浅埋近距离煤层群房柱采空区下支架合理支护强度确定

张孝福

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新123000；2.内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

浅埋近距离煤层群房柱采空区下支架合理支护强度确定

张孝福1,2

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新123000；2.内蒙古伊泰煤炭股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

为了确保浅埋近距离煤层群房柱采空区下综采工作面的安全高效开采，采用数值模拟和理论分析的方法研究了房柱式采空区下工作面支架合理支护强度。研究表明，房柱采空区残留煤柱集中应力影响的深度约为20 m，下部工作面回采时应考虑集中应力的影响，残留煤柱对下部工作面开采合理的应力集中系数为1.30；并根据“短砌体梁”理论，计算得到了大地精煤矿房柱采空区下综采工作面支架合理支护强度为1.07～1.21 MPa。该研究方法和结果对类似条件下综采工作面支架合理工作阻力的确定具有借鉴和指导意义。

近距离煤层群 浅埋煤层 房柱采空区 支护强度

我国房柱式采空区下方进行长壁开采已经有了一定的实践和研究[1]，但浅埋近距离房柱采空区下煤层开采则研究较少。浅埋煤层顶板不易形成稳定的结构，顶板破断易于出现台阶下沉，严重时有可能造成压架事故，基本顶破断运动有可能直接波及地表，工作面出现明显动载现象[2-11]，浅埋煤层采场围岩稳定控制与支护设计一直是世界采矿工程领域研究的热门课题[12]。所以研究浅埋近距离煤层群房柱式采空区下应力分布规律及工作面支护强度的适应性，具有重要的理论及实践价值。

1 工程概况

大地精煤矿共赋存2#、3#以及4#等3层煤，其中2#煤不稳定，只有部分区域采用房柱式开采。2#煤遗留的大部分煤柱位于3#煤层3303、3304工作面上部，遗留煤柱尺寸以8 m×8 m和6 m×6 m为主。

3#煤层开采煤层厚度2.39～3.5 m，平均为3.12 m，煤层倾角0°～30°，煤层结构简单，赋存稳定。顶板岩性为泥质粉砂岩及砂质泥岩，底板为粉砂岩，与2#煤层的间距为24.75～41.26 m，平均32.41 m。

2 模型的建立

根据大地精煤矿钻孔柱状图，沿煤层走向做剖面，建立二维数值计算模型。在不影响数值模拟结果的前提下，为了简化模拟，对工作面上覆岩层厚度做合理修正，修正后的岩层厚度分别为13、4、4、5.5、12、13、3.5和15 m。模型中各煤岩层材料参数及解理面力学参数如表1和表2所示，变形块体采用摩尔-库伦破坏准则，节理材料的本构模型采用节理面接触-库伦滑移；上边界为应力边界条件下，施加均布载荷，模型两侧及下部边界设定位移边界条件。

表1 岩块力学参数

表2 节理面力学参数

3 房柱采空区对下位煤层开采应力的影响

3#煤覆岩中垂直应力分布如图1所示，从图1中可以看出由于煤柱对顶板的支撑作用，煤柱下方底板中应力增高，形成应力增高区。而煤房内由于没有被填满，采空区上覆岩层重力没有施加到煤房底板上，因此底板中应力得到释放，其下部形成应力降低区。煤房与煤柱交替分布使得底板中应力也不断变化，将对下部煤层的开采带来不利影响。

图1 垂直应力分布图

在3#煤上覆岩层中布置测线以得到不同层位的应力分布曲线，如图2所示。从图2中可以看出，煤柱对下部岩层的影响随着深度的增加不断减弱，2#煤采空区残留煤柱影响深度在20 m左右；而3#煤与2#煤平均间距为32.41 m，所以2#煤的残留煤柱将影响3#工作面老顶活动规律，甚至波及到直接顶。所以，在房柱采空区下开采3#煤层时，需要考虑应力集中对工作面支架工作阻力的影响，尤其在层间距较小的区域要加强支护。

图2 3#煤层上覆岩层中不同层位垂直应力分布图

2#煤残留煤柱以6 m和8 m的居多，所以主要研究这2种情况与2#煤全采时3#煤覆岩应力分布规律异同点，从而确定房柱采空区产生的应力集中系数，以确定3#煤工作面支架工作阻力。工作面与上部煤层位置关系如图3所示。

