煤层群开采合理工作面煤柱错距数值计算

刘 辉，陈 菲，冯 雄

(陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300)

0 引言

浅埋煤层群开采时上煤层区段煤柱形成集中应力，造成下区段巷道支护困难，影响生产安全[1-3]。此外，煤层群开采导致地表裂隙发育，严重破坏生态环境[4-6]。相关研究表明：地表拉裂隙主要源于遗留煤柱造成的非均匀沉降，而非均匀沉降将导致出现拉应力区，形成拉裂缝及集中应力[7-9]。

为了揭示煤层群开采煤柱集中应力与地表下沉破坏的耦合控制关系，文中以柠条塔煤矿浅埋煤层群开采为背景，采用UDEC软件计算确定工作面区段煤柱合理错距和同采工作面合理错距。

1 工作面条件

研究区域位于柠条塔煤矿北翼东区的北翼盘区，主采煤层3层，分别为1-2煤层、2-2煤层和3-1煤层。矿井目前开采1-2煤层和2-2煤层，下部3-1煤层暂未开采。北翼盘区1-2煤层的厚度为0.85～2.16 m，平均1.64 m，采用一次采全高综采设备开采，工作面采用两柱掩护式液压支架进行支护。1-2煤层综采工作面日产量5 000 t左右。北翼盘区2-2煤层厚度为1.00～6.47 m，平均4.51 m，采用一次采全高大采高设备开采，选用综采设备最大采高为5.8 m。工作面采用两柱掩护式液压支架进行支护。2-2煤层综采工作面日产量在15 000 t左右。

1-2煤与2-2煤层平均间距35 m，1-2煤层埋藏深度110 m左右，薄基岩厚度70 m，松散土层厚度40 m。矿井多煤层的地层结构简单，近水平，埋藏浅，薄基岩，厚松散层，属于典型浅埋煤层群[10]。

2 数值模型的建立

根据柠条塔煤矿北翼东区钻孔综合数据，采用Mohr-Coulomb模型建立数值模型，主要煤岩力学参数见表1。模型为630 m×260 m的平面应变模型。根据煤岩力学参数构建模型并赋值，模型计算平衡后原岩应力，如图1所示。

表1 煤岩力学参数表

图1 计算平衡后原岩应力

3 1-2煤层与2-2煤层合理区段煤柱错距

3.1 模型的开挖

先开采1-2煤层，左边留设边界煤柱60 m，开挖左侧工作面，每步开挖4 m，开挖长度为245 m。留设20 m煤柱后，进行右侧工作面的开采，工作面长度为245 m。

1-2煤层开采结束后，进行2-2煤层的开采，左侧留设边界煤柱60 m，进行左侧工作面的开采。为研究不同区段煤柱错距下覆岩垮落规律和地表移动规律，在保证地表达到充分采动的前提下，进行2-2煤层的回采，采高为5 m，分别模拟2-2煤层区段煤柱与1-2煤层区段煤柱重叠布置、错距0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m布置。记录对比不同错距下煤柱垂直应力分布、覆岩破坏特征、地表移动规律。

3.2 不同区段煤柱错距覆岩垮落及煤柱破坏特征

通过UDEC数值模拟得出不同煤柱错距的破坏区，如图2所示。可以得出：当上下煤柱错距小于20 m时，下煤层区段煤柱处于上煤层煤柱增压区内，导致上煤层煤柱与下煤层煤柱出现贯通破坏区，下煤层煤柱破坏严重，巷道支护困难。上下煤柱错距在30～40 m时，随煤柱错距增加，上煤层煤柱底板破坏区与下煤层煤柱顶板破坏区逐渐分离，应力叠加区域逐渐减小。当错距为40 m时，下煤层顶板垮落，巷道处于减压区，煤柱稳定和巷道稳定。当上下区段煤柱错距达到50 m时，下煤层区段煤柱处于上煤层采空区的压实区中，下煤层区段煤柱集中应力上升，煤柱稳定性变差。

图2 不同煤柱错距时破坏区

3.3 不同煤柱错距煤柱垂直应力分布规律

煤柱重叠布置或错距小于0 m时，上下煤柱出现叠加应力，导致下煤层工作面巷道围岩难以控制。煤柱集中应力水平分布范围达到8 m时，应力达到20 MPa以上。随着错距的增大，下煤层煤柱垂直应力逐渐减小，当错距为40 m时，煤柱应力大于20 MPa的范围减小为3 m左右，煤柱应力分布均匀，有利于巷道维护。当错距为50 m时，下煤层区段煤柱处于上煤层开采的压实区中，下煤层煤柱的垂直应力有所升高，高应力范围增大，如图3所示。

图3 不同错距煤柱上的垂直应力分布规律

随着煤柱错距的变化，下煤层煤柱垂直应力峰值呈现先降低、后升高的变化特征，存在最佳区间。受上煤层煤柱叠加应力的影响，当煤柱重叠布置时，下煤层应力峰值最大；随着水平错距的增加，下煤层区段煤柱应力峰值不断减小；当煤柱中心距为40 m时，下煤层煤柱应力峰值最小。煤柱错距为50 m时，下煤层区段煤柱处于上煤层采空区压实区，应力峰值又开始升高，如图4所示。

