神廣煤礦房式采空區(qū)上覆煤層開采可行性研究
2023-07-20 12:03:57張少春
張少春
摘 要：為研究房式采空區(qū)上覆煤層上行開采可行性，根據(jù)神廣煤礦各煤層賦存狀況及開采現(xiàn)狀，采用垮落開采的比值判定法、“三帶”判別法，結(jié)合相似模擬和數(shù)值模擬方法，研究5-2煤層房式開采對(duì)上覆4-2上、4-3煤層完整性和連續(xù)性的影響，分析4-2上、4-3煤層開采過程中對(duì)層間巖層及5-2煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱穩(wěn)定性的影響，論證了4-2上、4-3煤層上行開采的可行性。結(jié)果表明：4-2上、4-3煤層的比值K分別為33.07，23.46，均大于臨界值7.5，且4-2上、4-3煤層均位于5-2煤層垮落帶和裂隙帶之上，完整性和連續(xù)性良好；5-2煤層房式開采后，采場(chǎng)支承壓力增高區(qū)與降低區(qū)交替顯現(xiàn)，最大值為4.88 MPa，遠(yuǎn)小于煤柱極限承載強(qiáng)度6.7 MPa，煤柱保持穩(wěn)定；4-2上、4-3煤層相繼上行開采后支承壓力逐漸減小，使得層間巖層應(yīng)力降低，位移減小，且未對(duì)層間巖層及5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱造成破壞性影響，層間巖層礦壓顯現(xiàn)不明顯，神廣煤礦可對(duì)4-2上、4-3煤層進(jìn)行上行開采。研究結(jié)果對(duì)類似地質(zhì)條件下房式采空區(qū)上覆煤層上行開采具有一定借鑒意義。
關(guān)鍵詞：房式采空區(qū)；上行開采；煤柱穩(wěn)定性；支承壓力；應(yīng)力分布；位移分布
中圖分類號(hào)：TD 325文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1672-9315（2023）03-0476-10
DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0304開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：
Feasibility study on coal mining above room mining
goaf in Shenguang coal mineZHANG Shaochun
（Shaanxi Coal Science Research Institute，Xian 710001，China）
Abstract：In order to study the feasibility of upward mining over room mining goaf，according to the occurrence and mining status of each coal seam in Shenguang coal mine，the ratio method，“Three Zones” discriminant method，similarity simulation and numerical simulation method are adopted in the research.The influence of room mining in 5-2 coal seam on the integrity and continuity of overlying 4-2upperand 4-3coal seam was studied.The influence of the mining process of 4-2upperand 4-3coal seam on the stability of interlayer rock and the coal pillar in the goaf of 5-2coal seam was analyzed.The feasibility of upward mining of 4-2upperand 4-3coal seam was demonstrated.The results show that：The ratio value K of 4-2upperand 4-3coal seam are 33.07 and 23.46，respectively，greater than the critical value 7.5.The 4-2upperand 4-3coal seam are located above the falling zone and the crack belt of 5-2coal seam，indicating a good integrity and continuity.After room mining in 5-2coal seam，the increase and decrease zones of abutment pressure appear alternately，and the maximum value is 4.88 MPa，which is far less than the limit load-carrying of coal pillar 6.7 MPa，and the coal pillar remains stable.After the upward mining of 4-2upperand 4-3coal seams，the abutment pressure gradually decreases，reducing the stress and displacement of the interlayer rock，which does not cause destructive effects on the interlayer rock and the coal pillar.The mine pressure behavior is not obvious.Shenguang coal mine can carry out upward mining of 4-2upperand 4-3coal seam.The research results provide a guiding reference for upward mining over room mining goaf under similar geological conditions.
