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    淺埋煤層群不同煤柱錯距覆巖結(jié)構(gòu)演化 規(guī)律及煤柱穩(wěn)定性分析

    2022-01-22 09:57:14杜君武黃慶享
    關(guān)鍵詞:錯距覆巖煤柱

    杜君武,黃慶享

    (1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

    神東、陜北煤炭基地是國家礦產(chǎn)資源規(guī)劃中提出的重點(diǎn)建設(shè)的煤炭基地,其主采煤層具有層數(shù)多、埋藏淺、薄基巖、松散層厚等賦存特點(diǎn),屬于典型的淺埋煤層群。目前,大部分礦井上部煤層即將或已經(jīng)開采完畢,開始轉(zhuǎn)向下部煤層開采,下部煤層覆巖結(jié)構(gòu)及垮落特征不同于單一煤層開采,生產(chǎn)實(shí)踐面臨許多技術(shù)難題[1-5]。近年來,相關(guān)學(xué)者已對煤層群開采的技術(shù)與理論進(jìn)行了研究,取得許多有益成果。楊國樞[6]等以大同礦區(qū)近距離煤層群綜放工作面二次采動為背景,研究得出下部煤層二次采動采場覆巖形成“垮落帶疊加”結(jié)構(gòu),工作面超前支承壓力峰值及影響范圍有所減小;劉長友[7]等采用威爾布多參數(shù)分布函數(shù)得出了頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的影響因素;姜鵬飛[8]等研究了不同寬度煤柱內(nèi)部及下部煤巖體中的傳力機(jī)制,認(rèn)為隨著煤柱寬度的增大,煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力呈先增后降的現(xiàn)象,得出了煤柱應(yīng)力擴(kuò)散角的計算公式;李春元[9]等以埋深為270 m的煤層群下伏煤層開采為背景,研究了上部綜放開采遺留煤柱下應(yīng)力傳播規(guī)律,分析了不同寬度煤柱對下部煤層的擾動范圍;洛鋒[10]等采用物理模擬和數(shù)值分析研究得出近距離煤層底板應(yīng)變隨采動變化情況與上覆巖層壓實(shí)范圍、原始壓力載荷基數(shù)和空間邊界有關(guān);黃慶享[11-13]等研究了淺埋近距離煤層群開采區(qū)段煤柱錯距與間隔巖層厚度的關(guān)系,提出了煤層群開采“應(yīng)力場、位移場和裂縫場”具有三場演化和耦合的特征;張春雷[14]以晉城某礦近距離煤層群開采為背景,研究了上行開采上部煤層覆巖垮落較難形成結(jié)構(gòu),其離層高度增幅較??;王龍飛[15]等研究了深井近距離煤層群采空區(qū)下巷道圍巖變形特征及支護(hù)技術(shù);黃慶享[16-17]等研究了淺埋煤層群高強(qiáng)度開采的覆巖和地表裂縫發(fā)育規(guī)律,揭示了下部煤層開采的覆巖裂隙二次擴(kuò)展機(jī)理;胡永忠[18]等通過物理模擬研究了煤層群混合開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律,得出了煤層群上行和下行開采裂采比的變化特征;侯運(yùn)炳[19]等采用連續(xù)損傷模型研究了近距離煤層層間基本頂?shù)膿p傷及破斷規(guī)律。以上研究針對覆巖垮落特征、煤柱應(yīng)力傳遞規(guī)律及裂隙擴(kuò)展規(guī)律等開展了大量研究,然而對淺埋煤層群下部煤層二次采動影響下的“煤柱-頂板結(jié)構(gòu)”協(xié)同效應(yīng)及其區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的研究較少涉及。實(shí)踐表明,淺埋煤層群上、下煤層開采相互影響嚴(yán)重,覆巖結(jié)構(gòu)特殊,應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。下部煤層煤柱應(yīng)力集中程度高,巷道受壓狀況和范圍具有不確定性,易誘發(fā)強(qiáng)礦壓災(zāi)害[20-23]。

    本文以檸條塔煤礦淺埋煤層群開采為工程背景,首先采用物理模型和數(shù)值計算研究下部煤層區(qū)段煤柱與上部采空區(qū)遺留煤柱不同位置組合時的覆巖垮落規(guī)律及結(jié)構(gòu)演化特征、煤柱應(yīng)力分布規(guī)律和地表移動規(guī)律;然后采用極限強(qiáng)度理論,分析不同錯距時的煤柱穩(wěn)定性;最后,綜合確定下部煤層巷道及煤柱留設(shè)的方法和位置,為淺埋煤層群下部煤層巷道減壓和地表減損開采提供參考。

