辛安煤礦4#煤層下部采空區區段煤柱對其開采影響分析

＊韓 偉

（山西霍寶干河煤礦有限公司 山西 031400）

近距離煤層采用上行開采方式時，下部煤層開采勢必引起上覆巖層在一定范圍內產生運移和破壞，下部煤層開采覆巖破壞范圍、破壞程度對上部煤層開采可行與否有重要的影響。而下覆采空區留設的工作面區段煤柱穩定性對其上覆巖層運移范圍、破壞程度影響極大，故研究采空區區段煤柱穩定性及其對上覆巖層運移影響具有重要意義。

1.工程背景

圖1 煤層賦柱狀圖

辛安煤礦4#、9#、11#煤層是礦井全區域可采煤層。目前，礦井4#煤層部分區域開采條件復雜，該區域下部的9#、11#煤層先前已經采空，此區域4#煤層開采屬于采空區上開采，亦即屬于上行開采方式。該區域煤層設計3個采煤工作面，這3個工作面可否安全正常開采，與下部煤開采覆巖運移和對本煤層影響破壞程度緊密相關。尤為重要的是，下煤層留設的區段煤柱穩定性對4#煤層開采影響關系較大。礦井煤層賦存柱狀見圖1，煤層頂底板巖石力學參數見表1。

表1 煤層、頂底板力學參數

2.9#、11#煤層采空區區段煤柱穩定性計算及對4#煤層開采影響分析

區段煤柱相鄰兩工作面之間留設的一定尺寸的煤體，區段煤柱的尺寸及其穩定性對其上覆巖層裂隙帶發育高度具有一定的影響，故對9#、11#煤層區段煤柱的穩定性及其對裂隙帶高度的影響進行分析。

(1)按應力分布煤柱穩定性區域劃分

一定寬度的煤柱，在礦山壓力或采動應力作用下，煤柱不同區域應力分布狀態不同，相應的造成煤柱出現彈性區域和塑性區域。穩定煤柱應力分布及其區域劃分見圖2。

如圖2所示，靠近煤柱兩側邊緣產生應力集中，應力為“峰值”，由“峰值”位置至煤柱邊緣應力逐漸降低，由“峰值”向煤柱中部應力集中逐漸降低至原巖應力。圖2為“馬鞍型”應力分布煤柱，是穩定的煤柱。按煤柱應力分布特征及煤柱煤體的σ-關系，將煤柱劃分3個區域：I-破裂區，也稱卸載區，該區域是由于采后（掘后）在支承壓力的作用下，煤體產生破壞，煤體處于σ-曲線的破壞后階段，煤體裂隙發育；II-應力增高區，應力集中由邊緣向煤柱中部逐漸增大至峰值，此區域煤體處于σ-曲線峰值后裂隙擴展階段，煤體產生塑性破壞；III-彈性區，該區域煤體處于σ-曲線的彈性變形和塑性屈服階段。I區與II區統稱為塑性區域。

圖2 煤柱應力分布及區域劃分

(2)9#、11#煤層采空區區段煤柱穩定性理論計算

在一定條件下，煤柱尺寸大小是煤柱穩定與否的關鍵因素。按照經驗公式，穩定煤柱最小尺寸是煤柱中部存在寬度為2m的彈性區，則區段煤柱穩定的尺寸公式為：

式中：R—巷道邊緣塑性區寬度，m；

X0—采空區周邊煤層的塑性區寬度，m；

2M—煤柱中部彈性區寬度，m，M為煤層厚度。

根據極限平衡理論，上區段采空區一側煤柱的塑性區寬度X0為：

式中：X0—采空區側塑性區寬度，m；

m—采高，m；

f0—摩擦系數；

K—應力集中系數；

γ—上覆巖層容重，kN/m3；

H—埋深，m；

C—內聚力，MPa；

ψ—內摩擦角，°。

下覆煤層采空區區段煤柱留設參數為：

9#煤層：采高4.3m，區段煤柱寬度20m，埋深178m，內聚力3.61MPa，內摩擦角35°，容重取250kN/m3，應力集中系數取2.8，摩擦系數取0.25。