Key words：room mining goaf；upward mining；coal pillar stability；abutment pressure；stress distribution；displacement distribution
0 引 言
根據(jù)生產(chǎn)礦井開采方法的技術(shù)原則，煤層群的開采一般按下行順序進(jìn)行。但由于歷史、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)條件等原因，許多煤礦存在采厚棄薄、采肥棄瘦、采優(yōu)棄劣及采易棄難的現(xiàn)象[1-3]，導(dǎo)致煤層群間形成先采下部煤層，后采上部煤層的上行開采模式。
國內(nèi)學(xué)者針對(duì)一些煤礦的上行開采問題，開展了相應(yīng)的研究工作，取得了較豐富的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4-8]。李楊等針對(duì)近距離煤層上行開采的可行性與擾動(dòng)評(píng)價(jià)問題，建立了上行開采“可行度”判別式與評(píng)價(jià)體系[9]。邵小平等、張向陽等采用相似模擬試驗(yàn)方法，研究了上行開采過程中覆巖破壞特征及裂隙演化規(guī)律[10-12]。馮國瑞等探討了上行開采條件下采動(dòng)支承壓力的動(dòng)態(tài)時(shí)空演化規(guī)律，認(rèn)為采動(dòng)壓力的分布將直接影響上行工作面和下部遺留煤柱的應(yīng)力分布狀態(tài)[13]。KONG等研究近距離下部煤層開采后，采場(chǎng)支承壓力分布及頂板破壞規(guī)律[14]。王寅等提出“上行式開采三鉸拱式結(jié)構(gòu)”，研究上行開采重復(fù)采動(dòng)條件下頂?shù)装宓慕Y(jié)構(gòu)形態(tài)及覆巖破斷機(jī)理[15]。王成等通過分析上覆巖層的應(yīng)力場(chǎng)、裂隙分布，揭示上行開采采動(dòng)應(yīng)力分區(qū)特征及裂隙分域特征的時(shí)空演化規(guī)律[16]。姜耀東等通過建立均布荷載作用下的連續(xù)深梁力學(xué)模型，揭示巷式采空區(qū)上覆巖層失穩(wěn)破壞機(jī)理[17]。吳寶楊等建立下部采空區(qū)邊界“懸空梁結(jié)構(gòu)”模型，研究采動(dòng)系數(shù)小、層間巖層堅(jiān)硬的地質(zhì)條件對(duì)上行開采的影響[18]。
前述關(guān)于上行開采的研究大多基于下部煤層采用長壁采煤法，采空區(qū)上覆巖層垮落較充分；主要關(guān)注下部煤層開采對(duì)上部煤層整體性和連續(xù)性的影響。然而，下部首采煤層若采用房式開采，采空區(qū)留有大量煤柱，覆巖未充分垮落，上行開采產(chǎn)生的采動(dòng)壓力可能造成下部煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱失穩(wěn)破壞，引起上覆巖層垮落破壞和工作面底板巖層失穩(wěn)，危及上部煤層采煤工作面的安全生產(chǎn)[19-20]。因此，有必要針對(duì)房式采空區(qū)上覆煤層上行開采問題開展研究。
針對(duì)神廣煤礦各煤層賦存條件及現(xiàn)階段開采情況，采用比值判定法、“三帶”判別法對(duì)上部4-2上、4-3煤層的完整性和連續(xù)性進(jìn)行分析；通過相似模擬試驗(yàn)研究上行開采對(duì)下部5-2煤層房式采空區(qū)支承壓力的影響；采用3DEC數(shù)值軟件探討了上行開采過程中的采動(dòng)效應(yīng)對(duì)層間巖層及5-2煤層采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性的影響；為上行開采可行性提供理論依據(jù)。
1 工程概況
神廣煤礦位于神木市北部，面積3.635 5 km2，主要可采煤層為4-2上、4-3、5-2煤層。4-2上煤層平均厚度為2.12 m，平均埋深69 m，屬于穩(wěn)定煤層；4-3煤層平均厚度為1.25 m，平均埋深95 m，屬于不穩(wěn)定煤層；5-2煤層平均厚度為4.05 m，埋深最深150 m，該煤層頂板為厚度較大，且層理不明顯的中、粗砂巖，底板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，強(qiáng)度中等，屬于穩(wěn)定煤層。4-2上與4-3煤層的最小層間距為25 m，4-3與5-2煤層間的層間巖層最小厚度為61 m。神廣煤礦4-2上、4-3和5-2煤層及頂?shù)装鍘r層鉆孔柱狀圖如圖1所示。