    1 工程背景

    陜北檸條塔煤礦北翼東區(qū)主采1-2和2-2煤層,未開采3-1煤層。其中1-2煤層已開采,2-2煤層上方為1-2煤層采后形成的“采空區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”空間結(jié)構(gòu)。1-2煤層遺留煤柱形成的集中應(yīng)力區(qū)對2-2煤層工作面回采巷道的留設(shè)造成潛在安全隱患。

    1-2煤層平均厚度1.8 m,2-2煤層平均厚度5.0 m。1-2煤層平均埋深110 m左右,基巖厚度50~90 m,松散層厚度50~100 m。1-2與2-2煤層間距平均35.68 m,屬于淺埋煤層群開采。1-2煤層工作面寬度245 m,2-2煤層工作面寬度295 m,留設(shè)區(qū)段煤柱寬度20 m。礦井采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法,全部垮落法管理頂板。

    主采煤層賦存基本情況見表1,煤層頂?shù)装甯艣r見表2。

    表1 主采煤層與層間距厚度Table 1 Thickness of main coal seam and interval strata

    表2 煤層頂?shù)装甯艣rTable 2 Table of coal seam roof and floor

    2 淺埋煤層群下部煤層覆巖結(jié)構(gòu)分析

    2.1 下部煤層覆巖結(jié)構(gòu)特殊性

    上部煤層開采后覆巖經(jīng)歷一次采動破壞,直接頂不規(guī)則垮落,在采空區(qū)排列不整齊?;卷斊茢嗪笈帕休^整齊,形成咬合砌體梁結(jié)構(gòu)。上部煤層采后形成“采空區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”結(jié)構(gòu)。遺留煤柱附近覆巖垮落不充分,形成“倒梯形”煤柱支撐區(qū)結(jié)構(gòu)。采空區(qū)位置覆巖垮落充分,載荷接近于原巖應(yīng)力。此外,上、下部煤層之間存在間隔巖層,上部煤層開采對其具有一定的損傷。因此,下部煤層覆巖結(jié)構(gòu)由一次采動影響覆巖和間隔巖層組成,覆巖結(jié)構(gòu)特殊,應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜,如圖1所示。

    圖1 下部煤層“特殊覆巖結(jié)構(gòu)”示意Fig.1 Special overburden structure schematic of lower seam

    2.2 間隔巖層分類

    根據(jù)間采比G(間隔巖層厚度與下部煤層采高之比),煤層群間隔巖層可分為層內(nèi)無關(guān)鍵層、單一關(guān)鍵層和雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)3種類型[24]。筆者主要研究第2類淺埋煤層群開采情況,即間隔巖層存在單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu),間采比為7.14。

    2.3 煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用強(qiáng)動載效應(yīng)

    根據(jù)筆者前期調(diào)查研究,間隔巖層存在單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)時,下部煤層工作面區(qū)段煤柱應(yīng)力集中及巷道礦壓顯現(xiàn)受煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用影響。上部煤層遺留煤柱附近不充分垮落覆巖與上方形成的“倒梯形”煤柱支撐區(qū)結(jié)構(gòu)易受二次采動復(fù)活,導(dǎo)致間隔巖層瞬間跳躍性突變失穩(wěn),引發(fā)的強(qiáng)動載效應(yīng)易造成下部煤層區(qū)段煤柱失穩(wěn),對巷道安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。煤柱-頂板協(xié)同作用強(qiáng)動載效應(yīng)如圖2所示。本文研究旨在避免此類狀況發(fā)生,為生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

    圖2 煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用強(qiáng)動載效應(yīng)示意Fig.2 Schematic diagram of strong dynamic load effect of coal pillar roof structure synergy

    3 不同煤柱錯距覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

    3.1 物理模擬方案

    以研究區(qū)域地質(zhì)條件和NBK26號鉆孔數(shù)據(jù)為背景,設(shè)計上、下部煤層傾向覆巖結(jié)構(gòu)演化物理模型,幾何相似比為1∶200。相似材料選取河沙、石膏、石灰粉,分層材料為云母粉。根據(jù)研究區(qū)域地質(zhì)資料、覆巖力學(xué)性質(zhì)及相似原理確定相似材料配比,根據(jù)配比號確定各分層質(zhì)量后逐層鋪裝。

