神廣煤礦房式采空區(qū)上覆煤層開(kāi)采可行性研究

張少春

（陜西省煤炭科學(xué)研究所，陜西 西安 710001）

0 引言

根據(jù)生產(chǎn)礦井開(kāi)采方法的技術(shù)原則，煤層群的開(kāi)采一般按下行順序進(jìn)行。但由于歷史、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)條件等原因，許多煤礦存在采厚棄薄、采肥棄瘦、采優(yōu)棄劣及采易棄難的現(xiàn)象［1－3］，導(dǎo)致煤層群間形成先采下部煤層，后采上部煤層的上行開(kāi)采模式。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)一些煤礦的上行開(kāi)采問(wèn)題，開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作，取得了較豐富的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［4－8］。李楊等針對(duì)近距離煤層上行開(kāi)采的可行性與擾動(dòng)評(píng)價(jià)問(wèn)題，建立了上行開(kāi)采“可行度”判別式與評(píng)價(jià)體系［9］。邵小平等、張向陽(yáng)等采用相似模擬試驗(yàn)方法，研究了上行開(kāi)采過(guò)程中覆巖破壞特征及裂隙演化規(guī)律［10－12］。馮國(guó)瑞等探討了上行開(kāi)采條件下采動(dòng)支承壓力的動(dòng)態(tài)時(shí)空演化規(guī)律，認(rèn)為采動(dòng)壓力的分布將直接影響上行工作面和下部遺留煤柱的應(yīng)力分布狀態(tài)［13］。KONG等研究近距離下部煤層開(kāi)采后，采場(chǎng)支承壓力分布及頂板破壞規(guī)律［14］。王寅等提出“上行式開(kāi)采三鉸拱式結(jié)構(gòu)”，研究上行開(kāi)采重復(fù)采動(dòng)條件下頂?shù)装宓慕Y(jié)構(gòu)形態(tài)及覆巖破斷機(jī)理［15］。王成等通過(guò)分析上覆巖層的應(yīng)力場(chǎng)、裂隙分布，揭示上行開(kāi)采采動(dòng)應(yīng)力分區(qū)特征及裂隙分域特征的時(shí)空演化規(guī)律［16］。姜耀東等通過(guò)建立均布荷載作用下的連續(xù)深梁力學(xué)模型，揭示巷式采空區(qū)上覆巖層失穩(wěn)破壞機(jī)理［17］。吳寶楊等建立下部采空區(qū)邊界“懸空梁結(jié)構(gòu)”模型，研究采動(dòng)系數(shù)小、層間巖層堅(jiān)硬的地質(zhì)條件對(duì)上行開(kāi)采的影響［18］。

前述關(guān)于上行開(kāi)采的研究大多基于下部煤層采用長(zhǎng)壁采煤法，采空區(qū)上覆巖層垮落較充分；主要關(guān)注下部煤層開(kāi)采對(duì)上部煤層整體性和連續(xù)性的影響。然而，下部首采煤層若采用房式開(kāi)采，采空區(qū)留有大量煤柱，覆巖未充分垮落，上行開(kāi)采產(chǎn)生的采動(dòng)壓力可能造成下部煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱失穩(wěn)破壞，引起上覆巖層垮落破壞和工作面底板巖層失穩(wěn)，危及上部煤層采煤工作面的安全生產(chǎn)［19－20］。因此，有必要針對(duì)房式采空區(qū)上覆煤層上行開(kāi)采問(wèn)題開(kāi)展研究。

針對(duì)神廣煤礦各煤層賦存條件及現(xiàn)階段開(kāi)采情況，采用比值判定法、“三帶”判別法對(duì)上部4－2上、4－3煤層的完整性和連續(xù)性進(jìn)行分析；通過(guò)相似模擬試驗(yàn)研究上行開(kāi)采對(duì)下部5－2煤層房式采空區(qū)支承壓力的影響；采用3DEC數(shù)值軟件探討了上行開(kāi)采過(guò)程中的采動(dòng)效應(yīng)對(duì)層間巖層及5－2煤層采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性的影響；為上行開(kāi)采可行性提供理論依據(jù)。

