大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理

于 斌，刘长友，杨敬轩，刘锦荣

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003；3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理

于 斌1,2，刘长友1,3，杨敬轩1,3，刘锦荣2

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003；3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

针对大同矿区石炭系煤层8105工作面过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱时的强矿压显现特征，采用理论与现场实测分析相结合的方法，对侏罗系煤层采空区煤柱的应力影响规律与石炭系煤层顶板的垮裂带范围进行了分析，得到了双系煤层开采煤柱影响条件下工作面强矿压显现的“煤柱-覆岩运动”联合作用机理。研究表明：侏罗系煤层采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高，达10.5～13.5MPa，应力集中区深度为40～70m，剪应力波及范围达180m；8105工作面顶板的垮裂带高度为150～170m；工作面过煤柱时的强矿压显现是由采空区煤柱与煤层顶板垮裂运动联合作用的结果。

大同矿区；双系煤层；采空区煤柱；强矿压；应力影响；电磁成像

大同矿区主要赋存有侏罗系与石炭系双系煤层。目前，侏罗系煤层开采已近完毕，石炭系厚及特厚煤层成为主要的开采煤层。大同矿区同忻煤矿石炭系煤层由于赋存较深、厚度较大、结构复杂、顶板与煤层较为坚硬、采空区空间较大等特点，导致工作面以及两端头巷道压力大，尤其在过侏罗系已开采煤层采空区留设煤柱时，石炭系煤层工作面顶板来压情况复杂并伴有系列的强矿压显现特征。因此，要弄清大同矿区双系煤层受侏罗系煤柱影响下的石炭系煤层强矿压显现机理，除了研究石炭系煤层煤岩赋存的条件和垮落特征外，还必须综合考虑开采煤层与侏罗系留设煤柱间的时空影响关系。目前，对于顶板结构中含煤柱问题的宏观探讨虽然已进行了一定的研究[1-4]，并得到了煤柱影响条件下的顶板稳定条件、破坏机理以及顶板(冲击)来压特征等，以及对于建筑物下煤柱留设和煤柱影响下的巷道稳定性问题进行了广泛探讨[5-9]，并得到了煤柱安全留设尺寸的标准以及煤柱影响下的巷道稳定以及失稳机理等，但对于煤柱影响条件下矿压显现的机理目前仍没有统一定论，而对于该问题的分析尚有待于进一步研究。因此，笔者针对大同矿区同忻煤矿8105工作面过侏罗系煤层8202工作面边界煤柱的强矿压显现问题，分析了影响工作面强矿压显现的主要原因，采用理论分析与现场实测相结合的方法，探讨工作面过煤柱时的强矿压显现机理，得到了煤柱影响下工作面顶板受力与运移特征，为类似条件煤层开采过煤柱时的岩层控制提供依据。

1 煤柱下工作面强矿压显现特征

1.1 煤层赋存概况

大同矿区侏罗系含煤地层总厚度74～264m，平均210m，可采煤层21层，单层最大厚度7.81m。随着开采规模日益增大，加之矿区地方小煤矿的开采破坏，侏罗系煤炭可采储量日趋减少。

石炭系煤层包括上石炭统下部本溪组、上石炭统上部太原组及下二叠统山西组。本溪组不含可采煤层；太原组由陆相及滨海相砂岩、泥岩夹夹煤与高岭岩组成，厚36～95m，含可采及局部可采煤层10层，煤层总厚在20m以上；山西组由陆相砂岩夹煤及泥岩组成，厚45～60m，含1层可采煤层，厚0～3.8m。

同忻煤矿双系煤层间分布着细粒砂岩、粗粒砂岩、煤层、粉砂岩、中粒砂岩、岩砾岩、砂质泥岩，其中砂质岩性岩层约占90%～95%，泥岩与煤层仅占5%～10%，双系煤层间距150～200m。8202工作面开采侏罗系14号煤组，该煤组含2个可采煤层，上部为14-2号分层，下部为14-3号分层，煤层总厚3.0～5.0m；8105放顶煤工作面开采石炭系3-5号煤层，煤层总厚7.9～21.6 m，平均13.7 m，机采高度3.5m。同忻煤矿石炭系3-5号煤层顶底板赋存条件，见表1。