    為消除邊界效應(yīng),上、下部煤層左、右工作面兩側(cè)各留設(shè)80 m邊界煤柱,待1-2煤層(上部煤層)左、右工作面開采覆巖垮落穩(wěn)定,形成“采空區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”空間結(jié)構(gòu)后,開采2-2煤層(下部煤層) 左側(cè)和右側(cè)工作面。試驗(yàn)中,為保證上、下部煤層左右工作面傾向均達(dá)到充分采動,上部煤層左右 兩側(cè)工作面寬度均為245 m。下部煤層左側(cè)工作面由窄變寬,模擬不同的煤柱錯距,觀測不同煤柱錯距的覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。在物理模型頂部布置10個百分表,監(jiān)測地表沉降規(guī)律。上、下煤層工作面間區(qū)段煤柱寬度均為20 m。物理模擬方案如圖3所示。

    圖3 物理模擬開挖方案Fig.3 Physical simulation excavation scheme

    3.2 不同區(qū)段煤柱錯距覆巖垮落特征

    3.2.1 上、下部煤層煤柱重疊布置

    上、下部煤層區(qū)段煤柱重疊布置時,間隔巖層向下部煤層左側(cè)采空區(qū)回轉(zhuǎn)觸矸,并出現(xiàn)上行裂隙,但未貫通上部煤層采空區(qū),間隔巖層未破斷。此時,上部煤層遺留煤柱左側(cè)邊界裂隙活化,上部煤層“倒梯形”煤柱集中支撐區(qū)對下部煤層工作面影響顯著,覆巖不均勻沉降明顯,如圖4所示。

    圖4 重疊布置Fig.4 Overlapped layout

    3.2.2 上、下部煤層煤柱錯距20 m

    待覆巖垮落穩(wěn)定后,將上、下部煤層區(qū)段煤柱錯距增大至20 m(中心距)。此時,間隔巖層繼續(xù)向采空區(qū)回轉(zhuǎn)垮落,上行裂隙進(jìn)一步向上擴(kuò)展,但仍未貫通上部煤層采空區(qū)。上部煤層遺留煤柱左側(cè)邊界裂隙進(jìn)一步活化擴(kuò)大,如圖5所示。

    圖5 煤柱錯距20 mFig.5 Offset distance is 20 m

    3.2.3 上、下部煤層煤柱錯距40 m

    待覆巖垮落穩(wěn)定后,將煤柱錯距增大至40 m。此時,間隔巖層出現(xiàn)明顯豎向裂隙,裂隙貫通整個間隔巖層,間隔巖層開始破斷。上部“倒梯形”煤柱支撐區(qū)開始整體沉降,上部煤層遺留煤柱左側(cè)邊界裂隙減小,如圖6所示。

    圖6 煤柱錯距40 mFig.6 Offset distance is 40 m

    3.2.4 上、下部煤層煤柱錯距60 m

    待覆巖垮落穩(wěn)定后,將煤柱錯距增大至60 m。此時,間隔巖層完全破斷,破斷角50°?!暗固菪巍泵褐螀^(qū)與間隔巖層整體沉降,上部煤柱左側(cè)邊界裂隙基本閉合。此時,覆巖不均勻沉降減緩,下部煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力集中程度最小,如圖7所示。

    圖7 煤柱錯距60 mFig.7 Offset distance is 60 m

    3.2.5 下部煤層右側(cè)工作面開采

    為進(jìn)一步研究煤柱影響區(qū)覆巖垮落特征,當(dāng)上、下部煤層錯距60 m時,留設(shè)20 m區(qū)段煤柱,對下部煤層右側(cè)工作面進(jìn)行開采。試驗(yàn)結(jié)束后,下部煤 層區(qū)段煤柱右側(cè)覆巖垮落與左側(cè)基本對稱,說明下部煤層左側(cè)工作面從左向右開采模擬不同煤柱錯距是可行的,如圖8所示。

    圖8 煤柱影響區(qū)覆巖對稱性垮落結(jié)構(gòu)Fig.8 Symmetrical caving structure of overburden of coal pillars affected area