1 工程概況

神廣煤礦位于神木市北部，面積3.635 5 km2，主要可采煤層為4－2上、4－3、5－2煤層。4－2上煤層平均厚度為2.12 m，平均埋深69 m，屬于穩(wěn)定煤層；4－3煤層平均厚度為1.25 m，平均埋深95 m，屬于不穩(wěn)定煤層；5－2煤層平均厚度為4.05 m，埋深最深150 m，該煤層頂板為厚度較大，且層理不明顯的中、粗砂巖，底板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，強(qiáng)度中等，屬于穩(wěn)定煤層。4－2上與4－3煤層的最小層間距為25 m，4－3與5－2煤層間的層間巖層最小厚度為61 m。神廣煤礦4－2上、4－3和5－2煤層及頂?shù)装鍘r層鉆孔柱狀圖如圖1所示。

圖1 4－2上、4－3及5－2煤層鉆孔柱狀圖Fig.1 Bore histogram of 4－2up，4－3 and 5－2 coal seam

由于實(shí)際開(kāi)采條件和歷史原因，神廣煤礦跨越上部4－2上煤層和中部4－3煤層而優(yōu)先開(kāi)采了下部5－2煤層，開(kāi)采方式為房式開(kāi)采，采高2.6 m，現(xiàn)已開(kāi)采完畢；上部4－2上煤層已開(kāi)采1401，1402及1403工作面，1404備用工作面已形成，1405工作面掘進(jìn)415 m后臨近5－2煤層房式采空區(qū)，存在上行開(kāi)采問(wèn)題。5－2煤層采空區(qū)及4－2上工作面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 神廣煤礦房式采空區(qū)分布Fig.2 Distribution of room mining goaf in Shenguang coal mine

由副斜井進(jìn)入對(duì)5－2煤層采空區(qū)進(jìn)行了探查，行進(jìn)至50 m處有頂板垮落，煤壁有片幫；繼續(xù)行進(jìn)途中頂板較好，煤壁有少量片幫，底板有鼓起；至360 m處有一密閉墻，支護(hù)完好；繼續(xù)探查至采空區(qū)，發(fā)現(xiàn)有部分頂板發(fā)生冒落，可見(jiàn)巖石頂，探查所見(jiàn)煤柱基本完好。

5－2煤采空區(qū)上部的4－2上煤層保有資源量為152.17 Mt，占4－2上煤層總儲(chǔ)量的33.96%；4－3煤層保有資源量為221.20 Mt，占4－3煤層總儲(chǔ)量的74.36%。對(duì)5－2煤層采空區(qū)上部4－2上、4－3煤進(jìn)行上行開(kāi)采具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，為了充分、合理開(kāi)發(fā)煤炭資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，保障神廣煤礦的安全生產(chǎn)，需對(duì)5－2煤上部4－2上、4－3煤層的上行開(kāi)采可行性進(jìn)行研究。

2 上行開(kāi)采可行性理論分析

2.1 煤柱極限承載強(qiáng)度確定

下部5－2煤層采用房式開(kāi)采，采空區(qū)遺留了較多殘留煤柱，作為上覆巖層的主要支承結(jié)構(gòu)，留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)采場(chǎng)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用［21－22］。因此，需在進(jìn)行上行開(kāi)采前對(duì)5－2煤采空區(qū)留設(shè)煤柱的極限承載強(qiáng)度進(jìn)行確定。

為了消除實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)煤體參數(shù)的尺度效應(yīng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試樣與現(xiàn)場(chǎng)臨界立方體試件的單軸抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)換公式［19］。

式中 σc為實(shí)驗(yàn)室煤樣單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σm為現(xiàn)場(chǎng)煤體立方體強(qiáng)度，MPa；D為試件直徑，m。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)煤體取芯，制作成直徑為50 mm，高度為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行了3組單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)得其單軸抗壓強(qiáng)度分別為21.17，20.99 MPa及19.82 MPa，取其平均值20.66 MPa作為實(shí)驗(yàn)室煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度，代入式（1）得現(xiàn)場(chǎng)煤體臨界立方體強(qiáng)度σm＝4.87 MPa。