表1同忻煤矿石炭系3-5号煤层赋存条件
Table1CarboniferouscoalseamoccurrenceconditionsofNo.3-5seaminTongxinMine

顶底板岩性厚度/m岩性特征基本顶粗粒砂岩4 40～13 488 20灰白色，石英为主，分选差，次棱角状，硅质胶结，坚硬直接顶砂质泥岩0 10～1 600 78灰黑色，含化石，节理发育，致密，块状煤层型煤7 9～21 613 7裂隙发育，易塌落，结构复杂，含夹矸9层，平均0 21m直接底砂质泥岩0 40～10 344 03灰白色，石英为主，长石次之，含有白云母，巨厚层状

1.2 同忻8105工作面矿压显现特征

石炭系煤层8105工作面与侏罗系煤层8202工作面推进方向相互垂直，8105工作面切眼位于侏罗系煤层8202工作面边界煤柱下方，工作面阻力相对较大，由于选用额定阻力为15000kN的架型，边界煤柱下工作面并没有异常矿压显现，但随着8105工作面推进至靠近8202工作面采空区，顶板突然来压，来压强度大，矿压显现剧烈。侏罗系8202工作面与石炭系8105工作面层位关系如图1所示。

图1 双系煤层工作面层位关系Fig.1 The layer relations of dual coal seams

石炭系8105工作面靠近8202工作面采空区时，工作面矿压显现具有以下特点：

(1)超前压力影响范围增大，巷道底臌和煤壁片帮严重，巷道顶板及两帮变形量大，锚杆(索)断裂等；

(2)工作面压力明显增大，支架增阻明显，安全阀频繁开启，开启率34%～67%，支架立柱时有破坏；

(3)工作面采空区顶板垮落块度相对较大，顶板来压剧烈，顶板大面积垮落时伴有巨响。

8105工作面过上方边界煤柱回采期间，两端头巷道内由于单体支柱的支护阻力相对较低，巷道矿压显现更为强烈。工作面过边界煤柱时的巷道底臌与两帮变形如图2所示。

图2 工作面过煤柱时的巷道矿压显现Fig.2 Roadway pressure behavior when the face advance the coal pillar

由图2可见，石炭系8105工作面过上覆侏罗系边界煤柱时，顶板强矿压显现会给工作面安全生产带来较大影响，而弄清该条件下工作面强矿压显现的主要影响因素成为解决类似问题的前提。通过分析8105工作面过上覆煤柱前后的矿压显现情况，可知工作面的强矿压一般仅出现在上部煤层边界煤柱以及采空区留设的区段煤柱下方。由此可见，工作面的强矿压不是单独由顶板活动引起的。因此，石炭系煤层工作面的强矿压显现可能来自于侏罗系留设煤柱的影响或者留设煤柱与石炭系煤层顶板垮断运动的联合作用，但究竟哪一因素占主要地位尚需进一步研究。为此，笔者从煤柱影响与覆岩活动两方面进行探讨，得出同忻煤矿石炭系煤层8105工作面过上覆多煤柱时的强矿压机理。

2 侏罗系采空区煤柱影响分析

同忻煤矿石炭系煤层8105工作面上覆的侏罗系14号煤层已在1980—1983年期间开采完毕。14号煤层顶板经长时间的运动调整，顶板岩层活动基本趋于稳定，采空区留设煤柱作为顶板拱结构的拱脚继续承受覆岩重量，导致14号煤层采空区留设煤柱下方出现较高的应力集中区，而相对实体煤柱下方的高应力区，煤层多个工作面采空区内的应力则相对趋于缓和。随着下部石炭系煤层的开采，下部煤层大采空区的影响可能波及已经稳定的侏罗系覆岩顶板结构，导致双系煤层覆岩结构的贯通，给下部煤层的安全高效生产带来一定隐患。同忻矿双系煤层覆岩结构特征，如图3所示。

