上覆煤层采空区遗留煤柱对8303 工作面的影响研究

缪志炳

（晋能控股煤业集团塔山煤矿有限公司，山西 大同 037000）

1 工程概况

同煤集团塔山矿8303 工作面位于三盘区，工作面开采3～5#煤层，工作面区域煤层均厚为8.0 m，煤层顶底板岩层特征如图1。工作面采用综放采煤方法，机采高度3.5 m，放煤高度为4.5 m。3-5#煤层上覆两层煤，分别为2#和山4#煤层，3-5#煤层与其的平均间距分别为4.35 m 和32 m。8303 工作面区域内上覆2#煤层和山4#煤层采空区，工作面主体区域上覆一层煤采空区，局部两层煤采空区，上覆采空区走向的区段保护煤柱、横向的停采煤柱对8303 工作面及顺槽会造成应力传递与集中，山4#煤层遗留煤柱的宽度为18 m。

图1 煤层顶底板岩层柱状图

2 煤柱应力的传递

上层煤回采完毕后，围岩产生应力重新分布，在采空区残留煤柱处发生应力集中，并传递到下部岩层深处。可见，研究上覆采空区及煤柱作用下的底板岩层应力分布，对下层煤巷道稳定性控制有重要意义。采空区顶板多数处于悬空状态，上部岩层荷载传递到煤柱中，导致煤柱范围内产生大于原岩应力的应力区。采空区煤柱下的岩层受到煤柱支承压力的影响，其原有应力平衡状态被打破，并传递到深部岩层。

基于国内外众多学者关于煤柱应力传递理论的研究结论可知[1-3]，煤柱受力计算模型如图2。

图2 煤柱受力计算模型图

根据图2 中建立的煤柱受力模型，能够计算得出单位长度煤柱上的荷载P和煤柱所受的均布荷载的表达式分别为：

式中：P为单位长度煤柱上的总荷载；q为煤柱的均布荷载；D为采空区长度，m；K为荷载系数；h为垮落的采空区高度，m；γ为上覆岩层的体积力，kN/m3；H为开采深度，m；B为煤柱宽度，m；δ为采空区上覆岩层的垮落角，（°）。根据工作面及上覆遗留煤柱和采空区的特征取B=18 m、D=240 m、h=6 m、γ=13.2 kN/m3，δ=35 °，H=460 m。基于上述数据结合式（1）能够绘制出遗留煤柱区域垂直应力分布规律如图3。

图3 煤柱区域垂直应力分布规律图

分析图3 可知，采空区煤柱随着向底板的逐渐传递应力在逐渐衰减，在采空区底板岩层中不同深度处的水平面上，与遗留煤柱上均布载荷作用点的距离越近，应力的分布范围就越小，但是其影响程度反而越大，反之就越小。另外从图3 中能够看出，煤柱向底板传递的垂直应力的最大值出现在遗留煤柱中心线的正下方，随着底板深度的增大，垂直应力的峰值在逐渐减小；而在同一水平深度处，随着与煤柱中心线距离的增大，垂直应力呈现出逐渐减小的趋势，并且在遗留煤柱的边缘位置处应力衰减速度最大。

3 遗留煤柱对工作面的模拟分析

3.1 上层遗留区段煤层煤柱对8303 工作面的影响

根据8303 工作面赋存特征，采用FLAC3D数值模拟软件建立数值模型，模型尺寸为1000 m×200 m，根据塔山矿的具体地层情况对岩层赋予物理力学参数。模型两侧限制横向位移，底部限制竖向位移，顶部施工等效自重荷载。观测布置方面，在3-5#煤层中布置测线，观测从模型左边界至右边界的应力变化状况[4-6]。通过模拟I-I 剖面来研究上层2#煤层和山4#煤层采空区同时存在时对3-5#煤层的影响。根据数值模拟结果能够得出遗留煤柱对8303工作面的应力影响，其垂直应力和垂直位移分布云图如图4。

图4 垂直应力及位移分布云图

分析图4 可知，在叠加的采空区作用下，左侧工作面的垂直位移要明显大于右边的两个工作面，并且在叠加的集中应力影响下，山4#煤层的应力传递角出现变化。叠加应力区的等值线分布图如图5。

