房柱式残煤二次开采煤柱稳定性研究

孟学超

（阳泉煤业集团沙钢矿业投资有限公司，山西 临汾 043500）

0 引 言

房柱式开采作为一种常见的采煤方法，由于其开采工艺相对简单，故在中小型煤矿应用较为广泛，但同时也带来的却是大量煤炭资源的浪费。为了提高煤炭资源的回收利用率，需要对护巷煤柱进行二次开采。本文主要针对平舒煤矿房柱式开采煤层的二次开采进行研究，通过判断旧采煤区煤柱群的稳定性，作为复合残采区煤柱群稳定性的判定依据。

利用有限差分的方法对旧采煤区煤柱群的稳定性进行分析研究，这将为复合残采区煤柱群稳定性的判定提供强有力的数据支撑。大大节约了实验成本和时间[1-2]。

1 煤柱稳定性有限元分析

有限差分软件FLAC是一种采用混合-离散分区技术，同时使用拉格朗日显示解方案对岩土结构受力和塑性流动进行非线性分析的软件。

1.1 材料特性的确定和网格划分

残采层的煤层高度为5.8m，沿底板开采高度为4.6m。其中，残采空区采用采6m，留7m的采煤方法，两巷外侧预留30～60m的护巷煤柱。当对上述范围的中间30m煤柱进行开采时，采用采6 m，留6 m的采煤方法。

可开采煤层的地质分布整体较为稳定：其底板标高为1030～1060m，煤层厚度基本保持在5.87m左右。该处煤层含一层夹矸，该层夹矸的主要成分由泥岩组成，厚度基本在0.55～0.77m范围分布[3]。

由于残采区的地质构造较为特殊，其岩体种类呈多样性，这样对有限元分析带来较大的困难，需要根据残采区的地质结构的勘测数据对岩体进行合理的归类，提高有限元分析的效率。因此，对矿区的岩体材料特性简化为见表1。

表1 材料力学参数

图1 有限元网格划分

为了提高计算速度，本文取实际尺寸的一半对称进行三维建模，然后对其进行有限元划分网格，网格划分如图1所示，本次共划分420000个单元和506337个节点。

1.2 有限元边界条件设置和载荷施加

在进行煤炭开采时，岩体本身除受到工程影响的作用力外，其自身还要受到地应力的作用。地应力作用主要包括两个方面，岩体自身的自重和地质构造过程中岩体受到的构造应力。其中自重应力主要是由岩石受到的岩层的比重、泊松比和埋深等确定的。而构造应力由于其成形的时间和空间的特性，增加了其计算的难度，通过对该处采煤去地质资料的查询发现，构造应力对岩层的影响相对较小，因此可以忽略不计。

1.3 有限元结果分析

煤矿房柱式开采过程中岩体受力状态是否稳定，主要由围岩和煤柱的应力场、位移场和塑性流动区等决定[4-5]。

本文主要对煤层旧采区房柱式开采进行数值分析。由于旧采区采场开采已经过较长时间，其采煤柱和围岩的应力已趋于稳定状态。因此对旧煤区开采模拟采用一体式开挖，有限元分析结果如下。

图2 最大主应力σmax图

图2 表示原采空区煤柱群的应力分布图，从图中可以看出，采空区煤柱群的应力分布规律为，煤柱中部区域为压应力，四周区域为拉应力。应力值以中部区域最大，四周区域缓慢减小。应力最大值为5.8MPa。根据煤柱群的应力分布状态以及应力值的大小分布，可以看出煤柱群的四周极容易出现拉伸破坏。

图3 竖向应力图

图4 竖向位移图

图3 、图4表示原采空区煤柱群的竖向应力和位移，从图中可以看出，采空区的中部煤柱受到的竖直应力最大且其竖直位移也最大。由于煤柱中部主要受到上覆岩层的压应力，因此其主要竖直应力也表现为压应力。煤柱的周围边角区域受到在应力较小，由于采场地质条件的限制，导致该区域远端一侧出现较小的正向位移。

通过对采空区煤柱的最大主应力，竖向应力和竖向位移的分析可以看出采场区中部煤柱群受到应力值较大且位移破坏较为严重，因此该区域是影响整个采场稳定性的关键部位。

为了更加准确的监测到影响开采稳定性的区域，对采空区设置了多条监测路线，主要布置在煤柱围岩活动受到应力较为集中且变形较大的地方。监测线路平行于两巷，离底板高度为2.3m，长度范围在30-370m之间。通过对有限元数据的分析，得出最合理监测路径的分析结果如下图所示：

图5 沉降曲线

从图5可以看出残煤开采后中部煤柱的应力场较为集中，其最大值为20.8MPa，比四周煤柱的应力值大55.7%；残煤开采后导致采煤场煤柱出现沉降，沉降位移分布呈四周高，中间低的趋势，其中中部煤柱群的下沉量为四周下沉量的2.2倍。

2 结 语

利用有限差分软件FLAC对采空区岩体和煤柱受到煤炭开采影响的应力和位移进行有限元分析得知：①原采空区煤柱群应力分布规律为，煤柱中部区域为压应力，四周区域为拉应力。应力值以中部区域最大，四周区域缓慢减小。根据煤柱群的应力分布状态以及应力值的大小分布，可以看出煤柱群的四周极容易出现拉伸破坏；②竖向应力和位移为煤柱破坏的关键因素，通过合理的监测路径的布置，为后续采煤煤柱群应力场的稳定性分析提供帮助。