图3 同忻煤矿双系煤层覆岩结构Fig.3 Overburden structure of the dual coal seams in Tongxin Mine

随着8105工作面的推进，在靠近8202工作面采空区位置，石炭系煤层工作面出现较强矿压显现，为弄清覆岩采空区煤柱对下部煤层开采的影响，同时鉴于大同矿区顶板砂质岩层岩性相近的条件，建立煤柱集中应力下的煤岩传载模型，如图4所示，x轴取向下，y轴取向左。

图4 煤柱应力条件下的传载模型Fig.4 Model under the condition of the pillar stress

图4中，q(y)为煤柱承载应力大小；dy为煤柱微区段宽度；θ为煤柱下部岩层中应力点A与煤柱微区段边界间的垂直夹角；Y为煤柱微区段至煤柱右边界的距离；r为应力点A至煤柱微区段的径向距离；dθ则为应力点A与微区段两边界垂直夹角的增量。

为方便计算同时又不失问题分析的准确性[10-11]，这里就煤柱承受均布载荷q0条件下的顶板岩层受力进行分析，计算得到煤柱下部岩层应力大小[12]为

(1)

式中，σx，σy，τxy分别为岩层应力点A处的垂直应力、水平应力以及剪应力分量；q0为煤柱承受的均布载荷；θ1，θ2分别为应力点A与煤柱两边界位置的竖直夹角。

由式(1)可以看出，煤柱均布载荷作用下的岩层应力大小主要取决于煤柱应力的承载特征以及岩层应力点位置。煤柱下方岩层内不同位置处的应力大小有所不同，且随着煤柱受力的增加而线性增加。

根据图4中的几何关系可知，岩层应力点A至煤柱边界的竖直夹角与A点坐标的关系满足如下关系

(2)

式中，xA，yA分别为岩层应力点A的纵坐标与横坐标；a，b分别为坐标原点至煤柱右边界与左边界位置的距离。

同忻煤矿侏罗系14号煤层开采后，采空区煤柱承载应力较为集中[13-14]，但经长时间的稳定平衡，采空区区段煤柱上的载荷已趋于均匀分布状态。为方便计算，采空区边界煤柱受力采用分段均布载荷进行逼近，建立侏罗系14号煤层下部岩层的承载模型如图5所示。

图5中，坐标原点取在边界煤柱的右边界；M1与M2区为14号煤层8202工作面边界煤柱，经长时间的稳定平衡，M1区煤柱受力为q0，M2区煤柱受力为λ1q0，其中λ1为应力集中系数，q0为煤层原岩应力，两区域宽度分别为l1与l2；C1区为8202工作面采空区，采空区煤岩受力为λ0q0，λ0为应力集中系数，采空区宽度为l3；同理，M3与M4区为采空区留设的区段煤柱，由于结构的对称性，两煤柱受力都取为λ2q0，应力集中系数为λ2，区段煤柱宽度分别为l4与l6；C2区为侏罗系8204工作面采空区，采空区煤矸受力同样取为λ0q0，采空区宽度为l5。

图5 14号煤层下部岩层受力模型Fig.5 Lower strata force model of No.14coal seam

根据侏罗系煤层不同区域条件下的岩层受力与几何特征，列出14号已采煤层不同区域的受力以及各区域两端至坐标原点的距离a，b，见表2。

表214号煤层不同区域的承载与几何参数
Table2LoadandgeometricparametersofthedifferentareasofNo.14coalseam

项目M1M2C1M3C2M4qq0λ1q0λ0q0λ2q0λ0q0λ2q0al1l1+l2l1+l2+l3l1+l2+l3+l4l1+l2+…+l5l1+l2+…+l6b0l1l1+l2l1+l2+l3l1+l2+l3+l4l1+l2+…+l5

根据大同矿区侏罗系煤层赋存条件与受力特点[15]，同忻煤矿侏罗系14号煤层工作面长度平均为150m，留设区段煤柱为20m，边界煤柱80m；数值分析得到侏罗系煤层开采后，经长时间的稳定平衡，煤岩应力约7.5MPa；考虑煤层开采后不同区域内的应力分布特点[16]，采空区煤岩应力集中系数取为0.9，边界煤柱应力集中系数取1.4，区段煤柱应力集中系数取2.0。参照表1中相关参量，联立式(1)与式(2)，得到侏罗系14号煤层采空区与留设煤柱对下部岩层应力分布的影响，如图6所示。

