安 鑫

(西山煤電集團 官地礦，山西 太原 030022)

近年來有關淺埋煤層的開采受到研究學者的廣泛重視，尤其在淺埋房式開采中，由于留設的煤柱比較多，受開采擾動影響，煤柱會逐漸破壞，造成采空區(qū)無法保證有永久性的煤柱支撐。房式采空區(qū)的煤柱分布情況及其破壞情況會直接導致下位煤層開采過程中的應力分布特征發(fā)生變化[1]. 由此，我國學者對淺埋煤層開采的礦壓顯現規(guī)律及煤柱穩(wěn)定性分析進行了大量研究。張俊云[2]、侯忠杰[3]對淺埋工作面頂板的斷裂及垮落過程進行了深入研究，得出了不同下沉情況下的支護強度計算方法。楊治林[4]通過對頂板巖層的失穩(wěn)過程和其彎曲后的不穩(wěn)定性進行研究，成功推導出斷裂后頂板下沉量計算公式。付武斌[5]根據礦壓理論及有限元強度拆減理論，對淺埋層采空區(qū)下的煤柱穩(wěn)定性進行了研究，得出了煤柱穩(wěn)定性主要受煤柱的主應力影響。王平虎[6]通過建立3#煤層殘留煤頂板力學模型，對頂板的撓曲變形進行分析，總結了該頂板的下沉規(guī)律。巫仕振[7]通過對唐山溝煤礦11#煤層不同類型煤柱的載荷和強度進行理論分析，得出了煤柱穩(wěn)定性的相關結論。

本文結合前人研究成果，在廣泛收集資料的基礎上，結合理論分析和數值模擬方法，對石圪臺礦綜采工作面過2#煤層房式采空區(qū)的超前支承壓力的分布特征和塑性區(qū)分布規(guī)律進行了研究，對工作面的安全生產、煤礦的經濟效益等具有重要的研究意義和使用價值。

1 工程背景

2#煤層工作面煤房與煤柱之間以“口對柱”形式分布，煤房寬度為6 m，煤柱見方尺寸為8 m，即采用“采六留八”房式布置，房式采空區(qū)結構見圖1. 從工作面停采線至切眼每100 m劃分為一開采區(qū)段，區(qū)段間留設20 m的隔離煤柱帶，工作面平均采高為4 m. 3#煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度為4.0 m，埋深121.3 m，3#與2#煤層采空區(qū)層間距33～48 m，3#煤層頂板、底板均以砂質泥巖、粉砂巖為主，直接頂為粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、砂質泥巖。工作面采用三巷布置，分別為主運、輔運和回風順槽，3條順槽均沿煤層底板掘進。

圖1 房式采空區(qū)結構圖

房式采空區(qū)對3#煤層影響主要有以下幾點：

1) 殘留煤柱發(fā)生流變，回采過程中突然失穩(wěn)破壞，造成頂板瞬時劇烈來壓。2) 當煤層埋深較淺時，煤柱垮落可能造成地表突然塌陷，對地表房屋等建筑物造成損害，采空區(qū)大面積垮落甚至造成礦震現象。3) 上煤層房式開采殘留煤柱形成應力集中，對下煤層頂板支護不利。

2 房柱及隔離煤柱穩(wěn)定性分析

房式采空區(qū)中煤柱受力情況復雜，煤柱支承壓力的大小與煤層埋藏深度、煤柱煤房尺寸、頂底板巖性、煤層傾角等因素有關。由于回采寬度較小，采空區(qū)直接頂會部分垮落，基本頂一般不發(fā)生冒落，且冒落的矸石未能接頂，房式采空區(qū)矸石不具有承載性。按煤柱承載最大載荷狀態(tài)考慮，即采空區(qū)上覆巖層的重量全部作用于留煤柱上。

1) 當煤柱所受載荷大于自身的極限強度時，煤柱產生破壞，破壞時滿足：

k≥σp/σ

(1)

式中：

k—安全系數；

σ—煤柱所受平均應力，MPa；

σp—煤柱的極限強度，MPa.