由于實(shí)際開采條件和歷史原因，神廣煤礦跨越上部4-2上煤層和中部4-3煤層而優(yōu)先開采了下部5-2煤層，開采方式為房式開采，采高2.6 m，現(xiàn)已開采完畢；上部4-2上煤層已開采1401，1402及1403工作面，1404備用工作面已形成，1405工作面掘進(jìn)415 m后臨近5-2煤層房式采空區(qū)，存在上行開采問題。5-2煤層采空區(qū)及4-2上工作面位置關(guān)系如圖2所示。
由副斜井進(jìn)入對(duì)5-2煤層采空區(qū)進(jìn)行了探查，行進(jìn)至50 m處有頂板垮落，煤壁有片幫；繼續(xù)行進(jìn)途中頂板較好，煤壁有少量片幫，底板有鼓起；至360 m處有一密閉墻，支護(hù)完好；繼續(xù)探查至采空區(qū)，發(fā)現(xiàn)有部分頂板發(fā)生冒落，可見巖石頂，探查所見煤柱基本完好。
5-2煤采空區(qū)上部的4-2上煤層保有資源量為152.17 Mt，占4-2上煤層總儲(chǔ)量的33.96%；4-3煤層保有資源量為221.20 Mt，占4-3煤層總儲(chǔ)量的74.36%。對(duì)5-2煤層采空區(qū)上部4-2上、4-3煤進(jìn)行上行開采具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，為了充分、合理開發(fā)煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限，保障神廣煤礦的安全生產(chǎn)，需對(duì)5-2煤上部4-2上、4-3煤層的上行開采可行性進(jìn)行研究。
2 上行開采可行性理論分析
2.1 煤柱極限承載強(qiáng)度確定
下部5-2煤層采用房式開采，采空區(qū)遺留了較多殘留煤柱，作為上覆巖層的主要支承結(jié)構(gòu)，留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)采場(chǎng)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[21-22]。因此，需在進(jìn)行上行開采前對(duì)5-2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱的極限承載強(qiáng)度進(jìn)行確定。
為了消除實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)煤體參數(shù)的尺度效應(yīng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試樣與現(xiàn)場(chǎng)臨界立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)換公式[19]。
式中 σc為實(shí)驗(yàn)室煤樣單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σm為現(xiàn)場(chǎng)煤體立方體強(qiáng)度，MPa；D為試件直徑，m。
通過現(xiàn)場(chǎng)煤體取芯，制作成直徑為50 mm，高度為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行了3組單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)得其單軸抗壓強(qiáng)度分別為21.17，20.99 MPa及19.82 MPa，取其平均值20.66 MPa作為實(shí)驗(yàn)室煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度，代入式（1）得現(xiàn)場(chǎng)煤體臨界立方體強(qiáng)度σm=4.87 MPa。
