浅埋煤层房式采空区下开采煤柱稳定性研究

安 鑫

(西山煤电集团 官地矿，山西 太原 030022)

近年来有关浅埋煤层的开采受到研究学者的广泛重视，尤其在浅埋房式开采中，由于留设的煤柱比较多，受开采扰动影响，煤柱会逐渐破坏，造成采空区无法保证有永久性的煤柱支撑。房式采空区的煤柱分布情况及其破坏情况会直接导致下位煤层开采过程中的应力分布特征发生变化[1]. 由此，我国学者对浅埋煤层开采的矿压显现规律及煤柱稳定性分析进行了大量研究。张俊云[2]、侯忠杰[3]对浅埋工作面顶板的断裂及垮落过程进行了深入研究，得出了不同下沉情况下的支护强度计算方法。杨治林[4]通过对顶板岩层的失稳过程和其弯曲后的不稳定性进行研究，成功推导出断裂后顶板下沉量计算公式。付武斌[5]根据矿压理论及有限元强度拆减理论，对浅埋层采空区下的煤柱稳定性进行了研究，得出了煤柱稳定性主要受煤柱的主应力影响。王平虎[6]通过建立3#煤层残留煤顶板力学模型，对顶板的挠曲变形进行分析，总结了该顶板的下沉规律。巫仕振[7]通过对唐山沟煤矿11#煤层不同类型煤柱的载荷和强度进行理论分析，得出了煤柱稳定性的相关结论。

本文结合前人研究成果，在广泛收集资料的基础上，结合理论分析和数值模拟方法，对石圪台矿综采工作面过2#煤层房式采空区的超前支承压力的分布特征和塑性区分布规律进行了研究，对工作面的安全生产、煤矿的经济效益等具有重要的研究意义和使用价值。

1 工程背景

2#煤层工作面煤房与煤柱之间以“口对柱”形式分布，煤房宽度为6 m，煤柱见方尺寸为8 m，即采用“采六留八”房式布置，房式采空区结构见图1. 从工作面停采线至切眼每100 m划分为一开采区段，区段间留设20 m的隔离煤柱带，工作面平均采高为4 m. 3#煤层倾角为1°～3°，煤层平均厚度为4.0 m，埋深121.3 m，3#与2#煤层采空区层间距33～48 m，3#煤层顶板、底板均以砂质泥岩、粉砂岩为主，直接顶为粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、砂质泥岩。工作面采用三巷布置，分别为主运、辅运和回风顺槽，3条顺槽均沿煤层底板掘进。

图1 房式采空区结构图

房式采空区对3#煤层影响主要有以下几点：

1) 残留煤柱发生流变，回采过程中突然失稳破坏，造成顶板瞬时剧烈来压。2) 当煤层埋深较浅时，煤柱垮落可能造成地表突然塌陷，对地表房屋等建筑物造成损害，采空区大面积垮落甚至造成矿震现象。3) 上煤层房式开采残留煤柱形成应力集中，对下煤层顶板支护不利。

2 房柱及隔离煤柱稳定性分析

房式采空区中煤柱受力情况复杂，煤柱支承压力的大小与煤层埋藏深度、煤柱煤房尺寸、顶底板岩性、煤层倾角等因素有关。由于回采宽度较小，采空区直接顶会部分垮落，基本顶一般不发生冒落，且冒落的矸石未能接顶，房式采空区矸石不具有承载性。按煤柱承载最大载荷状态考虑，即采空区上覆岩层的重量全部作用于留煤柱上。

1) 当煤柱所受载荷大于自身的极限强度时，煤柱产生破坏，破坏时满足：

k≥σp/σ

(1)

式中：

k—安全系数；

σ—煤柱所受平均应力，MPa；

σp—煤柱的极限强度，MPa.

煤柱的极限强度是决定煤柱稳定性的关键条件。煤柱的极限强度与煤块的尺寸、抗压强度、围岩接触面等因素有关。煤柱强度可由式(2)计算：

(2)

式中：

R—煤柱强度，MPa；

Rc1—煤的单轴抗压强度，MPa，该矿煤的抗压强度取15；

h—煤柱高度，m.

计算得出，6 m×8 m、20 m煤柱的强度分别为18.33 MPa、28.32 MPa.

2) 根据面积法转换公式计算煤柱平均应力：

(3)

式中：

H—巷道埋深，m，取148.8；

γ—上覆岩层平均容重，kN/m3，取2.4；

Ak—开采工作面面积，m2；

Az—煤柱面积，m2.

该矿房柱式采空区埋深较浅，煤柱布置整齐、尺寸相等，通过辅助面积法计算煤柱载荷比较合理。

经计算，6 m×8 m房柱的载荷为：

考虑煤房区塌陷，对于宽度为20 m的隔离煤柱载荷计算公式为：

P20×N=[a+wH-0.25D2cotδ]γ

(4)

式中：

w—煤柱宽度，m；

D—区段长度，m，取90；

δ—煤房上覆岩层垮落角，(°)，取60.

确定隔离煤柱上覆载荷，煤柱单位面积的平均载荷，即平均应力为：

=14.6MPa

(5)

当安全系数k>1.5时，煤柱所受最大应力集中在煤柱核区，煤柱能承载上覆岩层的重量，并能保持长期稳定；当k逐渐减小，煤柱最大应力逐渐向煤柱核区集中，导致煤柱产生由外向内的破坏，最终导致煤柱整体失稳。当安全系数k

3 房采后3#煤层开采围岩应力及破坏特征

3.1 模型的建立

根据2#、3#煤层工作面实际赋存状态及尺寸，并考虑到边界效应，模型两边需各留出60 m的保护煤柱。模型尺寸为340 m×300 m×130 m，模型边界条件为四周施加水平位移约束，X、Y方向位移为零；模型底部边界固定，即底部边界X、Y、Z方向的位移均为零；模型顶部为自由边界，在Z轴方向设定自重载荷。

根据提取岩芯所做的煤岩物理力学性质实验，获取各煤岩层物理力学参数见表1.