图4(a)、图4(b)、图4(c)为上述3种条件下3#煤工作面控顶区范围内(5 m)上方部分层位的垂直应力分布情况，在3种开采条件下，煤层上方部分层位的垂直应力分布规律基本一致，在至煤壁1 m范围内的控顶区顶板垂直应力最大。在至煤壁1 m处布置1条竖直测线，得到不同开采条件下控顶区内的最大垂直应力如图4(d)所示。

由图4(d)可知，当2#煤层全采时，最大应力值约为10.0 MPa；当2#煤层采8 m留8 m时，最大应力值约为12.72 MPa；当2#煤层采6 m留6 m时，最大应力值约为14.19 MPa；此处控顶区垂直应力集中系数约为1.27～1.41。而由UDEC数值模拟软件的特点和相关理论知识可知，顶板上方0 m处的垂直应力较接近工作面支架的工作阻力，由图4(a)、图4(b)和图4(c)可知，3种条件下此处的应力值分别为0.97 MPa、1.27 MPa和1.2 MPa，应力集中系数为1.22～1.30。根据图4(d)可知上覆应力在传递过程中逐渐衰减，故确定房柱下开采合理的应力集中系数为1.30。

图3 工作面位置与2#煤层的相对位置关系

4 工作面支架支护强度的确定

根据上述分析，2#煤残留煤柱对3#煤层开采产生应力集中，应力集中系数为1.30，因此3#煤工作面顶板支护强度计算时应考虑应力集中的影响。

大地精煤矿3#煤层埋深在77～131 m，属于浅埋煤层，浅埋煤层上覆岩层不易形成稳定的结构，易发生滑落失稳，如图5所示[13]。

根据文献[13]，当2#煤没有开采时，可得此时3#煤工作面支架合理的支护强度应为

p=0.82～0.93 MPa.

在房柱采空区下，根据前文分析，需考虑集中应力的影响，所以房柱采空区下3#煤的工作面合理支护强度pF为

pF=1.30×(0.82～0.93)=1.07～1.21 MPa.

5 结 论

(1)房柱采空区残留煤柱影响下部煤层的开采。残留煤柱集中应力影响的深度约为20 m，3#煤层开采时工作面支架工作阻力需要考虑集中应力的影响，在层间距较小的区域还需要加强支护。

(2)当工作面采场位于残留煤柱下方时，煤壁1 m范围内的控顶区顶板垂直应力最大。

(3)对不同采空区条件下3#煤层工作面控顶区范围内顶板中应力分布规律进行研究，并经分析对比得出3#煤层房柱下开采合理的应力集中系数为1.30。

(a)2#煤层全开采

(b)2#煤层采8 m留8 m

(c)2#煤层采6 m留6 m

(d)至煤壁1 m处

图5 老顶岩块周期滑落失稳结构模型

(4)根据3#煤层赋存条件，采用“短砌体梁”理论并结合煤柱影响应力集中系数，大地精煤矿3#煤支护强度为1.07～1.21 MPa。

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(责任编辑 石海林)

ReasonableSupportingIntensityinShallowShort-distanceMulti-seamsWorkingFaceunderRoom-PillarGoaf

Zhang Xiaofu1，2

(1.CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China;2.InnerMongoliaYitaiCoalCo..Ltd.，Ordos017000，China)

In order to ensure the safe and high efficient production of the shallow short-distance multi-seams coal in fully mechanized coal face，the rational support strength of a room pillar beneath goaf is investigated by the theoretical analysis and the numerical simulation.The results show that the depth of stress concentration at the remained pillars is about 20 m，so the effect of concentrated stress at the under-part working face.In the support control area，the vertical stress concentration factor of the remained coal pillars on the under-part is 1.30.Based on “short voussoir beam” theory，the rational support intensity of the coal room pillars in Dadijing coal mine for the fully mechanized coal face under goaf is calculated as the value from 1.07 to 1.21 MPa.The research can offer some meaningful reference and guide for determining the reasonable working resistance of the support in the similar condition of fully mechanized working face.

Short-distance multi-seams，Shallow coal seam，Room-pillar goaf，Supporting intensity

2014-09-23

张孝福(1982—)，男，工程师，硕士研究生。

TD355

A

1001-1250(2014)-12-053-04