双系煤层开采上覆遗留煤柱下采场强矿压机理研究

王少卿

（大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院 山西大同 037003）

0 引言

大同矿区属于双系煤层开采，上部侏罗系煤层开采完毕，现逐步转向下部石炭系特厚煤层开采，煤层厚度11.0 m～23.6 m，双系层间岩层厚度150 m～200 m，其下属多个矿井在石炭系特厚煤层开采期间，尤其在推出上覆侏罗系遗留煤柱边界时易发生顶板大幅下沉等严重的矿压问题，对矿井的安全高效生产造成极大的危害。掌握此类条件下强矿压发生机理及防治对策是大同矿区亟待解决的技术难题。当前，有关过煤柱阶段易发生压架强矿压灾害的研究主要集中于浅埋近距离煤层开采方面[1-3]，有关大同矿区双系煤层大间距方面的研究较少。本文针对同忻煤矿双系煤层开采时上覆遗留煤柱下易发生支架立柱大幅压缩的矿压案例，研究此类条件下强矿压发生机理及影响因素，为大同矿区双系煤层安全开采提供参考。（表1与表2分别为同忻矿某工作面煤层特征以及顶底板岩层特性）

表1 煤层特征

表2 煤层顶底板岩层特性

1 侏罗系煤柱下采场强矿压显现案例

据大同矿区特厚煤层综放工作面压架事故统计，上覆侏罗系煤层遗留煤柱区域亦是强矿压显现多发区域，侏罗系煤层煤柱下开采普遍存在周期来压强度大、支架阻力高、支架活柱下缩量大，严重时甚至诱发端面漏冒、压架等强矿压灾害。据不完全统计，同忻煤矿侏罗系遗留煤柱下开采的强矿压显现案例如表3所示。

表3 同忻煤矿侏罗系遗留煤柱诱发强矿压显现案例描述

表3 所述案例表明，大同矿区上覆侏罗系煤层采空区遗留煤柱对下伏石炭系特厚煤层综放工作面矿压显现存在显著影响，严重威胁着矿井的安全高效生产。因此，有必要研究侏罗系采空区遗留煤柱对石炭系特厚煤层综放面强矿压显现的诱发机制，为科学制定上覆遗留煤柱下强矿压防控对策提供理论依据。

2 双系煤层开采出侏罗系遗留煤柱采场压架机理

特厚煤层综放工作面推出上覆侏罗系采空区遗留煤柱过程中，采场强矿压显现甚至压架事故频繁发生，这显然与侏罗系遗留煤柱顶底板岩层的活动规律密切相关。由于煤柱的存在，其顶板上关键层会在煤柱边界破断形成“砌体梁”式的铰接结构，并承担着其所控制的那部分岩层的载荷。在下煤层工作面推出煤柱边界的过程中，此结构的断裂岩块必然会产生进一步的回转运动；当这种结构不能维持其自身稳定性时，就可能会对下煤层工作面产生冲击载荷作用，最终造成压架的发生，如图1所示。

图1 工作面出上覆遗留煤柱阶段关键块体运动示意图

随着石炭系煤层工作面逐渐向上覆侏罗系遗留煤柱边界推进，煤柱上方关键层将逐步发生周期性破断回转运动，岩块之间相互铰接，最终会在出煤柱边界形成如图1（a）所示的三铰式拱形铰接结构。显然，此结构两侧的C、D 块体便是控制工作面出煤柱时矿压显现的关键块体，因此，分析两关键块体三铰式结构的稳定性是寻求出煤柱阶段工作面压架机理的关键所在。工作面上方铰接岩块可看成是相互铰合而成的多环节铰链，而块体则可简化为一个个杆体。因此，图1（b）中关键块体的拱形铰接结构即可简化为由两个杆体组成的铰接结构，如图2所示。根据库兹涅佐夫的理论，铰接岩块间的三铰结构必须满足中间节点高于两端节点时，结构才能够保持稳定。而对于出煤柱阶段关键块体形成的拱形铰接结构，其中间节点却是低于两端节点的。所以，此结构是不稳定的，它只有靠下部未离层岩层的支撑作用才能保持平衡。

图2 关键块体杆式铰接结构

理论分析高位关键层2及其载荷层厚度之和的极限值处于17.6 m 之内时，才能保证高位关键层2 断裂块体E铰接结构不发生滑落失稳[4]，针对同忻煤矿的地质开采条件，这在实际情况中显然是无法满足的。因此，石炭系3-5#煤层综放面在推出侏罗系遗留煤柱边界时，煤层间的关键层破断块体结构的滑落失稳是必然的。正是由于煤柱上方关键块体相对回转运动传递的过大载荷才造成了块体E“砌体梁”结构的滑落失稳，从而导致工作面顶板直接沿断裂线切落，造成采场强矿压灾害的发生。