采用2種具有代表性的煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算煤柱強(qiáng)度[26]
1）Obert-Dwvall/Wang公式為
σp=σm[0.778+0.222（W/h）]（2）
式中 W為煤柱寬度，m；h為煤柱高度，m。
2）Bieniawski提出的煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式為
σ′p=σm[0.64+0.36（W/h）]n（3）
式中 當(dāng)W/h>5時(shí)，n=1.4；W/h<5時(shí)，n=1。
將各參數(shù)代入式（2）、（3）可得：σp=6.7 MPa，σ′p=7.84 MPa。從安全角度出發(fā)，取計(jì)算結(jié)果的最小值，確定5-2煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱的極限承載強(qiáng)度為6.7 MPa。
2.2 比值判定法
基于兩煤層間的層間距與下部煤層采高的比值，對(duì)上部煤層的上行開采可行性進(jìn)行判定，即為比值判定法。其比值K為采動(dòng)影響系數(shù)，反映了采高與層間距之間的關(guān)系對(duì)多煤層開采擾動(dòng)程度，可表示為[23]
K=H/M（4）
式中 H為上下兩煤層之間的層間距，m；M為下層煤采高，m。
下部5-2煤層采高為2.6 m，距上部4-3、4-2上煤層最小間距分別為61 m和86 m，帶入式（4）得比值分別為K1=23.46，K2=33.07。中國上行開采的生產(chǎn)實(shí)踐和研究表明，當(dāng)K>7.5時(shí)，可在已采煤層采空區(qū)上部，進(jìn)行正常的采掘活動(dòng)。由上述計(jì)算可知，K1和K2均遠(yuǎn)大于7.5，因此4-2上、4-3煤層均可在5-2煤層采空區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行上行開采。
2.3 “三帶”判別法
根據(jù)“三帶”判別法[23]可知，當(dāng)上下煤層之間的層間距小于或等于下部煤層開采后的垮落帶高度時(shí)，上部煤層整體性將遭到嚴(yán)重破壞，無法進(jìn)行上行開采；而當(dāng)上下煤層之間的層間距大于裂隙帶高度時(shí)，上煤層僅發(fā)生整體位移，并保持較高的完整性和連續(xù)性，可正常進(jìn)行上行開采[24]。其中垮落帶高度計(jì)算表達(dá)式為
Hk=100∑M4.7∑M+19±2.2（5）
裂隙帶高度計(jì)算公式為
HL=15∑M+10（6）
將下部5-2煤層采高分別帶入式（5）、（6）計(jì)算可得垮落帶高度最大值為10.53 m，裂隙帶高度為49 m。由表1可知，4-3、4-2上煤層與5-2煤之間的最小間距分別為61 m和86 m，均大于垮落帶和裂隙帶高度。表明4-3煤和4-2上煤均位于5-2煤開采后的垮落帶和裂隙帶之上，即5-2煤采空區(qū)上部煤層僅發(fā)生整體位移，且連續(xù)性較好。故根據(jù)“三帶”判別法可知，4-3、4-2上煤層均具備上行開采條件。
3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
3.1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)
相似模擬試驗(yàn)裝置尺寸為5 m×0.2 m×2 m（長×寬×高），四周均由20號(hào)槽鋼約束，如圖3所示。根據(jù)相似理論，以神廣煤礦煤巖層實(shí)際賦存情況及力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型采用的幾何相似比Cl=100∶1，時(shí)間相似比Ct=10∶1，容重相似比Cγ=1.57∶1，應(yīng)力相似比Cσ=157∶1。模型模擬走向長度為500 m，埋深為167 m的采場(chǎng)范圍。試驗(yàn)采用材料以石英沙為骨料，石膏、石灰作為膠結(jié)材料，分層材料選用云母粉。配比參數(shù)見表1。