采用2種具有代表性的煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算煤柱強(qiáng)度［26］

1）Obert-Dwvall／Wang公式為

式中 W為煤柱寬度，m；h為煤柱高度，m。

2）Bieniawski提出的煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中 當(dāng)W／h＞5時(shí)，n＝1.4；W／h＜5時(shí)，n＝1。

將各參數(shù)代入式（2）、（3）可得：σp＝6.7 MPa，σ′p＝7.84 MPa。從安全角度出發(fā)，取計(jì)算結(jié)果的最小值，確定5－2煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱的極限承載強(qiáng)度為6.7 MPa。

2.2 比值判定法

基于兩煤層間的層間距與下部煤層采高的比值，對(duì)上部煤層的上行開(kāi)采可行性進(jìn)行判定，即為比值判定法。其比值K為采動(dòng)影響系數(shù)，反映了采高與層間距之間的關(guān)系對(duì)多煤層開(kāi)采擾動(dòng)程度，可表示為［23］

式中 H為上下兩煤層之間的層間距，m；M為下層煤采高，m。

下部5－2煤層采高為2.6 m，距上部4－3、4－2上煤層最小間距分別為61 m和86 m，帶入式（4）得比值分別為K1＝23.46，K2＝33.07。中國(guó)上行開(kāi)采的生產(chǎn)實(shí)踐和研究表明，當(dāng)K＞7.5時(shí)，可在已采煤層采空區(qū)上部，進(jìn)行正常的采掘活動(dòng)。由上述計(jì)算可知，K1和K2均遠(yuǎn)大于7.5，因此4－2上、4－3煤層均可在5－2煤層采空區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行上行開(kāi)采。

2.3 “三帶”判別法

根據(jù)“三帶”判別法［23］可知，當(dāng)上下煤層之間的層間距小于或等于下部煤層開(kāi)采后的垮落帶高度時(shí)，上部煤層整體性將遭到嚴(yán)重破壞，無(wú)法進(jìn)行上行開(kāi)采；而當(dāng)上下煤層之間的層間距大于裂隙帶高度時(shí)，上煤層僅發(fā)生整體位移，并保持較高的完整性和連續(xù)性，可正常進(jìn)行上行開(kāi)采［24］。其中垮落帶高度計(jì)算表達(dá)式為

裂隙帶高度計(jì)算公式為

將下部5－2煤層采高分別帶入式（5）、（6）計(jì)算可得垮落帶高度最大值為10.53 m，裂隙帶高度為49 m。由表1可知，4－3、4－2上煤層與5－2煤之間的最小間距分別為61 m和86 m，均大于垮落帶和裂隙帶高度。表明4－3煤和4－2上煤均位于5－2煤開(kāi)采后的垮落帶和裂隙帶之上，即5－2煤采空區(qū)上部煤層僅發(fā)生整體位移，且連續(xù)性較好。故根據(jù)“三帶”判別法可知，4－3、4－2上煤層均具備上行開(kāi)采條件。

表1 相似模擬試驗(yàn)煤巖層材料配比Table 1 Material ratio of coal seams and rock strata in similarity simulation

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相似模擬試驗(yàn)裝置尺寸為5 m×0.2 m×2 m（長(zhǎng)×寬×高），四周均由20號(hào)槽鋼約束，如圖3所示。根據(jù)相似理論，以神廣煤礦煤巖層實(shí)際賦存情況及力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型采用的幾何相似比Cl＝100∶1，時(shí)間相似比Ct＝10∶1，容重相似比Cγ＝1.57∶1，應(yīng)力相似比Cσ＝157∶1。模型模擬走向長(zhǎng)度為500 m，埋深為167 m的采場(chǎng)范圍。試驗(yàn)采用材料以石英沙為骨料，石膏、石灰作為膠結(jié)材料，分層材料選用云母粉。配比參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Model of similarity simulation experiment

