辛安煤礦4#煤層下部采空區(qū)區(qū)段煤柱對其開采影響分析

＊韓 偉

（山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 031400）

近距離煤層采用上行開采方式時，下部煤層開采勢必引起上覆巖層在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生運移和破壞，下部煤層開采覆巖破壞范圍、破壞程度對上部煤層開采可行與否有重要的影響。而下覆采空區(qū)留設(shè)的工作面區(qū)段煤柱穩(wěn)定性對其上覆巖層運移范圍、破壞程度影響極大，故研究采空區(qū)區(qū)段煤柱穩(wěn)定性及其對上覆巖層運移影響具有重要意義。

1.工程背景

圖1 煤層賦柱狀圖

辛安煤礦4#、9#、11#煤層是礦井全區(qū)域可采煤層。目前，礦井4#煤層部分區(qū)域開采條件復(fù)雜，該區(qū)域下部的9#、11#煤層先前已經(jīng)采空，此區(qū)域4#煤層開采屬于采空區(qū)上開采，亦即屬于上行開采方式。該區(qū)域煤層設(shè)計3個采煤工作面，這3個工作面可否安全正常開采，與下部煤開采覆巖運移和對本煤層影響破壞程度緊密相關(guān)。尤為重要的是，下煤層留設(shè)的區(qū)段煤柱穩(wěn)定性對4#煤層開采影響關(guān)系較大。礦井煤層賦存柱狀見圖1，煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤層、頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)

2.9#、11#煤層采空區(qū)區(qū)段煤柱穩(wěn)定性計算及對4#煤層開采影響分析

區(qū)段煤柱相鄰兩工作面之間留設(shè)的一定尺寸的煤體，區(qū)段煤柱的尺寸及其穩(wěn)定性對其上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度具有一定的影響，故對9#、11#煤層區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性及其對裂隙帶高度的影響進行分析。

(1)按應(yīng)力分布煤柱穩(wěn)定性區(qū)域劃分

一定寬度的煤柱，在礦山壓力或采動應(yīng)力作用下，煤柱不同區(qū)域應(yīng)力分布狀態(tài)不同，相應(yīng)的造成煤柱出現(xiàn)彈性區(qū)域和塑性區(qū)域。穩(wěn)定煤柱應(yīng)力分布及其區(qū)域劃分見圖2。

如圖2所示，靠近煤柱兩側(cè)邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力為“峰值”，由“峰值”位置至煤柱邊緣應(yīng)力逐漸降低，由“峰值”向煤柱中部應(yīng)力集中逐漸降低至原巖應(yīng)力。圖2為“馬鞍型”應(yīng)力分布煤柱，是穩(wěn)定的煤柱。按煤柱應(yīng)力分布特征及煤柱煤體的σ-關(guān)系，將煤柱劃分3個區(qū)域：I-破裂區(qū)，也稱卸載區(qū)，該區(qū)域是由于采后（掘后）在支承壓力的作用下，煤體產(chǎn)生破壞，煤體處于σ-曲線的破壞后階段，煤體裂隙發(fā)育；II-應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力集中由邊緣向煤柱中部逐漸增大至峰值，此區(qū)域煤體處于σ-曲線峰值后裂隙擴展階段，煤體產(chǎn)生塑性破壞；III-彈性區(qū)，該區(qū)域煤體處于σ-曲線的彈性變形和塑性屈服階段。I區(qū)與II區(qū)統(tǒng)稱為塑性區(qū)域。

圖2 煤柱應(yīng)力分布及區(qū)域劃分

(2)9#、11#煤層采空區(qū)區(qū)段煤柱穩(wěn)定性理論計算

在一定條件下，煤柱尺寸大小是煤柱穩(wěn)定與否的關(guān)鍵因素。按照經(jīng)驗公式，穩(wěn)定煤柱最小尺寸是煤柱中部存在寬度為2m的彈性區(qū)，則區(qū)段煤柱穩(wěn)定的尺寸公式為：

式中：R—巷道邊緣塑性區(qū)寬度，m；

X0—采空區(qū)周邊煤層的塑性區(qū)寬度，m；

2M—煤柱中部彈性區(qū)寬度，m，M為煤層厚度。

根據(jù)極限平衡理論，上區(qū)段采空區(qū)一側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度X0為：

式中：X0—采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，m；

m—采高，m；

f0—摩擦系數(shù)；

K—應(yīng)力集中系數(shù)；

γ—上覆巖層容重，kN/m3；

H—埋深，m；

C—內(nèi)聚力，MPa；

ψ—內(nèi)摩擦角，°。

下覆煤層采空區(qū)區(qū)段煤柱留設(shè)參數(shù)為：

9#煤層：采高4.3m，區(qū)段煤柱寬度20m，埋深178m，內(nèi)聚力3.61MPa，內(nèi)摩擦角35°，容重取250kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)取2.8，摩擦系數(shù)取0.25。