模型左右兩側(cè)分別留設(shè)寬度為38 cm的邊界煤柱，即模擬工作面實(shí)際推進(jìn)距離為424 cm。根據(jù)所模擬區(qū)域的實(shí)際地表高程，對(duì)模型頂面進(jìn)行了削減，以模擬礦區(qū)地形。為反映開采過程中煤柱支承壓力及采空區(qū)的卸壓效應(yīng)，在模型5-2煤層底板處布設(shè)120個(gè)壓力傳感器組成壓力監(jiān)測(cè)線，即圖4中測(cè)線1；壓力傳感器從左至右依次編號(hào)為1～120，利用多路壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，為了得到開采過程中各煤層及層間巖層的變形、破壞特征，在模型表面布設(shè)了4條位移監(jiān)測(cè)線，由下至上依次編號(hào)為2～5。模型中的壓力傳感器和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置層位及位置如圖4所示。
3.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)
數(shù)值模擬采用離散元軟件3DEC進(jìn)行，模擬范圍位于4-2上煤層1406，1407工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域。如圖5所示，模型沿走向長度為500 m，沿傾向?qū)挾葹?50 m，高度為167 m。模型中主要包括4-2上、4-3、5-2煤層及其頂?shù)装鍘r層，煤巖層平均傾角為0°，并保留了地表地形特征。各巖層物理力學(xué)參數(shù)[25]，見表2。
數(shù)值模擬計(jì)算過程中，分別在x、y方向相對(duì)的2邊界面施加法向約束，模型底面施加限制各個(gè)方向位移的固定面約束，上表面為自由邊界。為了減少邊界效應(yīng)的影響，模型走向和傾向的邊界分別為50 m和47.5 m，即模型工作面開采的走向長度為400 m，5-2煤傾向長度為255 m，4-2上、4-3煤1406和1407工作面傾向長度均為120 m，并留設(shè)寬度為15 m的區(qū)段煤柱。選取y=103.5 m處截面進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分析，并在該截面布設(shè)4條監(jiān)測(cè)線，如圖4所示，測(cè)線2位于5-2煤層頂板處，測(cè)線3位于4-3煤與5-2煤的層間巖層中部，測(cè)線4，5分別位于4-2上、4-3煤層底板處。在相似模擬和數(shù)值模擬試驗(yàn)過程中，均先采5-2煤層，待采場(chǎng)巖層運(yùn)移穩(wěn)定后再采4-2上煤層，最后開采4-3煤層。其中5-2煤層的開采方式為“采6留7”房式開采，即煤房區(qū)域和留設(shè)煤柱的寬度分別為6 m和7 m；4-2上和4-3煤層均采用長壁開采，全部垮落法管理頂板。
4 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析
4.1 5-2煤層開采后支承壓力分布規(guī)律
通過“采6留7”的方式，模擬開采了5-2煤層開采過程。如圖6所示，5-2煤層全部開采完畢后，煤柱與煤房間隔分布，共形成32個(gè)煤柱。5-2煤層房式開采后，4-2上、4-3煤層連續(xù)性良好，留設(shè)煤柱無剝落、片幫現(xiàn)象，且采空區(qū)頂板無冒落，采場(chǎng)整體穩(wěn)定性良好。
為了研究下部5-2煤“采6留7”房式開采后留設(shè)煤柱支承壓力分布規(guī)律，采集了5-2煤開采前（初始地應(yīng)力）和開采后測(cè)線1對(duì)應(yīng)煤柱和煤房處的支承壓力，如圖7所示。從圖7可以看出，5-2煤層開采前，由于模型考慮了實(shí)際地形特性，測(cè)線1處的支承壓力值在3.5～4.0 MPa不均勻分布。5-2煤層房式采空區(qū)形成后，采場(chǎng)煤巖層的應(yīng)力重新分布，測(cè)線1的支承壓力分布規(guī)律與煤柱、煤房的間隔分布規(guī)律一致，即：煤柱處支承壓力大于煤房處，且相對(duì)于原巖應(yīng)力，煤柱處支承壓力均增大，形成壓力增高區(qū)；而煤房處支承壓力則減小，形成壓力降低區(qū)。同時(shí)，測(cè)線1監(jiān)測(cè)到的最大支承壓力為4.88 MPa，位于房式采空區(qū)中心部位，其值小于5-2煤層留設(shè)煤柱的極限承載強(qiáng)度6.7 MPa。表明房式開采后，煤房對(duì)應(yīng)區(qū)域巖層卸壓，上覆巖層荷載轉(zhuǎn)移至煤柱，進(jìn)而傳遞至下部巖層，導(dǎo)致煤柱承受荷載增加，但小于其承載極限。