3 上覆遗留煤柱采场强矿压影响因素的数值模拟研究

3.1 采高对采场强矿压的影响

对照同忻煤矿基础地质资料进行简化，利用UDEC 数值模拟软件进行研究，数值计算模型长600 m，双系煤层间距150 m，侏罗系煤层厚度7 m，石炭系特厚煤层厚度20 m，双系煤层之间设置了三层关键层，厚度分别为20 m、10 m 和8 m，侏罗系煤层顶板赋存一层20 m的坚硬岩层。

制定了5 个不同采高的开采方案，综放工作面采出厚度分别为10 m、12.5 m、15 m、17.5 m 和20 m。现以方案3即模拟采高为15 m时对应的数值模拟结果进行详细描述。

表4 模型内各岩层力学参数

方案3模拟采用放顶煤开采技术、采5 m放10 m，支架支撑高度为5 m。侏罗系上煤层采后的围岩效果见图3，下煤层工作面过上覆遗留煤柱期间支架立柱的下缩量如图4所示。由图4得出，下煤层工作面在推入煤柱之前以及进入煤柱区域时的支架立柱下缩量基本保持稳定，约为1.5 m；当工作面推出上覆煤柱边界约30 m 时，突然出现了一次支架立柱急剧下缩现象，最大下缩量达2.7 m，与正常开采期间立柱下缩量相差1 200 mm；表明下煤层工作面在推出上覆煤柱边界时易发生动载矿压甚至压架。

图3 15m采高条件下上煤层遗留煤柱开采效果

图4 15m采高过煤柱时支架立柱下缩量变化

5个模拟方案得出推出上覆煤柱边界时支架立柱对应的最大下缩量如表5所示。当双系煤层间距保持不变，随着采高的逐渐增大，在下煤层工作面推出上覆遗留煤柱边界时支架立柱的下缩量都出现不同程度的增大，而在推入煤柱以及在煤柱下时的矿压显现一般比较缓和。由表5 可知，只有当双系煤层间距与下煤层采高之比（即层间采厚比）大于12倍时，过煤柱边界时才不会发生压架灾害。

表5 过煤柱期间不同采高对应支架立柱的下缩量

3.2 层间距对采场强矿压的影响

以上述方案3 作为基础模型，固定石炭系下煤层综放面累计采出高度为15 m，改变双系煤层之间的间距，模拟分析采高一定时层间距变化对过煤柱阶段采场矿压的影响。总共制定了5 组方案，对应的层间距分别为100 m，125 m，150 m，175 m 和200 m。模拟得出双系煤层不同间距条件下出煤柱阶段工作面支架立柱的下缩量变化如表6所示。

表6 过煤柱期间不同层间距对应支架立柱的下缩量

由表6 可知，当双系煤层间距与下煤层采高之比（即层间采厚比）小于12倍时，过煤柱边界时才会发生压架灾害。

4 强矿压灾害防治对策

根据前文所述双系煤层开采下煤层工作面推出上覆遗留煤柱边界易发生强矿压灾害机理，在实际回采过程中，可以采取以下措施保障工作面安全高效生产。

（1）开采之前提前优化工作面开采设计，将工作面推进方向与上覆遗留煤柱走向平行或呈一定的夹角、而不是垂直相交。

（2）开采过程中采用地面压裂或爆破上覆遗留煤柱及其顶板岩层，促使上覆遗留煤柱顶板关键块体提前发生破断回转，从而抑制压架的发生。此项具体措施已在同忻煤矿得到了实践应用[5-6]，效果显著。

5 结论

（1）石炭系特厚煤层工作面在推出上覆侏罗系遗留煤柱边界时，其顶板上方两个关键块体所形成的铰接结构处于不稳定状态，随着石炭系煤层开采两个关键块体会逐渐发生相向回转运动，从而导致双系煤层间的岩层发生剪切破坏失稳，这是大同矿区双系煤层开采上覆遗留煤柱下易发生支架立柱大幅下缩等强矿压的根本原因。

（2）模拟研究揭示了下煤层采高、双系煤层间距对上覆遗留煤柱下采场矿压的影响规律。只有当双系煤层间距与下煤层采高之比（即层间采厚比）大于12 倍时，下煤层工作面在推出上煤层遗留煤柱边界时才不会发生压架灾害。