    3.3 不同煤柱錯距時覆巖和地表移動破壞特征

    受二次采動影響,上部“采空區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”結(jié)構(gòu)經(jīng)歷活化—張裂—閉合的演化過程,但不同錯距條件下的煤柱-頂板結(jié)構(gòu),覆巖均勻沉降和地表損害程度不同。當(dāng)區(qū)段煤柱重疊布置或錯距較小時,上部煤層遺留煤柱邊界裂隙和覆巖離層裂隙活化、擴(kuò)大,造成覆巖不均勻程度增大,地表產(chǎn)生集中拉裂隙,損傷嚴(yán)重,出現(xiàn)明顯凸起的“駝峰狀”下沉盆地,如圖9所示。

    圖9 煤柱重疊布置時地表產(chǎn)生集中拉裂隙Fig.9 Concentrated tension cracks on the surface with overlapped layout of coal pillars

    當(dāng)區(qū)段煤柱錯距增大至60 m左右時,間隔巖層破斷效應(yīng)使覆巖沉降趨于均勻,煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用,使下部煤層區(qū)段煤柱造成的地表拉伸區(qū)與上部煤層區(qū)段煤柱造成的地表壓縮區(qū)重合,形成拉、壓區(qū)疊加效應(yīng),覆巖和地表裂隙寬度減小、閉合。煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用范圍內(nèi),地表呈“平鍋底狀”下沉盆地,如圖10所示。

    圖10 煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用地表集中拉裂隙閉合Fig.10 Surface concentrated tension crack is closed with coupling effect of coal pillars and roof structure

    根據(jù)物理模型頂部10個百分表數(shù)據(jù),整理出下部煤層右側(cè)工作面開采結(jié)束后的地表下沉曲線,如圖11所示。分析數(shù)據(jù)可得:上、下煤層區(qū)段煤柱錯距為60 m時,上、下部煤層煤柱“倒梯形”影響范圍內(nèi)(240~400 m)地表最大下沉量為4.33 m,最小下沉量為3.61 m。煤柱-頂板結(jié)構(gòu)影響范圍內(nèi),地表整體表現(xiàn)為均勻沉降。

    圖11 地表沉降規(guī)律物理模擬結(jié)果Fig.11 Physical simulation results of surface subsidence law

    4 煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用數(shù)值計算

    4.1 不同錯距煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

    為掌握不同煤柱錯距時下部煤層煤柱應(yīng)力分布規(guī)律,建立UDEC數(shù)值計算模型,計算方案與物理模擬一致,分別模擬煤柱重疊布置、錯距20,40,60,70 m時的狀態(tài)。

    根據(jù)UDEC數(shù)值計算,并以煤柱集中應(yīng)力峰值為依據(jù)(即在彈性狀態(tài)下取值),下部煤層區(qū)段煤柱與上部煤層區(qū)段煤柱由重疊到錯距不斷增大布置時,煤柱集中應(yīng)力疊加效應(yīng)不斷減小。下部煤層煤柱的應(yīng)力峰值呈先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢,煤柱內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)范圍呈先減小后增大的趨勢。

    當(dāng)上、下煤柱重疊布置時,下部煤層煤柱應(yīng)力峰值為32 MPa;當(dāng)錯距為40 m時,煤柱應(yīng)力峰值為22 MPa;當(dāng)錯距大于60 m時,應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定在20 MPa,應(yīng)力峰值較重疊布置減小33.3%,煤柱穩(wěn)定性較好;當(dāng)錯距大于70 m時,應(yīng)力峰值基本不變,但煤柱內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)范圍明顯增大,煤柱穩(wěn)定性差,不利于巷道安全。不同煤柱錯距時下煤層煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖12所示。

    圖12 不同錯距時下部煤層煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律Fig.12 Vertical stress of lower seam coal pillar in different offset distance

    4.2 不同煤柱錯距覆巖結(jié)構(gòu)特征

    根據(jù)UDEC數(shù)值計算,間隔巖層的完整性決定著下部煤層煤柱的受力狀態(tài)。隨著下部煤層工作面區(qū)段煤柱與上部煤層遺留煤柱錯距的不斷增大,上覆一次采動影響覆巖及間隔巖層向下部煤層左側(cè)工作面采空區(qū)回轉(zhuǎn),間隔巖層有2個臨界狀態(tài):開始破斷臨界狀態(tài)(錯距40 m);完全破斷臨界狀態(tài)(錯距60 m),如圖13所示。

