房柱采空區遺留煤柱對下煤層開采的影響

康慶濤 郭衛彬 許海濤

(1.華北科技學院安全工程學院;2.河北省礦井災害防治重點實驗室;3.西安科技大學能源學院;4.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室)

房柱采空區遺留煤柱對下煤層開采的影響

康慶濤1,2郭衛彬3,4許海濤1,2

(1.華北科技學院安全工程學院;2.河北省礦井災害防治重點實驗室;3.西安科技大學能源學院;4.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室)

為研究房柱采空區遺留煤柱對下部近距離煤層開采的影響規律，掌握該條件下工作面回采的礦壓顯現特征，采用數值模擬和力學分析方法，研究了大地精煤礦房柱采空區煤柱集中應力的影響深度以及下部煤層開采頂板的破斷規律。結果表明：房柱采空區底板巖層應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力集中的影響，從而破斷巖塊，易發生滑落失穩，嚴重威脅了下部煤層的安全開采。

房柱采空區 礦壓顯現特征 集中應力 數值模擬 力學分析

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下采煤。當煤層距離較小時，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力，將導致下煤層頂板結構和應力環境發生變化，從而使得下部煤層開采礦山壓力顯現規律與單一煤層開采有所區別[2-3]。學者們對于房柱采空區下淺埋近距離煤層開采的覆巖運動規律及頂板控制方法進行了大量研究，成果豐碩[4-9]。本研究采用數值模擬和力學分析方法，對伊泰集團大地精煤礦3#煤層開采工作面上部巖層的應力分布及關鍵巖塊的破斷規律進行分析，為該煤層及類似條件下煤層的安全高效開采提供參考。

1 數值模型建立

根據大地精煤礦的實際開采情況，2#煤層采用房式采煤法進行開采，采空區留下大量煤柱，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。根據現場巖層力學特性及分布情況，建立了如圖1所示的數值模擬模型。煤柱煤房寬度均為8 m，各巖層厚度經修整后，自上而下分別為13，4，4，5.5，12，13，3.5，15 m。

2 房柱采空區底板巖層應力分布規律

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

圖1 煤巖層分布模型

可知煤柱下部應力增高，煤房下部應力降低，使得底板中的應力值發生周期性變化，但隨著深度的增加，應力值的波動不斷減弱，直至消失。故當兩煤層的層間距較大時，2#煤層采空區煤柱對3#煤層開采的影響程度較小，3#煤層開采時頂板活動規律及頂板壓力將不受上部煤層煤柱集中應力的影響。

為研究2#煤層采空區煤柱集中應力的影響深度，對3#煤層上覆巖層應力進行了測量，得到了不同層位的應力分布曲線，見圖2。由圖2可知：3#煤層上位巖層應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，應力曲線波動明顯減弱，而煤層上方0，3 m 處的應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力的影響。

3 采空區煤柱下煤層開采頂板活動規律

3#煤層開采過程中，對控頂區上方關鍵塊進行了受力分析(圖3)，可知：在2#煤層采空區煤柱下開采3#煤層，老頂活動規律易受到上部煤層煤柱集中應力的影響，會使F值增大，A巖塊與未斷裂巖塊接觸處剪切力QA+B也相應增大，故3#煤層在采空區煤柱下開采，老頂易發生滑落失穩，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力分布

圖3 老頂破斷受力分析

為驗證2#煤層采空區煤柱產生的集中應力對下煤層開采的影響，對3#煤層開采頂板活動規律進行了數值模擬分析，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為采空區煤柱下3#煤層開采過程中上覆巖層隨工作面回采的運動狀態。

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)的應力峰值位置向煤壁側偏移。

由圖5可知：在2#煤層煤柱的影響下，當工作面推進40 m時直接頂發生初次垮落；當工作面推進50 m時，老頂發生初次破斷，此時工作面老頂斷裂位置位于殘留煤柱下方，老頂的失穩方式為滑落失穩；當工作面繼續推進60 m時，老頂發生第二次破斷，此時老頂的破斷位置位于兩殘留煤柱之間的采空區下方，老頂的失穩方式為回轉失穩。

綜上所述：數值模擬結果與力學分析基本一致，在采空區煤柱的影響下，3#煤層開采控頂區老頂破斷易發生滑落失穩，存在壓架事故隱患，將對工作面的安全高效開采產生影響。

4 結 論

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

(2)煤層開采是否受上部煤層采空區煤柱的影響，與上部煤柱集中應力的影響深度關系較大。當關鍵層或下部煤層老頂受到集中應力作用時，下部煤層開采控頂區頂板巖層的活動規律仍將受到較大影響。

圖5 房柱采空區下開采3#煤層上覆巖層運動狀態

(3)受上部遺留煤柱集中應力的影響，煤柱下方老頂破斷易發生滑落失穩，煤房下部老頂破斷易發生回轉失穩，煤柱下工作面回采安全受到威脅，煤層開采時應增大支架支護強度，防止老頂破斷滑落失穩發生壓架事故。

[1] 王 安.連續采煤機房柱式短壁機械化采煤技術的研究與實踐[D].阜新：遼寧工程技術大學，2002．

[2] 竇鳳金.淺埋房柱采空區下近距離煤層綜采礦壓規律研究[D].徐州：中國礦業大學，2010．

[3] 王方田，陳 芳，白慶升，等.淺埋房式采空區下煤層長壁綜采礦壓規律研究[J].煤炭科技，2012，38(5)：66-69．

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[5] 屠世浩，王方田，竇鳳金，等.上層煤柱下綜放沿空回采巷道礦壓規律研究[J].中國礦業大學學報，2010，39(1)：1-5．

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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濟開發區。