11#煤層：采高4.4m，區段煤柱寬度20m，埋深193m，內聚力3.72MPa，內摩擦角38°，容重取250kN/m3，應力集中系數取2.8，摩擦系數取0.25。

煤柱參數代入公式（2），計算得到區段煤柱采空區側的塑性區寬度：

由于下煤層已經采空，故按雙側采空區條件，代入式（1）得到穩定區段煤柱最小尺寸為：

9#煤層：B9#=2X0-9#+2M=2×23.71+2×4.3=56.02m＞20m。

11#煤層：B11#=2X0-11#+2M=2×21.22+2×4.4=51.24m＞20m。

可見，9#、11#煤層采空區所留設區段煤柱尺寸遠遠小于穩定煤柱所需的最小尺寸，說明9#、11#煤層開采后，在支承壓力的作用下，區段煤柱不是穩定煤柱，煤柱已經失穩破壞。

(3)9#、11#煤層采空區區段煤柱穩定性對4#煤層影響分析

理論研究表明：下覆采空區留設的區段煤柱對上覆巖層的運移有很大影響，煤柱區域容易產生較大的應力集中。穩定的區段煤柱支撐能力大，導致煤柱區域裂隙帶發育，裂隙帶高度加大，裂隙不易于閉合；非穩定的區段煤柱，采后在支承壓力的作用下失穩破壞，易于覆巖下沉，覆巖運移過程中形成的裂隙容易閉合，抑制了裂隙持續縱向發育，進而降低了導水裂隙帶高度。

由計算可知，9#、11#煤層采后區段煤柱失穩破壞，這在一定程度上抑制了裂隙帶的向上擴展，降低了裂隙帶高度，這對4#煤層開采有利。

3.采空區區段煤柱穩定性對4#煤層開采影響模擬分析

(1)模型建立

根據4#、9#、11#煤層相互間的層位關系沿煤層傾向建立模型，模型見圖3所示。

圖3 傾向數值計算模型圖

通過對9#、11#煤層工作面開挖并程序計算，得到下部煤層開采后覆巖運移數值模擬結果，覆巖運移后的裂隙場、應力場、位移場見圖4所示。

圖4 工作面開采后覆巖運移演化模擬結果

(2)數值模擬結果分析

由圖4可以看出，9#、11#煤層開采后，其上覆巖層整體下沉，直接頂垮落造成采空區基本充實，但是在區段煤柱邊緣區域尚有部分未完全充填壓實區，在這個未完全充填壓實區域垂直方向上覆巖裂隙比較發育，說明煤柱的存在促進了覆巖一定程度上裂隙的擴展。

由于9#煤與11#煤工作面屬于內錯布置，上下煤層區段煤柱沒有重疊，避免了應力集中，11#煤層的開采對9#煤開采來講，具有一定的卸壓作用。從裂隙場演化結果可以看出，9#、11#煤層開采后覆巖基本下沉壓實呈凹形狀，只是區段煤柱上部一定范圍存有較致密的裂隙，開采區域到4#煤層見覆巖裂隙基本上已經壓實閉合，4#煤層整體下沉，沒有出現顯著的凸凹變化，說明4#煤層整體性較好。

9#、11#煤層開采后覆巖應力重新分布，區段煤柱范圍內應力呈“橢球”分布，煤柱20m范圍應力值最大為25MPa，說明采后區段煤柱在支承壓力作用下煤體破壞后應變硬化，進而產生高應力集中。

綜合數值模擬結果看，下部煤層開采后，覆巖下沉平緩，區段煤柱基本進入塑性破壞，下部煤層的開采對4#煤層的整體性基本上沒有影響。

4.結論

（1）上行開采時，下煤層區段煤柱無論穩定與否，在采動后，由于應力集中的作用，煤柱附近應力水平較高，區段煤柱上部覆巖一定范圍內裂隙比較發育，煤柱的存在，不利于裂隙的壓實。

（2）理論計算和數值模擬表明，下部煤層回采后，區段煤柱已經進入塑性破壞后的應變硬化階段。9#、11#煤層采空區區段煤柱對4#煤層整體性影響不大，不影響4#煤層的開采。