上覆煤層采空區(qū)遺留煤柱對(duì)8303 工作面的影響研究

繆志炳

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000）

1 工程概況

同煤集團(tuán)塔山礦8303 工作面位于三盤區(qū)，工作面開采3～5#煤層，工作面區(qū)域煤層均厚為8.0 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1。工作面采用綜放采煤方法，機(jī)采高度3.5 m，放煤高度為4.5 m。3-5#煤層上覆兩層煤，分別為2#和山4#煤層，3-5#煤層與其的平均間距分別為4.35 m 和32 m。8303 工作面區(qū)域內(nèi)上覆2#煤層和山4#煤層采空區(qū)，工作面主體區(qū)域上覆一層煤采空區(qū)，局部兩層煤采空區(qū)，上覆采空區(qū)走向的區(qū)段保護(hù)煤柱、橫向的停采煤柱對(duì)8303 工作面及順槽會(huì)造成應(yīng)力傳遞與集中，山4#煤層遺留煤柱的寬度為18 m。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖

2 煤柱應(yīng)力的傳遞

上層煤回采完畢后，圍巖產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，在采空區(qū)殘留煤柱處發(fā)生應(yīng)力集中，并傳遞到下部巖層深處?？梢?，研究上覆采空區(qū)及煤柱作用下的底板巖層應(yīng)力分布，對(duì)下層煤巷道穩(wěn)定性控制有重要意義。采空區(qū)頂板多數(shù)處于懸空狀態(tài)，上部巖層荷載傳遞到煤柱中，導(dǎo)致煤柱范圍內(nèi)產(chǎn)生大于原巖應(yīng)力的應(yīng)力區(qū)。采空區(qū)煤柱下的巖層受到煤柱支承壓力的影響，其原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，并傳遞到深部巖層。

基于國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)于煤柱應(yīng)力傳遞理論的研究結(jié)論可知[1-3]，煤柱受力計(jì)算模型如圖2。

圖2 煤柱受力計(jì)算模型圖

根據(jù)圖2 中建立的煤柱受力模型，能夠計(jì)算得出單位長度煤柱上的荷載P和煤柱所受的均布荷載的表達(dá)式分別為：

式中：P為單位長度煤柱上的總荷載；q為煤柱的均布荷載；D為采空區(qū)長度，m；K為荷載系數(shù)；h為垮落的采空區(qū)高度，m；γ為上覆巖層的體積力，kN/m3；H為開采深度，m；B為煤柱寬度，m；δ為采空區(qū)上覆巖層的垮落角，（°）。根據(jù)工作面及上覆遺留煤柱和采空區(qū)的特征取B=18 m、D=240 m、h=6 m、γ=13.2 kN/m3，δ=35 °，H=460 m?；谏鲜鰯?shù)據(jù)結(jié)合式（1）能夠繪制出遺留煤柱區(qū)域垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖3。

圖3 煤柱區(qū)域垂直應(yīng)力分布規(guī)律圖

分析圖3 可知，采空區(qū)煤柱隨著向底板的逐漸傳遞應(yīng)力在逐漸衰減，在采空區(qū)底板巖層中不同深度處的水平面上，與遺留煤柱上均布載荷作用點(diǎn)的距離越近，應(yīng)力的分布范圍就越小，但是其影響程度反而越大，反之就越小。另外從圖3 中能夠看出，煤柱向底板傳遞的垂直應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在遺留煤柱中心線的正下方，隨著底板深度的增大，垂直應(yīng)力的峰值在逐漸減??；而在同一水平深度處，隨著與煤柱中心線距離的增大，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，并且在遺留煤柱的邊緣位置處應(yīng)力衰減速度最大。

3 遺留煤柱對(duì)工作面的模擬分析

3.1 上層遺留區(qū)段煤層煤柱對(duì)8303 工作面的影響

根據(jù)8303 工作面賦存特征，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，模型尺寸為1000 m×200 m，根據(jù)塔山礦的具體地層情況對(duì)巖層賦予物理力學(xué)參數(shù)。模型兩側(cè)限制橫向位移，底部限制豎向位移，頂部施工等效自重荷載。觀測(cè)布置方面，在3-5#煤層中布置測(cè)線，觀測(cè)從模型左邊界至右邊界的應(yīng)力變化狀況[4-6]。通過模擬I-I 剖面來研究上層2#煤層和山4#煤層采空區(qū)同時(shí)存在時(shí)對(duì)3-5#煤層的影響。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出遺留煤柱對(duì)8303工作面的應(yīng)力影響，其垂直應(yīng)力和垂直位移分布云圖如圖4。

圖4 垂直應(yīng)力及位移分布云圖

分析圖4 可知，在疊加的采空區(qū)作用下，左側(cè)工作面的垂直位移要明顯大于右邊的兩個(gè)工作面，并且在疊加的集中應(yīng)力影響下，山4#煤層的應(yīng)力傳遞角出現(xiàn)變化。疊加應(yīng)力區(qū)的等值線分布圖如圖5。

從圖5 中可以看出，在山4#煤層中的煤柱與2#煤層中實(shí)體煤產(chǎn)生的疊加集中應(yīng)力作用下，應(yīng)力以30°～40°的傳遞角向下傳遞，對(duì)3-5#煤層產(chǎn)生的影響較大。