    圖13 間隔巖層破斷臨界條件Fig.13 Critical condition of the interlayer roof fracture

    下部煤層煤柱處于2個臨界狀態(tài)之間,應(yīng)力集中程度最低,為減壓區(qū),有利于回采巷道的安全,UDEC數(shù)值計算與物理模擬結(jié)果基本吻合。

    4.3 不同區(qū)段煤柱錯距地表移動規(guī)律

    淺埋煤層群重復(fù)采動,地表傾向移動破壞程度與上、下煤層工作面區(qū)段煤柱布置方式有關(guān),不同的上、下煤層區(qū)段煤柱錯距,覆巖不均勻沉降程度不同,地表的損害程度亦不同。

    為揭示煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用地表移動規(guī)律,定義地表不均勻下沉系數(shù)Cus為

    式中,Cus為地表不均勻沉降系數(shù);wmax為地表最大下沉量,m;wmin為地表最小下沉量,m。

    地表不均勻沉降系數(shù)越大,地表損害越嚴(yán)重,覆巖不均勻沉降程度越大,煤柱-頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中程度越高。根據(jù)UDEC數(shù)值計算,不同區(qū)段煤柱錯距時,地表移動規(guī)律如圖14所示。

    圖14 不同區(qū)段煤柱錯距地表移動規(guī)律Fig.14 Surface subsidence law with different offset distance of coal pillars

    分析圖14可得:

    (1) 煤柱-頂板協(xié)同作用范圍外,下部煤層開采地表最大下沉量為4.35 m。煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用范圍內(nèi),不同區(qū)段煤柱錯距,地表不均勻下沉程度不同。

    (2) 當(dāng)區(qū)段煤柱重疊布置時,煤柱-頂板影響范圍地表最小下沉量為0.92 m,地表不均勻沉降系數(shù)為0.79,煤柱兩側(cè)地表拉裂隙集中,地表下沉盆地?fù)隙群艽螅拭黠@的“駝峰狀”下沉盆地。

    (3) 當(dāng)錯距為20 m時,地表最小下沉量為1.41 m,地表不均勻沉降系數(shù)為0.68;當(dāng)錯距為40 m時,地表最小下沉量為2.62 m,地表不均勻沉降系數(shù)為0.40,“駝峰狀”下沉盆地梯度減緩。

    (4) 當(dāng)錯距為60 m時,地表最小下沉量為3.71 m,地表不均勻沉降系數(shù)減小為0.15,此時下部煤層區(qū)段煤柱側(cè)地表拉伸區(qū)與上部煤層遺留煤柱側(cè)地表壓縮區(qū)疊加,地表及巖層中的拉裂隙明顯減小,地表不均勻沉降明顯減緩,整體呈現(xiàn)“近平鍋底狀”下沉盆地。

    根據(jù)物理模擬試驗(yàn),上、下部煤層煤柱錯距為60 m時,煤柱-頂板結(jié)構(gòu)影響范圍內(nèi),地表最大下沉量為4.33 m,最小下沉量為3.61 m,地表不均勻沉降系數(shù)為0.17,與數(shù)值計算結(jié)果基本吻合。

    5 不同錯距煤柱穩(wěn)定性及工程驗(yàn)證

    5.1 下部煤層區(qū)段煤柱載荷計算

    工作面開采后,工作面間的煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中,建立煤柱承擔(dān)荷載計算模型,如圖15所示。

    圖15 煤柱荷載計算模型Fig.15 Calculation model of coal pillar load

    則,煤柱頂部的平均應(yīng)力pz為

    式中,pz為煤柱頂部的平均應(yīng)力,MPa;a為煤柱寬度,m;H1為基巖厚度,m;1γ為基巖平均容重,kN/ m3;H2為土層厚度,m;2γ為土層平均容重,kN/m3;1α為基巖破斷角,(°);2α為土層破斷角,(°)。

    結(jié)合檸條塔煤礦北翼東區(qū)開采實(shí)踐,以及NBK26號鉆孔數(shù)據(jù)和物理模擬的結(jié)果,1α=60°,α2=65°,a=20 m,γ1=24 kN/m3,H1=81.9 m,γ2= 19 kN/m3,H2=94.7 m。將以上參數(shù)代入式(2)中,得出下部煤層煤柱的平均應(yīng)力pz=21 MPa。

    考慮上部煤層遺留煤柱影響,取1.5倍的安全系數(shù)。因此,下部煤層煤柱應(yīng)力峰值為31.5 MPa,與UDEC數(shù)值計算結(jié)果得出的32.0 MPa相符。