模型左右兩側(cè)分別留設(shè)寬度為38 cm的邊界煤柱，即模擬工作面實(shí)際推進(jìn)距離為424 cm。根據(jù)所模擬區(qū)域的實(shí)際地表高程，對(duì)模型頂面進(jìn)行了削減，以模擬礦區(qū)地形。為反映開(kāi)采過(guò)程中煤柱支承壓力及采空區(qū)的卸壓效應(yīng)，在模型5－2煤層底板處布設(shè)120個(gè)壓力傳感器組成壓力監(jiān)測(cè)線，即圖4中測(cè)線1；壓力傳感器從左至右依次編號(hào)為1～120，利用多路壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，為了得到開(kāi)采過(guò)程中各煤層及層間巖層的變形、破壞特征，在模型表面布設(shè)了4條位移監(jiān)測(cè)線，由下至上依次編號(hào)為2～5。模型中的壓力傳感器和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置層位及位置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)線布置層位及位置Fig.4 Layout and location of monitoring lines

3.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

數(shù)值模擬采用離散元軟件3DEC進(jìn)行，模擬范圍位于4－2上煤層1406，1407工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域。如圖5所示，模型沿走向長(zhǎng)度為500 m，沿傾向?qū)挾葹?50 m，高度為167 m。模型中主要包括4－2上、4－3、5－2煤層及其頂?shù)装鍘r層，煤巖層平均傾角為0°，并保留了地表地形特征。各巖層物理力學(xué)參數(shù)［25］，見(jiàn)表2。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal seams and rock strata

圖5 數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Test model of numerical simulation

數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，分別在x、y方向相對(duì)的2邊界面施加法向約束，模型底面施加限制各個(gè)方向位移的固定面約束，上表面為自由邊界。為了減少邊界效應(yīng)的影響，模型走向和傾向的邊界分別為50 m和47.5 m，即模型工作面開(kāi)采的走向長(zhǎng)度為400 m，5－2煤傾向長(zhǎng)度為255 m，4－2上、4－3煤1406和1407工作面傾向長(zhǎng)度均為120 m，并留設(shè)寬度為15 m的區(qū)段煤柱。選取y＝103.5 m處截面進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分析，并在該截面布設(shè)4條監(jiān)測(cè)線，如圖4所示，測(cè)線2位于5－2煤層頂板處，測(cè)線3位于4－3煤與5－2煤的層間巖層中部，測(cè)線4，5分別位于4－2上、4－3煤層底板處。在相似模擬和數(shù)值模擬試驗(yàn)過(guò)程中，均先采5－2煤層，待采場(chǎng)巖層運(yùn)移穩(wěn)定后再采4－2上煤層，最后開(kāi)采4－3煤層。其中5－2煤層的開(kāi)采方式為“采6留7”房式開(kāi)采，即煤房區(qū)域和留設(shè)煤柱的寬度分別為6 m和7 m；4－2上和4－3煤層均采用長(zhǎng)壁開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。

4 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 5－2煤層開(kāi)采后支承壓力分布規(guī)律

通過(guò)“采6留7”的方式，模擬開(kāi)采了5－2煤層開(kāi)采過(guò)程。如圖6所示，5－2煤層全部開(kāi)采完畢后，煤柱與煤房間隔分布，共形成32個(gè)煤柱。5－2煤層房式開(kāi)采后，4－2上、4－3煤層連續(xù)性良好，留設(shè)煤柱無(wú)剝落、片幫現(xiàn)象，且采空區(qū)頂板無(wú)冒落，采場(chǎng)整體穩(wěn)定性良好。

圖6 5－2煤層房式開(kāi)采后煤柱分布Fig.6 Distribution of pillar after room mining of 5－2 coal seam