4.2 4-2上煤層開采后支承壓力分布規(guī)律
5-2煤層房式開采后，待覆巖運(yùn)移穩(wěn)定，對(duì)上部4-2上煤層進(jìn)行了長壁跨落式開采。圖8為4-2上煤層開采完畢后，覆巖運(yùn)移情況及測(cè)線1處的支承壓力分布規(guī)律。
從圖8可以看出，4-2上煤層開采后，支承壓力分布規(guī)律與5-2煤層開采后一致，即：煤柱處支承壓力較大，而煤房處較小。與5-2煤層開采后的支承壓力對(duì)比可知，4-2上煤層開采后煤柱和煤房處的支承壓力均有所降低。位于采場(chǎng)中心部位的最大支承壓力由4.88 MPa降低至4.3 MPa。表明4-2上煤層開采后，支承壓力未超過煤柱承載極限，5-2煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱能保持穩(wěn)定。
4.3 4-3煤層開采后支承壓力演化規(guī)律
待4-2上開采后覆巖運(yùn)移穩(wěn)定，對(duì)中部4-3煤層進(jìn)行長壁垮落式開采。圖9反映4-3煤層開采后，覆巖運(yùn)移情況及測(cè)線1處支承壓力分布規(guī)律。
如圖9所示，4-3煤層開采后，支承壓力分布規(guī)律未發(fā)生改變，仍以壓力增高區(qū)和壓力降低區(qū)交替顯現(xiàn)的形式分布。與4-2上煤層開采后的支承壓力對(duì)比可知，4-3煤層開采后煤柱和煤房處的支承壓力均持續(xù)降低。位于采場(chǎng)中心部位的最大支承壓力由4.3 MPa降低至4.04 MPa，小于煤柱極限承載強(qiáng)度，煤柱能保持穩(wěn)定。
5 數(shù)值模擬結(jié)果分析
5.1 5-2煤層開采后采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布規(guī)律
5-2煤層“采6留7”房式開采后采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)分布如圖10所示。從圖10（a）可以看出，采場(chǎng)中心處煤柱垂直應(yīng)力較大，可達(dá)11.8 MPa。分析可知，5-2煤開采后，煤房與煤柱間隔分布，留設(shè)煤柱及采空區(qū)兩側(cè)煤壁承擔(dān)上覆巖層的所有荷載，導(dǎo)致采場(chǎng)中心區(qū)域煤柱垂直應(yīng)力值較大，但煤柱未發(fā)生塑性破壞仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖10（b）可以看出，采場(chǎng)中心位置巖層沉降最大，最大值為1.73 cm，靠近采空區(qū)兩側(cè)最小，最小值僅為0.9 cm。由于煤房與煤柱間隔分布，煤房上覆巖層沉降量較大，而煤柱上覆巖層沉降較小，造成頂板出現(xiàn)不均勻沉降，但影響范圍較小，僅出現(xiàn)在上覆巖層10 m范圍內(nèi)，且沉降量極小。
圖11為5-2煤層房式開采后，4-2上、4-3煤層底板巖層沉降曲線，其中測(cè)線4位于4-3煤層底板，測(cè)線5位于4-2上煤層底板。如圖11所示，5-2煤層開采后，4-2上、4-3煤層底板沉降曲線呈下凹型，采場(chǎng)中心沉降最大，邊界處最小，其最大值分別為1.16 cm和1.22 cm。
總體而言，5-2煤層房式開采后，煤柱處的垂直應(yīng)力小于其承載極限，煤柱保持穩(wěn)定；采空區(qū)上覆巖層沉降量由下至上逐漸減小，不均勻沉降范圍遠(yuǎn)小于煤層間的層間距，不會(huì)對(duì)4-2上和4-3煤的整體性和連續(xù)性造成影響，可安全進(jìn)行上行開采。
5.2 層間巖層受上部煤層采動(dòng)影響規(guī)律