    5.2 下部煤層區(qū)段煤柱極限強(qiáng)度

    煤柱穩(wěn)定性與煤體本身的強(qiáng)度、煤柱尺寸及受載情況有關(guān),根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),煤柱極限強(qiáng)度通 常采用Bieniawski公式計算:

    式中,sσ為煤柱極限強(qiáng)度,MPa;cσ為煤柱的單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;h為遺留煤柱的高度,m;a為遺留煤柱的寬度,m;當(dāng)a/h>5時,n=1.4;當(dāng)a/h<5時,n=1。

    檸條塔煤礦2-2煤層單軸抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa左右,煤柱寬度20 m,采高平均5.0 m,煤柱寬高比為4.0,n取1.0,代入式(3)得到下部煤層煤柱極限強(qiáng)度σs為25.8 MPa。

    根據(jù)文獻(xiàn)[25],煤柱安全系數(shù)計算公式為 式中,sσ為煤柱極限強(qiáng)度,MPa;Pzm為煤柱承受最大應(yīng)力,MPa。

    根據(jù)UDEC數(shù)值計算和理論計算結(jié)果,上、下煤柱重疊布置時,煤柱最大應(yīng)力為32 MPa。錯距20 m時,煤柱最大應(yīng)力為29 MPa;錯距40 m時,煤柱最大應(yīng)力為22 MPa;錯距大于60 m時,煤柱應(yīng)力峰值基本維持在20 MPa。代入式(4)得到當(dāng)煤柱重疊布置、錯距20,40,60 m的安全系數(shù)分別為0.8,0.9,1.2,1.3。

    由極限強(qiáng)度理論可得,當(dāng)煤柱所承受的應(yīng)力峰值超過煤柱的極限強(qiáng)度時,煤柱不穩(wěn)定,容易破壞。當(dāng)煤柱所承受的應(yīng)力峰值小于煤柱的極限強(qiáng)度,煤柱穩(wěn)定。因此,當(dāng)上、下部煤層煤柱錯距小于40 m時,煤柱應(yīng)力峰值大于煤柱極限強(qiáng)度,安全系數(shù)小于1.0,煤柱穩(wěn)定性差,巷道維護(hù)困難;當(dāng)煤柱錯距大于40 m時,煤柱應(yīng)力峰值小于煤柱極限強(qiáng)度,安全系數(shù)大于1.0,煤柱穩(wěn)定,有利于巷道安全。

    在檸條塔煤礦北翼東區(qū)2-2與1-2煤層重復(fù)采動過程中進(jìn)行了試驗(yàn)。當(dāng)上、下煤層區(qū)段煤柱錯距為60 m左右(約為間隔巖層厚度的1.7倍)時,下煤層工作面回采巷道煤柱幫較穩(wěn)定,地表沉降平緩,明顯小于上、下煤柱重疊布置區(qū)。

    6 結(jié)論

    (1) 淺埋煤層群下部煤層開采時,上部“采空 區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”結(jié)構(gòu)不充分垮落和間隔巖層突然破斷形成的強(qiáng)動載,易造成下部煤層區(qū)段煤柱失穩(wěn),威脅巷道安全。

    (2) 煤柱重疊布置或錯距較小時,覆巖垮落不充分,不均勻沉降程度高,覆巖和地表裂隙發(fā)育。煤柱錯距增大至一定程度,間隔巖層完全破斷,上部“倒梯形”煤柱支撐區(qū)與間隔巖層整體沉降,覆巖垮落充分,不均勻沉降程度降低,地表損害減緩。

    (3) 下部煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值隨錯距的增大,呈先減小后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。下部煤層區(qū)段煤柱位于間隔巖層開始破斷和完全破斷2種狀態(tài)之間時,煤柱處于減壓區(qū)。隨著錯距增大,地表不均勻沉降系數(shù)減小,最終地表下沉盆地呈“近平鍋底狀”,地表裂縫最小。

    (4) 上、下部煤層區(qū)段煤柱錯距對煤柱的安全系數(shù)具有明顯影響。煤柱重疊布置和錯距較小時,煤柱應(yīng)力峰值最大,煤柱安全系數(shù)最小,巷道維護(hù)困難。煤柱錯距約為間隔巖層厚度的1.7倍時,煤柱應(yīng)力峰值較小,有利于巷道安全。

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