為了研究下部5－2煤“采6留7”房式開(kāi)采后留設(shè)煤柱支承壓力分布規(guī)律，采集了5－2煤開(kāi)采前（初始地應(yīng)力）和開(kāi)采后測(cè)線1對(duì)應(yīng)煤柱和煤房處的支承壓力，如圖7所示。從圖7可以看出，5－2煤層開(kāi)采前，由于模型考慮了實(shí)際地形特性，測(cè)線1處的支承壓力值在3.5～4.0 MPa不均勻分布。5－2煤層房式采空區(qū)形成后，采場(chǎng)煤巖層的應(yīng)力重新分布，測(cè)線1的支承壓力分布規(guī)律與煤柱、煤房的間隔分布規(guī)律一致，即：煤柱處支承壓力大于煤房處，且相對(duì)于原巖應(yīng)力，煤柱處支承壓力均增大，形成壓力增高區(qū)；而煤房處支承壓力則減小，形成壓力降低區(qū)。同時(shí)，測(cè)線1監(jiān)測(cè)到的最大支承壓力為4.88 MPa，位于房式采空區(qū)中心部位，其值小于5－2煤層留設(shè)煤柱的極限承載強(qiáng)度6.7 MPa。表明房式開(kāi)采后，煤房對(duì)應(yīng)區(qū)域巖層卸壓，上覆巖層荷載轉(zhuǎn)移至煤柱，進(jìn)而傳遞至下部巖層，導(dǎo)致煤柱承受荷載增加，但小于其承載極限。

圖7 5－2煤層開(kāi)采后支承壓力分布Fig.7 Distribution of abutment pressure after mining of 5－2 coal seam

4.2 4－2上煤層開(kāi)采后支承壓力分布規(guī)律

5－2煤層房式開(kāi)采后，待覆巖運(yùn)移穩(wěn)定，對(duì)上部4－2上煤層進(jìn)行了長(zhǎng)壁跨落式開(kāi)采。圖8為4－2上煤層開(kāi)采完畢后，覆巖運(yùn)移情況及測(cè)線1處的支承壓力分布規(guī)律。從圖8可以看出，4－2上煤層開(kāi)采后，支承壓力分布規(guī)律與5－2煤層開(kāi)采后一致，即：煤柱處支承壓力較大，而煤房處較小。與5－2煤層開(kāi)采后的支承壓力對(duì)比可知，4－2上煤層開(kāi)采后煤柱和煤房處的支承壓力均有所降低。位于采場(chǎng)中心部位的最大支承壓力由4.88 MPa降低至4.3 MPa。表明4－2上煤層開(kāi)采后，支承壓力未超過(guò)煤柱承載極限，5－2煤層采空區(qū)留設(shè)煤柱能保持穩(wěn)定。

圖8 4－2上煤開(kāi)采后覆巖運(yùn)移情況及支承壓力分布Fig.8 Distribution of abutment pressure and overlying strata movement after mining of 4－2up coal seam

4.3 4－3煤層開(kāi)采后支承壓力演化規(guī)律

待4－2上開(kāi)采后覆巖運(yùn)移穩(wěn)定，對(duì)中部4－3煤層進(jìn)行長(zhǎng)壁垮落式開(kāi)采。圖9反映4－3煤層開(kāi)采后，覆巖運(yùn)移情況及測(cè)線1處支承壓力分布規(guī)律。

圖9 4－3煤層開(kāi)采后覆巖運(yùn)移情況及支承壓力分布Fig.9 Distribution of abutment pressure and overlying strata movement after mining of 4－2up coal seam

如圖9所示，4－3煤層開(kāi)采后，支承壓力分布規(guī)律未發(fā)生改變，仍以壓力增高區(qū)和壓力降低區(qū)交替顯現(xiàn)的形式分布。與4－2上煤層開(kāi)采后的支承壓力對(duì)比可知，4－3煤層開(kāi)采后煤柱和煤房處的支承壓力均持續(xù)降低。位于采場(chǎng)中心部位的最大支承壓力由4.3 MPa降低至4.04 MPa，小于煤柱極限承載強(qiáng)度，煤柱能保持穩(wěn)定。

5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1 5－2煤層開(kāi)采后采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布規(guī)律

