近距离煤层群煤柱下采动应力分布特征研究

2018-04-25 07:19张廷院周军顺张国龙

中国煤炭 2018年3期

张廷院周军顺张国龙

(1. 枣矿集团田陈煤矿,山东省枣庄市，277500;2. 山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590)

我国很多矿井采用下行开采方式。在煤层群开采过程中，先采上部煤层后采下部煤层，两层煤间距较大时，上部煤层开采后形成的采空区对下部煤层开采影响较小，与单一煤层开采时矿压规律相同。当上下两层煤间距较小时，两层煤之间的开采会相互影响，随着两层煤间距的减小，影响越来越大。下部煤层在上部煤层的采空区下进行开采，开采前上覆岩层已经发生不同程度的破坏，局部岩层发生大面积的破碎，尤其上煤层开采后残留的区段煤柱导致底板应力集中程度高，而下煤层开采时顶板结构以及围岩应力分布已经发生变化。因此，下部煤层开采与单一煤层开采相比，应力环境更加复杂。下煤层在开采过程中，工作面顶板易发生冒顶事故，当裂隙发育到上部煤层时，易发生工作面漏风、瓦斯突出等灾害。

本文结合鲍店煤矿六采区近距离煤层群开采具体条件，运用FLAC3D数值模拟，研究煤柱下近距离煤层群采动应力分布规律，为类似地质条件下安全高效开采提供依据。

1 工程地质概况

鲍店煤矿六采区北翼存在2#煤层和3#煤层，两层煤的间距为19.9 m，属于近距离煤层。六采区北翼煤层部分可采，导致2#煤层存在较多的残留煤柱，且形状不规则。2#煤层开采完毕残留煤柱，导致2#煤层采空区边缘形成高应力，3#煤层开采受2#煤层残留煤柱影响较大。在2#煤层的影响下，3#煤层在开采前已经处于高应力状态，此外，在多种应力叠加影响下，3#煤层开采过程中极易发生冲击地压。

2 数值模拟模型

以6202、6203工作面为研究对象，模拟六采区北翼2#煤层采空区边界对3#煤层开采的影响，模型尺寸为392 m×336 m×71.3 m。以实际综合柱状图为依据，建立数值模型，网格模型如图1所示，煤岩物理力学参数见表1。2#煤层采空区与3#煤层工作面的关系及分析测线位置如图2所示。

图1 数值模型网格划分

岩性厚度/m密度/kg·m-3体积模量/1010Pa剪切模量/1010Pa内聚力/106Pa内摩擦角/(°)砂岩8260026807272278砂质页岩2126000860572536砂岩22600268072722782#煤层1213500908325页岩38825600880435141砂岩146260026807272278页岩142256008804351413#煤层813500908325页岩2225600880435141砂岩9260026807272278

图2 2#煤层采空区与3#煤层工作面位置关系

3 数值模拟结果分析

3.1 3#煤层开采前顶板应力分布

2#煤层6202和6203工作面开采后留设残留煤柱，6304工作面开采过程中受到残留煤柱的影响，其影响方式有两种：一是工作面由煤柱下开采逐渐向采空区推进；二是工作面从采空区下逐渐向煤柱推进。

2#煤层采空区和不规则煤柱会对3#煤层顶板的初始应力状态造成影响，测线位置2#煤层煤柱集中应力在底板中分布特征如图3所示，3#煤层开采前直接顶的应力分布状态如图4所示。

由图3可以看出，在竖直方向上，当2#煤层大面积采空而又留设煤柱时，煤柱上会有高应力集中区的出现，应力集中系数达到了5.7。随着应力在底板中的衰减，能量在底板中被吸收，当应力传递到3#煤层时，应力减小到14～18 MPa。由图4可知，由于2#煤层煤柱集中应力的作用在煤柱下方出现了应力集中区，且煤柱凸角下的应力以及影响范围远大于其他位置。

图3 2#煤煤柱集中应力在底板中分布特征

图4 6304工作面开采前的直接顶应力分布云图

3.2 3#煤层工作面开采过程中的支承压力变化规律

由于2#煤层煤柱对3#煤层工作面的影响方式不同，分别模拟3#煤层工作面进采空区和出采空区两种方式情况下，工作面不同位置支承压力变化特征。

3.2.1工作面由煤柱下向采空区下推进支承压力分布规律

工作面开采由煤柱下开采向采空区逐渐推进时，不同开采位置支承压力变化如图5所示。由图5可知，当工作面不断接近2#煤层采空区时，支承压力表现出增大的趋势。当工作面距煤柱距离较远时，工作面上下两端应力分布基本一致，说明距离煤柱较远时应力分布受煤柱影响较小。随着工作面临近残留煤柱，工作面上下两端应力状态发生显著变化，当工作面距煤柱边界60 m时，煤柱凸角处应力集中明显，工作面下端支承压力明显大于下端。随着工作面与煤柱之间的距离不断减小，2#煤层采空区卸压效应明显，当工作面上端开始进入煤柱影响区，上端支承压力峰值减小，约为下端支承压力峰值的1/2。

图5 工作面推进到不同相对位置时的应力分布云图

3#煤层工作面推进过程中煤壁前方塑性区发展变化状态如图6所示。棕色区域代表现在单元体处于塑性状态，红色区域代表单元体曾经处于塑性区，现在正逐渐向弹性区恢复，蓝色代表弹性区。工作面上端距离煤柱边界30 m，以此类推当工作面推进50 m、60 m、70 m时，工作面上端距2#煤柱边界B 20 m、10 m、0 m。由图6可知，当工作面推进40 m、50 m时，受2#煤层煤柱的影响工作面上端的塑性区略微多于工作面下端。随着工作面的继续推进，工作面下端的塑性区范围不断扩大，工作面下端开始受到2#煤层凸角应力集中区的影响。当工作面推进70 m时，此位置在工作面上端处于采空区边缘正下方，处在2#煤层的卸压区内，工作面上端的单元体塑性区范围减小，而工作面下端的塑性区已和凸角下的煤体破坏区相连，破坏深度较大，如果此时煤体出现突然破坏则可能会造成冲击地压事故。当工作面推进100 m时，3#煤层底板的压力更多集中在工作面下端，造成工作面下端出现大量塑性破坏区，破坏范围扩大，但是单元体处向弹性转变过程中，且支承压力峰值向深部转移。当工作面继续推进，破坏单元进一步增加，但是破坏单元在工作面上端和下端的分布趋于均匀，说明在此位置集中应力向工作面上端转移，工作面上端开始承受部分顶板集中应力。