图6 岩层垂直应力、水平应力和剪应力分布特征Fig.6 Rock vertical,horizontal and shearing stress distribution

图6(a)为14号煤层留设煤柱对下部岩层垂直应力分布的影响。由图可见，岩层内的垂直应力主要集中在相应的留设煤柱下方，且边界煤柱向下的应力集中影响区深度约40m，宽度影响范围20～30m，应力集中区最大垂直应力约10.5MPa；采空区区段煤柱应力集中区深度约70m，宽度影响范围20～50m，应力集中区最大应力约13.9MPa，约为边界煤柱最大应力的1.3倍。煤柱下部的集中应力影响区基本呈狭长条带状分布，而采空区下部岩层中的应力变化不大。

由图6(b)可以看出，由于采空区的影响，导致煤柱下方集中水平应力开始向采空区侧转移，使得煤柱下部的水平集中应力分布范围相对较小，岩层中水平应力分布相对均匀。此时，边界煤柱向下的水平应力集中区深度仅20m左右，宽度影响范围20m，最大水平应力约10.5MPa；区段煤柱水平应力集中区深度在30m左右，宽度影响范围约20～60m，应力集中区最大应力约13.5MPa，约为边界煤柱最大水平应力的1.3倍。整个岩层内的平均水平应力约为6.1MPa，向下的影响深度保持在50～70m，影响范围与采空区宽度相当。

由图6(c)可以看出，煤柱下方的剪应力分布特征明显区别于煤柱下方的垂直应力与水平应力分布。剪应力分布范围较广，影响深度达到180m左右，但应力值相对较小，最大剪应力位于边界煤柱的右边界，仅2.1MPa左右；区段煤柱下部最大剪应力约1.9MPa，位于区段煤柱两边界位置。可见，石炭系煤层开采主要受上覆岩层留设煤柱剪应力的影响，且最大剪应力影响位于石炭系煤层切眼位置处，但应力值相对较低。同时还可看出，采空区煤柱下的剪应力近于反对称分布形式，根据力的相互作用原理，可以推测石炭系煤层推进至采空区煤柱下方，当煤层采动波及到侏罗系煤层时，采空区留设煤柱易趋于剪切破坏形式。

综上分析可知，侏罗系14号煤层开采后，采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高，从而导致弹塑性能的大量积聚，但波及范围较小，仅40～70m，相对于双系煤层间距150～200m而言，侏罗系煤层采空区煤柱应力还不足以影响下部煤层开采；煤柱剪应力波及范围较广，但应力值却相对较低。由此可见，同忻煤矿石炭系3-5号煤层8105工作面推进至煤柱边界位置附近的强矿压显现并不完全由煤柱应力影响这一单一因素所决定。

3 工作面顶板垮裂带高度实测

通过利用煤层顶板垮裂带中充填物的不同进而引起岩层电导率差异的原理，采用EH-4大地电磁法对8105工作面顶板垮裂情况进行监测。EH-4双源型电导率成像系统，如图7所示。

图7 EH-4电磁成像系统Fig.7 EH-4electromagnetic imaging system

采用EH-4电磁成像系统对石炭系煤层8105工作面顶板垮裂带范围进行实测分析。测线布置在临近侏罗系煤层8202工作面边界煤柱左边界对应的地表位置，测线长度180m，测点18个，如图8所示。

图8 电磁成像系统测线布置Fig.8 The measuring line layout of the electrom-agnetic imaging system