从图5 中可以看出，在山4#煤层中的煤柱与2#煤层中实体煤产生的叠加集中应力作用下，应力以30°～40°的传递角向下传递，对3-5#煤层产生的影响较大。

图5 叠加集中应力等值线图

为进一步研究上层产生的应力集中现象对8303工作面的影响程度，需要对监测信息进行分析。8303 工作面层中的应力分布曲线如图6。

图6 8303 工作面层应力分布曲线

从图6 中可以看出，由于山4#煤层与8303 工作面的层间距在34 m 左右，所以山4#煤层中的遗留煤柱会对8303 工作面层产生影响。在上覆煤层采空区叠加应力的影响下，3-5#煤层中垂直应力峰值为19.0 MPa，出现在距离上层采空区边缘20 m 的位置，随后在进入采空区范围时应力急剧下降至极小值，在接近山4#煤层中的煤柱时又急剧上升至峰值17.1 MPa，随后再次进入采空区，应力急剧下降。

8303 工作面在山4#煤层遗留煤柱两侧各20 m的范围内应力有所增加，在距离实体煤边界60 m范围内应力有所增加。建议在工作面布置巷道时避开此段区域以确保工作面的安全回采。

3.2 煤层走向方向3-5#煤层工作面所受集中应力影响

由于工作面走向方向长度较长，所以有必要将模型进行合理缩减，只针对在上层实体煤与采空区交界处附近进行模拟。设置模型尺寸为1000 m×200 m，根据塔山矿的具体地层情况对岩层赋予物理力学参数。边界条件设置、观测线布置同上。模拟分为两部分，第一部分山4#煤层与2#煤层同时存在采空区的条件下3-5#煤层工作面在回采过程中的矿压显现特征（Ⅲ-Ⅲ剖面）；第二部分研究上层只存在山4#煤层采空区的条件下3-5#煤层所受到的影响，与叠加采空区条件下做出对比分析（Ⅳ-Ⅳ剖面）。

基于模拟结果得出两个剖面的应力曲线如图7。

图7 沿煤层走向应力曲线图

从图7 可知，Ⅲ-Ⅲ剖面在距离采空区边缘之前180 m 范围内应力出现增高现象，应力峰值位于采空区边缘位置前35 m，应力峰值为14.3 MPa，应力集中系数为1.21。在这段范围内工作面在回采过程中将会出现矿压显现问题，在回采到这个阶段时要采取一系列措施来抑制矿压显现问题。在2#煤层采空区边缘位置附近再次出现应力升高现象，但因2#煤层中的采空区位于山4#煤层采空区下方，处于应力降低区，峰值大小为3.6 MPa，所以该应力峰值大小也远小于原岩应力值，不会对回采造成影响。

在Ⅳ-Ⅳ剖面方面，在山4#煤层采空区边缘前方30 m 位置出现应力峰值，峰值为14.2 MPa，与Ⅲ-Ⅲ剖面的模拟结果相差不大。同样在其前方180 m 范围内产生应力升高现象，对工作面回采产生一定影响。

综上所述，沿煤层走向方向，3-5#煤层工作面在回采过程中将受到上层煤柱的集中应力影响而产生应力升高现象。在上层采空区边缘靠近实体煤侧30～35 m 位置出现应力峰值，应力集中系数为1.21。在采空区边缘前方180 m 范围内出现应力升高现象，在该段范围内工作面在回采时要特别注意工作面矿压显现问题。

4 结论

（1）工作面上覆遗留煤柱区域垂直应力峰值出现在煤柱中心线下方，垂直应力随传递深度的增大而减小；垂直应力在同一水平深度随远离煤柱而逐渐减小。

（2）8303 工作面在山4#煤层遗留煤柱两侧各20 m 的范围内应力有所增加，建议在工作面布置巷道时避开此段区域，以确保工作面的安全回采。

（3）沿煤层走向方向，8303 工作面在上层采空区边缘靠近实体煤侧30～35 m 位置出现应力峰值，应力集中系数为1.21。在采空区边缘前方180 m 范围内出现应力升高现象，在该段范围内工作面在回采时应加强支护强度及顶板控制，要特别注意工作面矿压显现问题。