5－2煤層“采6留7”房式開(kāi)采后采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)分布如圖10所示。從圖10（a）可以看出，采場(chǎng)中心處煤柱垂直應(yīng)力較大，可達(dá)11.8 MPa。分析可知，5－2煤開(kāi)采后，煤房與煤柱間隔分布，留設(shè)煤柱及采空區(qū)兩側(cè)煤壁承擔(dān)上覆巖層的所有荷載，導(dǎo)致采場(chǎng)中心區(qū)域煤柱垂直應(yīng)力值較大，但煤柱未發(fā)生塑性破壞仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖10（b）可以看出，采場(chǎng)中心位置巖層沉降最大，最大值為1.73 cm，靠近采空區(qū)兩側(cè)最小，最小值僅為0.9 cm。由于煤房與煤柱間隔分布，煤房上覆巖層沉降量較大，而煤柱上覆巖層沉降較小，造成頂板出現(xiàn)不均勻沉降，但影響范圍較小，僅出現(xiàn)在上覆巖層10 m范圍內(nèi)，且沉降量極小。

圖10 5－2煤開(kāi)采后采場(chǎng)垂直應(yīng)力、位移場(chǎng)分布Fig.10 Stress and displacement distribution of coal-rock strata after mining of 5－2 coal seam

圖11為5－2煤層房式開(kāi)采后，4－2上、4－3煤層底板巖層沉降曲線，其中測(cè)線4位于4－3煤層底板，測(cè)線5位于4－2上煤層底板。如圖11所示，5－2煤層開(kāi)采后，4－2上、4－3煤層底板沉降曲線呈下凹型，采場(chǎng)中心沉降最大，邊界處最小，其最大值分別為1.16 cm和1.22 cm。

圖11 5－2煤層開(kāi)采后4－2上、4－3煤層底板沉降Fig.11 Subsidence trend of floor rock strata after mining of 5－2 coal seam

總體而言，5－2煤層房式開(kāi)采后，煤柱處的垂直應(yīng)力小于其承載極限，煤柱保持穩(wěn)定；采空區(qū)上覆巖層沉降量由下至上逐漸減小，不均勻沉降范圍遠(yuǎn)小于煤層間的層間距，不會(huì)對(duì)4－2上和4－3煤的整體性和連續(xù)性造成影響，可安全進(jìn)行上行開(kāi)采。

5.2 層間巖層受上部煤層采動(dòng)影響規(guī)律

為了分析4－2上、4－3煤層開(kāi)采對(duì)層間巖層應(yīng)力、位移的影響規(guī)律，模擬上行開(kāi)采了4－2上、4－3煤層，其覆巖運(yùn)移情況如圖12所示。提取各煤層開(kāi)采后測(cè)線3的垂直應(yīng)力和位移值，如圖13所示。在此需要說(shuō)明的是后文中所有垂直位移分布圖中各煤層開(kāi)采后的位移值均為單個(gè)煤層開(kāi)采所致，即4－2上、4－3煤層開(kāi)采后巖層位移值不與前一煤層開(kāi)采后的位移值累加，其目的是為了對(duì)比各煤層開(kāi)采后巖層位移演化規(guī)律。

圖12 上行開(kāi)采后覆巖運(yùn)移情況Fig.12 Rock strata movement after upward mining

圖13 層間巖層垂直應(yīng)力、位移演化規(guī)律Fig.13 Vertical stress and displacement evolution of rock strata

從圖13可以看出，各煤層開(kāi)采后，層間巖層垂直應(yīng)力分布規(guī)律具有一致性，即采空區(qū)對(duì)應(yīng)層間巖層垂直應(yīng)力值均勻分布，而靠近邊界處層間巖層垂直應(yīng)力逐漸增大。具體表現(xiàn)為5－2、4－2上、4－3煤依次采出后50～450 m范圍內(nèi)層間巖層垂直應(yīng)力值逐漸減小，分別為2.0，1.5，1.0 MPa；而邊界處巖層垂直應(yīng)力值逐漸增大，最大值分別為3.5，4.0，4.2 MPa。各煤層開(kāi)采后，層間巖層沉降量變化規(guī)律與垂直應(yīng)力一致，即5－2、4－2上、4－3煤層依次采出后50～450 m范圍內(nèi)層間巖層沉降量逐漸減小，而邊界處沉降量逐漸增大，且沉降逐漸趨于均勻。進(jìn)一步說(shuō)明4－2上、4－3煤上行開(kāi)采后的采動(dòng)效應(yīng)，未導(dǎo)致層間巖層礦山壓力劇烈變化，未對(duì)層間巖層造成破壞性影響。