具体实测方案为：

(1)8105工作面推近测线前(距测线15～20m)，首先对煤岩实体进行前期观测，分析采动影响前的煤岩赋存特征；

(2)工作面推过测线后(距测线5～15m)，对8104放顶煤工作面采空区冒落情况进行中期观测，分析工作面推过后不久时的顶板垮裂形态及范围；

(3)采空区冒落顶板经长时间(约1.2a)的稳定与平衡，对原测线进行后期观测，分析采空区顶板经长时间稳定后的赋存状态；

通过对测线位置附近煤岩赋存状态的观测，得到了工作面推进不同时期的煤岩赋存特征，如图9所示。图9中，黑色双虚线为石炭系3-5号煤层位置，实曲线为实测煤岩电阻率等值线，图中坐标为实测相对标高(单位：m)。由图9(a)可以看出，工作面推近测线位置前，煤岩电阻率等值线相对平滑，说明煤岩赋存状态稳定，基本保持层状分布，煤层顶板基本不受工作面开采影响。图9(b)给出了工作面推过测线5～15m时的采空区顶板垮冒情况，从图中的红色与蓝色电阻率等值线分布可以看出，采空区顶板活动程度较高区域高度约80m，断裂带高度约达煤层上方150～170m，说明工作面采动的影响对近距离采空区煤岩活动有较大影响，此时顶板赋存不稳定，层间运动互不协调，从而导致煤岩电阻率等值线错落分布。从图9(c)中可知，采空区冒落顶板经长时间的稳定平衡后，破断顶板岩层已基本趋于稳定，此时采空区煤岩电阻率等值线呈现了均匀平滑的分布形式，说明3-5号煤层开采后，垮断顶板经过长时间的运动调整又趋向了层状分布状态，但破断后的顶板电阻率明显区别于完整岩层的电阻率。

图9 不同观测阶段时的煤岩赋存特征Fig.9 Occurrence characteristics of coal and rock in different stages of observation

综上分析可知，同忻煤矿石炭系煤层8105工作面的采动影响使得采空区顶板的垮裂带高度达到了150～170m，而侏罗系煤层采空区煤柱应力集中区深度40～70m，两影响区域可以贯通的最大距离将达190～240m，而同忻煤矿双系煤层间距仅150～200m。可见，石炭系煤层8105工作面推过侏罗系14号煤层8202工作面边界煤柱时的强矿压显现是由于本煤层的开采导致了工作面覆岩顶板垮裂高度波及到了煤柱下方的应力影响区，影响区内积聚的较高弹塑性能突然释放，并引起覆岩结构失稳，共同导致了采场的强矿压显现。

4 结 论

(1)同忻煤矿石炭系煤层工作面推过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱期间具有强矿压显现特征，其影响因素包括煤柱和石炭系煤层开采后覆岩的垮裂运动两个方面。

(2)采空区留设煤柱具有长时间稳定平衡后的均布载荷分布特征，理论分析得到煤柱对采空区下部岩层形成的应力表达式，得到同忻煤矿侏罗系14号煤层采空区煤柱的最大应力影响深度40～70m。

(3)现场实测得到同忻煤矿石炭系煤层8105工作面采动影响范围内的顶板垮裂带高度为150～170m，得出石炭系煤层工作面强矿压显现是由“煤柱-覆岩运动”联合作用的结果。

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MechanismofstrongpressurerevealundertheinfluenceofminingdualsystemofcoalpillarinDatongminingarea

YU Bin1,2,LIU Chang-you1,3,YANG Jing-xuan1,3,LIU Jin-rong2

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.DatongCoalMineGroupCompany,Datong037003,China;3.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

In Datong mining area,carboniferous coal seam of 8105working face under the Jurassic coal gob pillar leaving was characterized by strong pressure,with the theoretical analysis and field testing applied,the Jurassic coal mined-out area of coal pillar stress influence law and carboniferous coal seam roof collapse of crack zone was analyzed,and obtained a dual-line coal seam mining face under strong influence column of the strata “coal pillar-overburden movement” joint mechanism.It shows that the Jurassic coal gob pillar leaving in the horizontal and vertical stress is higher,up to 10.5-13.5MPa,and stress concentration zone depth of 40-70m,the shear stress spread range up 180m;The roof of 8105working face collapse crack zone height range is 150-170m;face appeared a strong pressure of coal pillar is made up of the coal pillar and coal seam roof collapse result of combined effects of crack movement.

Datong mining area;dual system of coal seam;gob pillar;strong pressure;stress influence;electromagnetic imaging

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1482

国家自然科学基金资助项目(51174192)；江苏省研究生培养创新工程资助项目(CXLX12_0964)

于 斌(1962—)，男，黑龙江海伦人，教授级高级工程师。Tel:0352-7868878，E-mail:yubin0352@163.com

TD323

A

0253-9993(2014)01-0040-07

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