煤柱的極限強度是決定煤柱穩(wěn)定性的關鍵條件。煤柱的極限強度與煤塊的尺寸、抗壓強度、圍巖接觸面等因素有關。煤柱強度可由式(2)計算：

(2)

式中：

R—煤柱強度，MPa；

Rc1—煤的單軸抗壓強度，MPa，該礦煤的抗壓強度取15；

h—煤柱高度，m.

計算得出，6 m×8 m、20 m煤柱的強度分別為18.33 MPa、28.32 MPa.

2) 根據面積法轉換公式計算煤柱平均應力：

(3)

式中：

H—巷道埋深，m，取148.8；

γ—上覆巖層平均容重，kN/m3，取2.4；

Ak—開采工作面面積，m2；

Az—煤柱面積，m2.

該礦房柱式采空區(qū)埋深較淺，煤柱布置整齊、尺寸相等，通過輔助面積法計算煤柱載荷比較合理。

經計算，6 m×8 m房柱的載荷為：

考慮煤房區(qū)塌陷，對于寬度為20 m的隔離煤柱載荷計算公式為：

P20×N=[a+wH-0.25D2cotδ]γ

(4)

式中：

w—煤柱寬度，m；

D—區(qū)段長度，m，取90；

δ—煤房上覆巖層垮落角，(°)，取60.

確定隔離煤柱上覆載荷，煤柱單位面積的平均載荷，即平均應力為：

=14.6MPa

(5)

當安全系數k>1.5時，煤柱所受最大應力集中在煤柱核區(qū)，煤柱能承載上覆巖層的重量，并能保持長期穩(wěn)定；當k逐漸減小，煤柱最大應力逐漸向煤柱核區(qū)集中，導致煤柱產生由外向內的破壞，最終導致煤柱整體失穩(wěn)。當安全系數k

3 房采后3#煤層開采圍巖應力及破壞特征

3.1 模型的建立

根據2#、3#煤層工作面實際賦存狀態(tài)及尺寸，并考慮到邊界效應，模型兩邊需各留出60 m的保護煤柱。模型尺寸為340 m×300 m×130 m，模型邊界條件為四周施加水平位移約束，X、Y方向位移為零；模型底部邊界固定，即底部邊界X、Y、Z方向的位移均為零；模型頂部為自由邊界，在Z軸方向設定自重載荷。

根據提取巖芯所做的煤巖物理力學性質實驗，獲取各煤巖層物理力學參數見表1.

表1 模型煤巖物理力學參數表

3.2 房采圍巖應力特征、下位未采煤層應力場環(huán)境

以“采六留八”方式開采2#煤層，開采后采場圍巖應力重新分布，圍巖應力分布特征見圖2. 煤房開采后，采空區(qū)底板應力呈“碗”形分布，在采空區(qū)下方形成應力降低區(qū)，而房柱下方形成應力集中區(qū)。經計算可知，該層位原始垂直應力為3.5 MPa，8 m房柱中心垂直應力可達14 MPa，應力集中系數為3.9；房柱失穩(wěn)后，房柱垂直應力由14.0 MPa降低到8.2 MPa，承載能力降低，由其承載的上覆巖層將由兩側大煤柱承擔，在大煤柱兩側將形成明顯的應力集中區(qū)。與之相反，邊界煤柱區(qū)垂直應力由8.0 MPa升高到12.5 MPa，成為高應力集中區(qū)，應力集中系數達3.6. 通過對比分析房柱破壞前后應力分布情況可知，隨著房柱的不斷破壞，圍巖中的高應力逐漸由房柱轉移到邊界大煤柱，直至再次平衡。

圖2 2#煤層房柱開采后圍巖垂直應力分布圖

2#煤層開采后，3#煤層應力場環(huán)境見圖3，在20 m煤柱下方均存在不同程度的增壓區(qū)，3#煤體中垂直應力為5.0 MPa，應力集中系數為1.11，對開采不利。房柱破壞區(qū)域下方3#煤中間區(qū)域處于明顯的應力降低區(qū)，垂直應力為3.8 MPa，降低了16%，使3#煤體中積聚的彈性能得到有效釋放，對3#煤開采有利。由此可知，下位3#煤采動應力主要受煤柱尺寸和房柱是否失穩(wěn)影響，過大煤柱時應加強礦壓觀測及頂板的管理避免動力災害的發(fā)生。

圖3 3#煤層應力分布曲線圖

3.3 3#煤層開采圍巖應力分布特征

2#煤房采穩(wěn)定后，按開采計劃開挖下覆3#煤層，綜合考慮運算速度和模擬目的，開采步距設為20 m，分析3#煤開采過程中圍巖應力分布特征?？紤]到篇幅，只列舉部分圍巖應力和塑性區(qū)分布圖。工作面推進不同距離時圍巖垂直應力分布見圖4.