表1 模型煤岩物理力学参数表

3.2 房采围岩应力特征、下位未采煤层应力场环境

以“采六留八”方式开采2#煤层，开采后采场围岩应力重新分布，围岩应力分布特征见图2. 煤房开采后，采空区底板应力呈“碗”形分布，在采空区下方形成应力降低区，而房柱下方形成应力集中区。经计算可知，该层位原始垂直应力为3.5 MPa，8 m房柱中心垂直应力可达14 MPa，应力集中系数为3.9；房柱失稳后，房柱垂直应力由14.0 MPa降低到8.2 MPa，承载能力降低，由其承载的上覆岩层将由两侧大煤柱承担，在大煤柱两侧将形成明显的应力集中区。与之相反，边界煤柱区垂直应力由8.0 MPa升高到12.5 MPa，成为高应力集中区，应力集中系数达3.6. 通过对比分析房柱破坏前后应力分布情况可知，随着房柱的不断破坏，围岩中的高应力逐渐由房柱转移到边界大煤柱，直至再次平衡。

图2 2#煤层房柱开采后围岩垂直应力分布图

2#煤层开采后，3#煤层应力场环境见图3，在20 m煤柱下方均存在不同程度的增压区，3#煤体中垂直应力为5.0 MPa，应力集中系数为1.11，对开采不利。房柱破坏区域下方3#煤中间区域处于明显的应力降低区，垂直应力为3.8 MPa，降低了16%，使3#煤体中积聚的弹性能得到有效释放，对3#煤开采有利。由此可知，下位3#煤采动应力主要受煤柱尺寸和房柱是否失稳影响，过大煤柱时应加强矿压观测及顶板的管理避免动力灾害的发生。

图3 3#煤层应力分布曲线图

3.3 3#煤层开采围岩应力分布特征

2#煤房采稳定后，按开采计划开挖下覆3#煤层，综合考虑运算速度和模拟目的，开采步距设为20 m，分析3#煤开采过程中围岩应力分布特征。考虑到篇幅，只列举部分围岩应力和塑性区分布图。工作面推进不同距离时围岩垂直应力分布见图4.

图4 3#煤工作面推进不同距离时应力分布云图

3#煤综采工作面推进20 m、40 m、60 m时，超前支承压力影响范围由工作面前方30 m增加到60 m，其中高应力区为工作面前方1～22 m，支承压力值为4.3 ～9.1 MPa，应力集中系数由1.66增加到2.1.

当工作面分别推进100 m、160 m、220 m时，距离20 m隔离煤柱越来越近，超前支承压力影响范围在工作面前方由30 m增加到46 m，支承压力值4.3～16.8 MPa，应力集中峰值分别距工作面前方7 m、2.5 m、3 m处，工作面超前支承压力应力集中系数在2.6～3.7.

综上所述，超前支承压力最大峰值均处于2#煤留设煤柱中且应力集中程度和煤柱尺寸密切相关，由于受煤柱两侧支承压力的叠加作用，20 m隔离煤柱下方应力峰值较大。工作面推进开采3#煤层结束时，高应力区集中在2#煤所留设20 m隔离煤柱下方，工作面走向中部开采后顶板岩层垮落卸压，在上覆岩层的作用下又重新压实，垂直应力逐步恢复。从应力云图中可以看出在开切眼和停采线附近上覆岩层中拉应力高度集中，则可预测开切眼侧上覆岩层垮落角为72°，停采线侧上覆岩层垮落角为69°.

3.4 3#煤层开采塑性区分布特征

工作面推进不同距离的塑性区分布特征见图5，工作面推进至80 m时，房柱与下位煤层工作面开采顶板的塑性区并未上下连通，说明关键层并未发生破断，和理论分析较为一致；当工作面推进至120 m时，连接房柱与其下方煤层开采间的岩层及顶板全部为塑性区，表明关键层已发生破断，直至工作面全部推进结束，并且破断后应力释放导致两层之间岩层发生垮落，此时20 m煤柱正在受剪切破坏，将会产生失稳破坏，对3#煤工作面造成较大影响，和理论分析下位煤层开采过20 m煤柱时，动载系数较大，可能引发压架事故较为一致。

4 结 论

1) 该矿2#煤层房式开采后，残存的煤柱主要分为6 m×8 m房柱和区段之间留设的20 m隔离煤柱带。经理论分析可知，6 m×8 m房柱可能会随着时间作用发生流变最终失稳；20 m隔离煤柱可以长期保持稳定。

2) 下位煤层开采在推进至20 m隔离煤柱处，下部岩层会发生应力集中现象，对下位煤层开采无法起到卸压效果，对工作面矿压显现造成较大影响；在6 m×8 m房柱失稳结构下3#煤层处于卸压状态，应力降低16%，对其矿压显现影响较小。

3) 通过数值模拟分析可知，3#煤开采过程中受2#煤层留设煤柱和房柱的影响，超前支承压力有所不同，工作面回采期间，在工作面前方2.0～25 m为高应力区，超前支承压力影响范围为20～46 m，超前支承压力峰值为4.3～16.8 MPa，超前支承压力最大峰值均处于2#煤留设20 m隔离煤柱及房柱失稳区域下方。

4) 考虑实际开采过程，在3#煤层过20 m隔离煤柱时，很有可能发生动载矿压现象，导致支架压死事故，严重影响矿井安全生产，后期应该加强顶板支护和过房式采空区矿压观测。