图4 不同煤柱错距下层煤煤柱的垂直应力峰值

综上所述，上下煤柱布置存在合理的错距。煤柱错距主要与煤层间距和上煤层煤柱集中应力传递角(岩层垮落角)有关，上下煤层煤柱错距保持40 m左右较为合适。

3.4 不同煤柱错距地表沉降规律及合理煤柱错距确定

开采1-2煤层时，地表下沉最大值位于工作面中部，最小下沉量位于煤柱正上方；最大下沉量为1.6 m，最小下沉量为0.5 m，形成W型下沉曲线，如图5所示。当2-2煤层工作面重叠布置或煤柱错距0 m时，地表下沉量为5.9 m，煤柱左右地表下沉起伏和扰度最大，煤柱两侧地表拉裂缝集中，呈现明显的W型下沉盆地。随着错距的增加，地表盆地的下沉梯度(挠度)逐步减小，当煤柱错距大于40 m后，2-2煤层开采后地表下沉落差减小，地表均匀下沉。当煤柱错距为40 m时，1-2煤层与2-2煤层煤柱开采地表下沉比较平缓，可有效地减缓地表破坏程度；同时，煤柱应力也处于最佳状态，存在一致性，最佳煤柱错距为40 m。

图5 不同煤柱错距时地表下沉量

综上所述，通过合理的煤柱错距布置，可以实现覆岩与地表均匀沉降，达到减缓煤柱集中应力与减轻地表裂隙的协同控制。

4 1-2煤与2-2煤煤层同采工作面合理走向错距确定

4.1 模型的开挖

1-2煤和2-2煤左侧边界煤柱宽度为100 m，分别模拟1-2煤与2-2煤同采工作面走向错距100 m、80 m、70 m、60 m、50 m、40 m、30 m、20 m、10 m和0 m时的开采情况，对比不同错距下2-2煤层工作面围岩应力分布、覆岩破坏特征及地表移动规律。

4.2 不同错距2-2煤层工作面围岩应力分布规律

1-2煤层工作面开采后，围岩应力重新分布，工作面煤壁附近形成应力增高区，该区域垂直应力通过煤层传递至底板岩层，对底板岩层的影响成正“八”字分布。随着工作面走向错距减小，2-2煤层工作面受1-2煤层工作面采动影响越来越明显。由于1-2煤层工作面开采后100 m的采空区已经压实，2-2煤层工作面滞后100 m开采基本不受1-2煤层采动应力影响。工作面错距减小为60～70 m时，2-2煤层工作面围岩应力开始增大。当走向错距小于30 m时，2-2煤层与1-2煤层围岩应力叠加，上下煤层工作面相互影响严重，矿压显现剧烈。随着工作面错距的减小，2-2煤层工作面超前支承压力峰值不断增大，如图6所示。

图6 2-2煤层工作面超前支承压力峰值曲线

综上所述，结合2-2煤层、1-2煤层工作面围岩应力分布规律和2-2煤层工作面超前支承压力峰值规律，从避免上下煤层同时开采互相影响和实现安全高产高效开采的角度出发，2-2煤层工作面与1-2煤层工作面同时开采时错距应该大于70 m。

4.3 不同走向错距地表走向沉降规律及合理错距确定

数值计算得出，2-2煤层工作面与1-2煤同采工作面走向错距分别为0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m和100 m时的地表下沉曲线，如图7所示。

图7 同采工作面走向不同错距的地表下沉曲线

当2-2煤层和1-2煤层工作面达到充分采动的情况下，不同走向错距的地表最大下沉量基本相同，平均为5.1 m左右。不同走向错距条件下，推进方向地表下沉盆地边缘的下沉曲线挠度差别较大，即地表平行裂隙的发育程度不同。

当工作面走向错距小于40 m时，地表下沉曲线挠度较大，下降梯度平均为4.15 cm/m，地表受集中拉应力影响较大，地表平行裂缝最大。当走向错距为 50～70 m时，地表下沉曲线挠度有所减缓，下沉梯度为3.75 cm/m。当走向错距为 80～100 m时，地表下沉曲线挠度很小，下沉梯度平均2.63 cm/m。

因此，当2-2煤层工作面与1-2煤层工作面走向错距大于80 m时，能够有效减小采空区平行裂缝发育程度。

5 结论

(1)2-2煤层煤柱垂直应力随倾向错距的增加，出现V型分布，存在最佳区间。当煤柱重叠布置时，下煤层应力峰值最大；当煤柱错距40 m时，下煤层煤柱应力峰值最小；煤柱错距大于50 m后，下煤层煤柱处于上煤层采空区压实区，应力峰值又开始升高。

(2)当2-2煤层与1-2煤层工作面区段煤柱错距大于40 m时，煤柱上方地表下沉挠度较小，可以避免地表边界裂隙(缝)发育，有利于减缓地表破坏程度。因此，基于兼顾避免地下煤柱应力集中和减缓地表裂隙原则，区段煤柱错距40 m左右最佳。

(3)2-2煤层与1-2煤层同采工作面随着走向错距增大，上下工作面互相影响减小。当工作面走向错距大于70 m时互相影响较小，当走向错距小于30 m时应力叠加影响严重。

(4)2-2煤层和1-2煤层工作面充分采动时，不同走向错距的地表最大下沉量相同，为5.1 m。但不同走向错距下，煤壁上方的地表下沉挠度不同，地表平行裂隙发育程度不同。当工作面走向错距小于40 m时，地表下沉挠度最大，当工作面走向错距大于80 m时地表下沉曲线平缓。因此，2-2煤层工作面与1-2煤层工作面走向错距应大于80 m。