圖4 3#煤工作面推進不同距離時應力分布云圖

3#煤綜采工作面推進20 m、40 m、60 m時，超前支承壓力影響范圍由工作面前方30 m增加到60 m，其中高應力區(qū)為工作面前方1～22 m，支承壓力值為4.3 ～9.1 MPa，應力集中系數由1.66增加到2.1.

當工作面分別推進100 m、160 m、220 m時，距離20 m隔離煤柱越來越近，超前支承壓力影響范圍在工作面前方由30 m增加到46 m，支承壓力值4.3～16.8 MPa，應力集中峰值分別距工作面前方7 m、2.5 m、3 m處，工作面超前支承壓力應力集中系數在2.6～3.7.

綜上所述，超前支承壓力最大峰值均處于2#煤留設煤柱中且應力集中程度和煤柱尺寸密切相關，由于受煤柱兩側支承壓力的疊加作用，20 m隔離煤柱下方應力峰值較大。工作面推進開采3#煤層結束時，高應力區(qū)集中在2#煤所留設20 m隔離煤柱下方，工作面走向中部開采后頂板巖層垮落卸壓，在上覆巖層的作用下又重新壓實，垂直應力逐步恢復。從應力云圖中可以看出在開切眼和停采線附近上覆巖層中拉應力高度集中，則可預測開切眼側上覆巖層垮落角為72°，停采線側上覆巖層垮落角為69°.

3.4 3#煤層開采塑性區(qū)分布特征

工作面推進不同距離的塑性區(qū)分布特征見圖5，工作面推進至80 m時，房柱與下位煤層工作面開采頂板的塑性區(qū)并未上下連通，說明關鍵層并未發(fā)生破斷，和理論分析較為一致；當工作面推進至120 m時，連接房柱與其下方煤層開采間的巖層及頂板全部為塑性區(qū)，表明關鍵層已發(fā)生破斷，直至工作面全部推進結束，并且破斷后應力釋放導致兩層之間巖層發(fā)生垮落，此時20 m煤柱正在受剪切破壞，將會產生失穩(wěn)破壞，對3#煤工作面造成較大影響，和理論分析下位煤層開采過20 m煤柱時，動載系數較大，可能引發(fā)壓架事故較為一致。

4 結 論

1) 該礦2#煤層房式開采后，殘存的煤柱主要分為6 m×8 m房柱和區(qū)段之間留設的20 m隔離煤柱帶。經理論分析可知，6 m×8 m房柱可能會隨著時間作用發(fā)生流變最終失穩(wěn)；20 m隔離煤柱可以長期保持穩(wěn)定。

2) 下位煤層開采在推進至20 m隔離煤柱處，下部巖層會發(fā)生應力集中現象，對下位煤層開采無法起到卸壓效果，對工作面礦壓顯現造成較大影響；在6 m×8 m房柱失穩(wěn)結構下3#煤層處于卸壓狀態(tài)，應力降低16%，對其礦壓顯現影響較小。

3) 通過數值模擬分析可知，3#煤開采過程中受2#煤層留設煤柱和房柱的影響，超前支承壓力有所不同，工作面回采期間，在工作面前方2.0～25 m為高應力區(qū)，超前支承壓力影響范圍為20～46 m，超前支承壓力峰值為4.3～16.8 MPa，超前支承壓力最大峰值均處于2#煤留設20 m隔離煤柱及房柱失穩(wěn)區(qū)域下方。

4) 考慮實際開采過程，在3#煤層過20 m隔離煤柱時，很有可能發(fā)生動載礦壓現象，導致支架壓死事故，嚴重影響礦井安全生產，后期應該加強頂板支護和過房式采空區(qū)礦壓觀測。