圖5 疊加集中應(yīng)力等值線圖

為進(jìn)一步研究上層產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)8303工作面的影響程度，需要對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析。8303 工作面層中的應(yīng)力分布曲線如圖6。

圖6 8303 工作面層應(yīng)力分布曲線

從圖6 中可以看出，由于山4#煤層與8303 工作面的層間距在34 m 左右，所以山4#煤層中的遺留煤柱會(huì)對(duì)8303 工作面層產(chǎn)生影響。在上覆煤層采空區(qū)疊加應(yīng)力的影響下，3-5#煤層中垂直應(yīng)力峰值為19.0 MPa，出現(xiàn)在距離上層采空區(qū)邊緣20 m 的位置，隨后在進(jìn)入采空區(qū)范圍時(shí)應(yīng)力急劇下降至極小值，在接近山4#煤層中的煤柱時(shí)又急劇上升至峰值17.1 MPa，隨后再次進(jìn)入采空區(qū)，應(yīng)力急劇下降。

8303 工作面在山4#煤層遺留煤柱兩側(cè)各20 m的范圍內(nèi)應(yīng)力有所增加，在距離實(shí)體煤邊界60 m范圍內(nèi)應(yīng)力有所增加。建議在工作面布置巷道時(shí)避開此段區(qū)域以確保工作面的安全回采。

3.2 煤層走向方向3-5#煤層工作面所受集中應(yīng)力影響

由于工作面走向方向長度較長，所以有必要將模型進(jìn)行合理縮減，只針對(duì)在上層實(shí)體煤與采空區(qū)交界處附近進(jìn)行模擬。設(shè)置模型尺寸為1000 m×200 m，根據(jù)塔山礦的具體地層情況對(duì)巖層賦予物理力學(xué)參數(shù)。邊界條件設(shè)置、觀測(cè)線布置同上。模擬分為兩部分，第一部分山4#煤層與2#煤層同時(shí)存在采空區(qū)的條件下3-5#煤層工作面在回采過程中的礦壓顯現(xiàn)特征（Ⅲ-Ⅲ剖面）；第二部分研究上層只存在山4#煤層采空區(qū)的條件下3-5#煤層所受到的影響，與疊加采空區(qū)條件下做出對(duì)比分析（Ⅳ-Ⅳ剖面）。

基于模擬結(jié)果得出兩個(gè)剖面的應(yīng)力曲線如圖7。

圖7 沿煤層走向應(yīng)力曲線圖

從圖7 可知，Ⅲ-Ⅲ剖面在距離采空區(qū)邊緣之前180 m 范圍內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)增高現(xiàn)象，應(yīng)力峰值位于采空區(qū)邊緣位置前35 m，應(yīng)力峰值為14.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.21。在這段范圍內(nèi)工作面在回采過程中將會(huì)出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)問題，在回采到這個(gè)階段時(shí)要采取一系列措施來抑制礦壓顯現(xiàn)問題。在2#煤層采空區(qū)邊緣位置附近再次出現(xiàn)應(yīng)力升高現(xiàn)象，但因2#煤層中的采空區(qū)位于山4#煤層采空區(qū)下方，處于應(yīng)力降低區(qū)，峰值大小為3.6 MPa，所以該應(yīng)力峰值大小也遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力值，不會(huì)對(duì)回采造成影響。

在Ⅳ-Ⅳ剖面方面，在山4#煤層采空區(qū)邊緣前方30 m 位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值，峰值為14.2 MPa，與Ⅲ-Ⅲ剖面的模擬結(jié)果相差不大。同樣在其前方180 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力升高現(xiàn)象，對(duì)工作面回采產(chǎn)生一定影響。

綜上所述，沿煤層走向方向，3-5#煤層工作面在回采過程中將受到上層煤柱的集中應(yīng)力影響而產(chǎn)生應(yīng)力升高現(xiàn)象。在上層采空區(qū)邊緣靠近實(shí)體煤側(cè)30～35 m 位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值，應(yīng)力集中系數(shù)為1.21。在采空區(qū)邊緣前方180 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力升高現(xiàn)象，在該段范圍內(nèi)工作面在回采時(shí)要特別注意工作面礦壓顯現(xiàn)問題。

4 結(jié)論

（1）工作面上覆遺留煤柱區(qū)域垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤柱中心線下方，垂直應(yīng)力隨傳遞深度的增大而減?。淮怪睉?yīng)力在同一水平深度隨遠(yuǎn)離煤柱而逐漸減小。

（2）8303 工作面在山4#煤層遺留煤柱兩側(cè)各20 m 的范圍內(nèi)應(yīng)力有所增加，建議在工作面布置巷道時(shí)避開此段區(qū)域，以確保工作面的安全回采。

（3）沿煤層走向方向，8303 工作面在上層采空區(qū)邊緣靠近實(shí)體煤側(cè)30～35 m 位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值，應(yīng)力集中系數(shù)為1.21。在采空區(qū)邊緣前方180 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力升高現(xiàn)象，在該段范圍內(nèi)工作面在回采時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度及頂板控制，要特別注意工作面礦壓顯現(xiàn)問題。