5.3 5－2煤層采空區(qū)煤柱受上部煤層采動(dòng)影響規(guī)律

5－2煤層作為首采煤層，采用“采6留7”房式開(kāi)采，留設(shè)尺寸為7 m×7 m的煤柱承載上覆巖層荷載，其采空區(qū)穩(wěn)定性是4－2上、4－3煤安全上行開(kāi)采的關(guān)鍵因素。為了明確各煤層開(kāi)采過(guò)程中5－2煤層頂板及煤柱的穩(wěn)定性，提取測(cè)線2的垂直應(yīng)力和位移值，如圖14所示。

圖14 5－2煤層頂板垂直應(yīng)力、位移演化規(guī)律Fig.14 Vertical stress and displacement evolution of roof in 5－2 coal seam

從圖14可以看出，5－2煤層開(kāi)采前頂板處垂直應(yīng)力值為原巖應(yīng)力，整體均勻分布，約為4 MPa。在5－2煤開(kāi)采后頂板處應(yīng)力值發(fā)生突變，較大值介于6～10 MPa，位于留設(shè)煤柱處；較小值介于0～2 MPa，位于煤房處。4－2上煤上行開(kāi)采后，5－2煤采空區(qū)煤柱垂直應(yīng)力值均減小，最大應(yīng)力為8.66 MPa；4－3煤上行開(kāi)采后，煤柱處應(yīng)力進(jìn)一步減小，最大應(yīng)力為6.8 MPa。5－2煤開(kāi)采后采空區(qū)頂板位移發(fā)生突變，沉降不均勻，表現(xiàn)為煤房頂板沉降最大，最大值為1.73 cm，而煤柱處沉降較小。4－2上、4－3煤層依次采出后采空區(qū)頂板沉降量逐漸減小，最大值分別為1.55，1.25 cm?？傮w而言，4－2上、4－3煤層上行開(kāi)采均使得5－2煤層煤柱承受荷載持續(xù)減少，留設(shè)煤柱未失穩(wěn)破壞，采空區(qū)整體趨于穩(wěn)定。表明上行開(kāi)采可行。

6 結(jié)論

1）上部4－2上、4－3煤層與5－2煤層間計(jì)算得到的比值K分別為33.07，23.46，均大于臨界值7.5；5－2煤層垮落帶和裂隙帶高度分別為10.53，49 m，均位于4－2上、4－3煤層之下，均滿足上行開(kāi)采條件。

2）相似模擬試驗(yàn)結(jié)果表明5－2煤層房式開(kāi)采導(dǎo)致支承壓力增高區(qū)與降低區(qū)交替顯現(xiàn)，支承壓力最大值為4.88 MPa，遠(yuǎn)小于承載極限強(qiáng)度，煤柱保持穩(wěn)定。4－2上、4－3煤層相繼上行開(kāi)采后支承壓力分布規(guī)律未發(fā)生改變，呈現(xiàn)出持續(xù)減小趨勢(shì)。

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明5－2煤層開(kāi)采后，煤柱處的應(yīng)力值小于其極限承載強(qiáng)度，煤柱保持穩(wěn)定；層間巖層最大沉降量?jī)H1.32 cm，4－2上和4－3煤層具有良好的整體性和連續(xù)性；4－2上、4－3煤層上行開(kāi)采使得層間巖層應(yīng)力降低，位移減小。

4）5－2煤層開(kāi)采后，4－2上、4－3煤層具有良好的整體性和連續(xù)性；4－2上、4－3煤層上行開(kāi)采未對(duì)層間巖層及5－2煤留設(shè)煤柱帶來(lái)破壞性影響，未引起層間巖層礦山壓力顯現(xiàn)的劇烈變化。因此，神廣煤礦4－2上、4－3煤層上行開(kāi)采可行。