距20～50 m布置時，采空區(qū)上方地表的下沉量逐漸減小，而且下沉梯度也逐漸減小，下沉量由3.9 m降低至3.3 m.當工作面錯距達到60 m以上時，采空區(qū)上方地表的下沉量為3 m，下沉梯度最小。工作面沿走向錯距大于60 m時對地表的影響最小。

圖10　沿走向不同錯距布置的地表下沉曲線Fig.10　Surface subsidence of differentpillar offset in trend section

4結(jié)論

1)1-2煤層煤柱寬度小于20 m時，煤柱下方塑性區(qū)隨煤柱寬度的增加而減小；當煤柱寬度大于20 m時，煤柱下塑性區(qū)保持穩(wěn)定。傳遞到2-2煤層的應力隨1-2煤層煤柱寬度增加而增大。從煤柱穩(wěn)定性和減少煤柱損失出發(fā)，將1-2煤層煤柱寬度確定為20 m較為合適；

2)上下煤柱重疊布置時，造成的應力疊加最明顯，不利于下煤層巷道維護。且地表下沉起伏最大，煤柱兩側(cè)巖層拉裂縫最發(fā)育；

3)隨著煤柱錯距增加，地表下沉梯度減小，巖層拉裂隙也明顯減小。上下煤層區(qū)段煤柱沿傾向錯距大于40 m(約1.2倍層間距)、上下同采工作面沿走向錯距大于60 m(約2倍層間距)時，有利于下煤層巷道維護和減緩地表破壞。

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Study on section coal pillar of group mining in shallow buried coal seams

HUANG Qing-xiang，DU Jun-wu，LIU Yin-chao

(CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

Abstract：In order to determine the reasonable section coal pillar layout in shallow coal seam group，reduce the coal pillar concentration pressure and the surface cracks development，and realize the safety and environment friendly mining，this paper takes the Ningtiaota Coal Mine of Shennan mining area in North Shaanxi as background，and through Flac3Dsimulation method，the proper section coal pillar width，the distribution of stress and plastic zone，and the surface subsidence in different layout of 1-2coal seam and 2-2coal seam mining face are calculated.Through physical simulation，the strata breaking form of the 1-2seam and 2-2seam section coal pillar with different stagger distance are revealed.The result shows that the reasonable coal pillar width is 20 m.The effect of lower coal seam pillar stress concentration and surface subsidence gradient will decrease with the increase of the section coal pillar stagger distance of upper and lower coal seam along the tendency，and reasonable section coal pillar stagger distance should be more than 40 m.When the distance of upper and lower mining face along the strike direction is greater than 60 m，the surface subsidence gradient and surface tensile fracture reduce significantly.

Key words：shallow-buried coal seam group；section coal pillar；offset；mining cracks；stress in pillar

中圖分類號：TD 323

文獻標志碼：A

通訊作者：黃慶享(1966-)，男，新疆沙灣人，教授，博士生導師，E-mail：huangqx@xust.sn.cn

基金項目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目(2011KTZB01-02-04)

收稿日期：*2015-09-12責任編輯：劉潔

文章編號：1672-9315(2016)01-0019-05

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0104