煤层群开采煤柱留设宽度对下部煤层矿压规律分析

苏晋波

(科兴申家庄煤业有限公司，山西 高平 048400)

引 言

研究上部煤层开采后不同煤柱留设宽度煤柱所产生的应力集中区对下部煤层的影响，以及下煤层开采矿压显现规律，为下煤层开采工作面优化设计，巷道布置、巷道超前支护提供依据，对煤层群的安全高效开采具有重要意义。本文以在9号煤采空区及煤柱下的15号煤工作面为研究对象，建立数值模型，通过FLAC3D数值模拟的方法，研究在不同煤柱留设宽度下，下煤层开采的矿压显现规律。

1 工程概况

山西高平科兴申家庄煤业位于高平市永录乡泉则头村，设计生产能力120万 t/a，当前主要开采9号煤和15号煤。各个煤层的煤尘都具有爆炸性，自燃倾向性为容易自燃煤层。其中15号煤层位于9号煤层下，煤层间距为23.97 m～33.59 m，平均间距为28.19 m，全区可采，平均煤厚2.38 m。煤层顶板为细砂料、砂质泥岩、中砂岩，局部为粗砂岩、泥岩；底板为砂质泥岩、泥岩、细砂岩，局部为炭质泥岩。煤层结构简单，含部分夹石，为较稳定煤层。本文以在9号煤采空区及不同煤柱留设宽度下的15号煤为研究对象，进行了分析。

2 FLAC3D数值模拟

2.1 模型的建立

根据矿井地质及生产背景，利用FLAC3D软件进行了数值模拟，采用的煤岩力学参数见表1，模型四周为辊支护，限制边界水平位移，底部为全约束边界，顶部为应力边界，施加5 MPa均匀载荷，采用Mohr-Coulomb屈服准则进行计算。

表1 煤岩力学参数

2.2 煤柱留设宽度对下煤层矿压规律的影响

对该矿9号煤层进行开挖，研究煤柱留设宽度分别为10 m、20 m，40 m时煤柱周围支承压力分布特征，得到表2所示的结论。

表2 不同煤柱留设宽度煤柱稳定性情况表

对15号煤层分步开挖，研究不同煤柱留设宽度条件下工作面由煤柱下前方推进至煤柱下后方的采场支承压力变化规律，设定工作面为从煤柱左侧向右侧推进。

1) 当煤柱为10 m时，可得下煤层工作面竖直应力随工作面推进的变化情况。从数据可知，工作面推进至煤柱左侧15 m时，工作面前方形成较小支承压力集中，且与上煤层残留煤柱形成的应力集中区连接在一起；工作面推进至煤柱左侧5 m时，工作面支承压力峰值达到25 MPa，此后直至煤柱右侧5 m，下煤层工作面支承压力形成一个随工作面推进的动态应力集中区，且区域逐渐减小，到煤柱右侧5 m时，集中区已经很小，此后几乎不再受其影响。由于10 m煤柱长期塑性流动已至煤柱发生破坏，故应力峰值有所降低，当工作面推进至该范围时，应加快工作面推进速度，适当降低支架高度即可通过[1]。

2) 当煤柱为20 m时，可得下煤层工作面竖直应力随工作面推进变化规律。从数据可知，当工作面推进至煤柱左侧10 m时，上煤柱的应力降低，工作面前方压力开始升高；从推进至煤住左边到其正下方，下煤层工作面支承压力集中区与上煤层煤柱的应力集中区贯通，且应力集中区范围指增大；此后，至工作面推进至煤杆右侧压力才有所降低，到煤柱右侧10 m下煤层工作已完全摆脱上方煤柱的影响[2]。

3) 当煤柱为40 m时，可得下煤层工作面竖直应力随工作面推进变化规律。从数据可知，工作面推进至煤左侧10 m时，工作面前方支承压力开始升高，推进至煤柱下方时，压力明显升高，为25 MPa～30 MPa。之后，随工作面推进，前方支承压力一直处30 MPa水平，到煤柱中心正下方达到最大。在推进至煤柱右边界时，压力逐渐降低，此后，工作面基本不再受上方煤柱的影响[3]。

3 现场实测分析

对8901工作面与9号煤层采空区保护煤柱现场进行现场测量。工作面共设3个测区：上部(6号，17号、28号)，中部(39号、50号、55号)，下部(60号、71号、83号)。工作面正常进期间支架阻力一般处在3 000 kN～4 000 kN间，28号架在6 000 kN左右，说明工作面处于煤层采区下方，支承压力一般比较低；在推进至煤柱前方25 m时，各支架阻力均有不同程度增高，共中17号支架工作阻力骤升至8 000 kN，其他支架也都达到5 000 kN，说明受上部残留煤柱影响，工作面前方支承压力与煤柱产生应力集中叠加，使工作面压力增大，支承压力升高区一直持续到工作面推进至75 m位置。

从75 m至170 m，工作面支架工作阻力变化不大，这是因为工作面处于上煤层采空区的应力降低区，工作面周期来压时其本顶岩块传递给工作面煤的力较一般工作面小。从170 m开始，工作面支架阻力表现为增大趋势，工作面进入30 m煤柱燃响区，该阶段与25 m煤柱影响区的矿压规律基本一致，支承压力升高均发生在煤柱方5 m～10 m，降低发生在煤柱投影区内距右侧边缘5 m～10 m位置，这与之前数值分析及理论分析结果是一致的。

4 结论

通过对于申家庄煤矿的初步模拟结果分析，可得到如下结论：

1) 煤柱宽度为10 m时，煤基本发生破坏，其承受的高应力传递至周围采空区，对下煤层开采影响较小。

2) 煤柱宽度为20 m，40 m时，工作面推进至煤柱前方5 m～15 m时开始进入煤柱池的应力集中区，推进至超过煤5 m左右，应力开始下降。

3) 对于上方残留煤柱大于20 m的下煤层工作面，在推进至煤柱边缘正下方及之后5 m～10 m范围，需要对工作面采场及回采巷道采取特殊支护措施以应对工作面矿压显现。

4) 下煤层工作血在面过层残岩煤中心线之后，工作面前方支示压力开始逐下降。当工作面推进煤柱右侧边缘正下方及以后位置时，工作面已摆脱上层煤柱的影响，处于上煤层的采空区之下的应力降低区，说明工作面上方的或留煤柱对下煤层工作面矿压的影响仅出现在煤柱中心线的左侧，煤柱中心线右侧不再对工作面矿压造成影响[4]。