為了分析4-2上、4-3煤層開采對(duì)層間巖層應(yīng)力、位移的影響規(guī)律，模擬上行開采了4-2上、4-3煤層，其覆巖運(yùn)移情況如圖12所示。提取各煤層開采后測(cè)線3的垂直應(yīng)力和位移值，如圖13所示。在此需要說明的是后文中所有垂直位移分布圖中各煤層開采后的位移值均為單個(gè)煤層開采所致，即4-2上、4-3煤層開采后巖層位移值不與前一煤層開采后的位移值累加，其目的是為了對(duì)比各煤層開采后巖層位移演化規(guī)律。
從圖13可以看出，各煤層開采后，層間巖層垂直應(yīng)力分布規(guī)律具有一致性，即采空區(qū)對(duì)應(yīng)層間巖層垂直應(yīng)力值均勻分布，而靠近邊界處層間巖層垂直應(yīng)力逐漸增大。具體表現(xiàn)為5-2、4-2上、4-3煤依次采出后50～450 m范圍內(nèi)層間巖層垂直應(yīng)力值逐漸減小，分別為2.0，1.5，1.0 MPa；而邊界處巖層垂直應(yīng)力值逐漸增大，最大值分別為3.5，4.0，4.2 MPa。各煤層開采后，層間巖層沉降量變化規(guī)律與垂直應(yīng)力一致，即5-2、4-2上、4-3煤層依次采出后50～450 m范圍內(nèi)層間巖層沉降量逐漸減小，而邊界處沉降量逐漸增大，且沉降逐漸趨于均勻。進(jìn)一步說明4-2上、4-3煤上行開采后的采動(dòng)效應(yīng)，未導(dǎo)致層間巖層礦山壓力劇烈變化，未對(duì)層間巖層造成破壞性影響。
5.3 5-2煤層采空區(qū)煤柱受上部煤層采動(dòng)影響規(guī)律
5-2煤層作為首采煤層，采用“采6留7”房式開采，留設(shè)尺寸為7 m×7 m的煤柱承載上覆巖層荷載，其采空區(qū)穩(wěn)定性是4-2上、4-3煤安全上行開采的關(guān)鍵因素。為了明確各煤層開采過程中5-2煤層頂板及煤柱的穩(wěn)定性，提取測(cè)線2的垂直應(yīng)力和位移值，如圖14所示。
從圖14可以看出，5-2煤層開采前頂板處垂直應(yīng)力值為原巖應(yīng)力，整體均勻分布，約為4 MPa。在5-2煤開采后頂板處應(yīng)力值發(fā)生突變，較大值介于6～10 MPa，位于留設(shè)煤柱處；較小值介于0～2 MPa，位于煤房處。4-2上煤上行開采后，5-2煤采空區(qū)煤柱垂直應(yīng)力值均減小，最大應(yīng)力為8.66 MPa；4-3煤上行開采后，煤柱處應(yīng)力進(jìn)一步減小，最大應(yīng)力為6.8 MPa。5-2煤開采后采空區(qū)頂板位移發(fā)生突變，沉降不均勻，表現(xiàn)為煤房頂板沉降最大，最大值為1.73 cm，而煤柱處沉降較小。4-2上、4-3煤層依次采出后采空區(qū)頂板沉降量逐漸減小，最大值分別為1.55，1.25 cm?？傮w而言，4-2上、4-3煤層上行開采均使得5-2煤層煤柱承受荷載持續(xù)減少，留設(shè)煤柱未失穩(wěn)破壞，采空區(qū)整體趨于穩(wěn)定。表明上行開采可行。
6 結(jié) 論
1）上部4-2上、4-3煤層與5-2煤層間計(jì)算得到的比值K分別為33.07，23.46，均大于臨界值7.5；5-2煤層垮落帶和裂隙帶高度分別為10.53，49 m，均位于4-2上、4-3煤層之下，均滿足上行開采條件。
2）相似模擬試驗(yàn)結(jié)果表明5-2煤層房式開采導(dǎo)致支承壓力增高區(qū)與降低區(qū)交替顯現(xiàn)，支承壓力最大值為4.88 MPa，遠(yuǎn)小于承載極限強(qiáng)度，煤柱保持穩(wěn)定。4-2上、4-3煤層相繼上行開采后支承壓力分布規(guī)律未發(fā)生改變，呈現(xiàn)出持續(xù)減小趨勢(shì)。
3）數(shù)值模擬結(jié)果表明5-2煤層開采后，煤柱處的應(yīng)力值小于其極限承載強(qiáng)度，煤柱保持穩(wěn)定；層間巖層最大沉降量僅1.32 cm，4-2上和4-3煤層具有良好的整體性和連續(xù)性；4-2上、4-3煤層上行開采使得層間巖層應(yīng)力降低，位移減小。
4）5-2煤層開采后，4-2上、4-3煤層具有良好的整體性和連續(xù)性；4-2上、4-3煤層上行開采未對(duì)層間巖層及5-2煤留設(shè)煤柱帶來破壞性影響，未引起層間巖層礦山壓力顯現(xiàn)的劇烈變化。因此，神廣煤礦4-2上、4-3煤層上行開采可行。
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（責(zé)任編輯：劉潔）