11#煤層：采高4.4m，區(qū)段煤柱寬度20m，埋深193m，內(nèi)聚力3.72MPa，內(nèi)摩擦角38°，容重取250kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)取2.8，摩擦系數(shù)取0.25。

煤柱參數(shù)代入公式（2），計算得到區(qū)段煤柱采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)寬度：

由于下煤層已經(jīng)采空，故按雙側(cè)采空區(qū)條件，代入式（1）得到穩(wěn)定區(qū)段煤柱最小尺寸為：

9#煤層：B9#=2X0-9#+2M=2×23.71+2×4.3=56.02m＞20m。

11#煤層：B11#=2X0-11#+2M=2×21.22+2×4.4=51.24m＞20m。

可見，9#、11#煤層采空區(qū)所留設(shè)區(qū)段煤柱尺寸遠遠小于穩(wěn)定煤柱所需的最小尺寸，說明9#、11#煤層開采后，在支承壓力的作用下，區(qū)段煤柱不是穩(wěn)定煤柱，煤柱已經(jīng)失穩(wěn)破壞。

(3)9#、11#煤層采空區(qū)區(qū)段煤柱穩(wěn)定性對4#煤層影響分析

理論研究表明：下覆采空區(qū)留設(shè)的區(qū)段煤柱對上覆巖層的運移有很大影響，煤柱區(qū)域容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。穩(wěn)定的區(qū)段煤柱支撐能力大，導(dǎo)致煤柱區(qū)域裂隙帶發(fā)育，裂隙帶高度加大，裂隙不易于閉合；非穩(wěn)定的區(qū)段煤柱，采后在支承壓力的作用下失穩(wěn)破壞，易于覆巖下沉，覆巖運移過程中形成的裂隙容易閉合，抑制了裂隙持續(xù)縱向發(fā)育，進而降低了導(dǎo)水裂隙帶高度。

由計算可知，9#、11#煤層采后區(qū)段煤柱失穩(wěn)破壞，這在一定程度上抑制了裂隙帶的向上擴展，降低了裂隙帶高度，這對4#煤層開采有利。

3.采空區(qū)區(qū)段煤柱穩(wěn)定性對4#煤層開采影響模擬分析

(1)模型建立

根據(jù)4#、9#、11#煤層相互間的層位關(guān)系沿煤層傾向建立模型，模型見圖3所示。

圖3 傾向數(shù)值計算模型圖

通過對9#、11#煤層工作面開挖并程序計算，得到下部煤層開采后覆巖運移數(shù)值模擬結(jié)果，覆巖運移后的裂隙場、應(yīng)力場、位移場見圖4所示。

圖4 工作面開采后覆巖運移演化模擬結(jié)果

(2)數(shù)值模擬結(jié)果分析

由圖4可以看出，9#、11#煤層開采后，其上覆巖層整體下沉，直接頂垮落造成采空區(qū)基本充實，但是在區(qū)段煤柱邊緣區(qū)域尚有部分未完全充填壓實區(qū)，在這個未完全充填壓實區(qū)域垂直方向上覆巖裂隙比較發(fā)育，說明煤柱的存在促進了覆巖一定程度上裂隙的擴展。

由于9#煤與11#煤工作面屬于內(nèi)錯布置，上下煤層區(qū)段煤柱沒有重疊，避免了應(yīng)力集中，11#煤層的開采對9#煤開采來講，具有一定的卸壓作用。從裂隙場演化結(jié)果可以看出，9#、11#煤層開采后覆巖基本下沉壓實呈凹形狀，只是區(qū)段煤柱上部一定范圍存有較致密的裂隙，開采區(qū)域到4#煤層見覆巖裂隙基本上已經(jīng)壓實閉合，4#煤層整體下沉，沒有出現(xiàn)顯著的凸凹變化，說明4#煤層整體性較好。

9#、11#煤層開采后覆巖應(yīng)力重新分布，區(qū)段煤柱范圍內(nèi)應(yīng)力呈“橢球”分布，煤柱20m范圍應(yīng)力值最大為25MPa，說明采后區(qū)段煤柱在支承壓力作用下煤體破壞后應(yīng)變硬化，進而產(chǎn)生高應(yīng)力集中。

綜合數(shù)值模擬結(jié)果看，下部煤層開采后，覆巖下沉平緩，區(qū)段煤柱基本進入塑性破壞，下部煤層的開采對4#煤層的整體性基本上沒有影響。

4.結(jié)論

（1）上行開采時，下煤層區(qū)段煤柱無論穩(wěn)定與否，在采動后，由于應(yīng)力集中的作用，煤柱附近應(yīng)力水平較高，區(qū)段煤柱上部覆巖一定范圍內(nèi)裂隙比較發(fā)育，煤柱的存在，不利于裂隙的壓實。

（2）理論計算和數(shù)值模擬表明，下部煤層回采后，區(qū)段煤柱已經(jīng)進入塑性破壞后的應(yīng)變硬化階段。9#、11#煤層采空區(qū)區(qū)段煤柱對4#煤層整體性影響不大，不影響4#煤層的開采。