煤矿分层开采煤柱护巷方式数值模拟研究

齐 全

(汾西矿业集团 中兴煤业，山西 交城 030500)

1 工程地质概况

某矿某采区走向长变化较大，为500 ～800 m，倾斜长520 m.9#煤有9上和9下两层煤，中间有0.00 ～2.00 m 夹石，厚度变化在0.60 ～2.60 m，夹石平均厚度为1.5 m，9上煤层平均厚度为1.5 m，9下煤层平均厚度为1.25 m.共分4 个区段，分别是:东一区段、东二区段、东三区段、东四区段，其中首采面为东一面即东一区段。9#煤上煤层采区平面图见图1.煤层倾角变化在15° ～26°，平均倾角17°.9#煤煤层为半亮－半暗型，条带状结构，阶梯状断口，局部为粒状结构，煤质较好，硬度较大，属中硬煤。

图1 9#煤上煤层采区平面图

2 数值模型的建立

某矿9#煤上层煤采用走向长壁开采，根据地质条件和煤岩条件等建立Ⅰ－ Ⅰ'剖面模型，见图2.Ⅰ－Ⅰ'剖面模型为长560 m×宽200 m. 根据工作面顶底板的围岩力学特征，模型高度为200 m，上边界设定为+850 m，下边界设定为为+650 m. 在模拟过程中，取上层未开采时和开采后(见图2)两种情况进行模拟，煤柱取10 m 和4 m(无煤柱)两种情况。

图2 Ⅰ－Ⅰ'剖面模型图(9#煤上层煤已采完)

为了更好地呈现上层煤层开采对下层巷道应力分布的影响，建立以下3 种局部模型进行计算:

1)上下层都留10 m 区段煤柱模型(见图3a).

2)上层留10 m 区段煤柱，下层留4 m 区段煤柱模型(图3b).

3)上下层都留4 m 区段煤柱(无煤柱)模型(图3c).

局部模型取东1 工作面和东2 工作面之间的区段煤柱为中心，计算模拟煤柱下方巷道的应力变化，为减小模型边界效应的影响，模型宽度取100 m，高度取60 m.

在模拟预留设4 m 煤柱开采时，煤柱会发生破坏，因此，在模拟时要对4 m 煤柱进行弱化处理，使其能达到破坏效果。

图3 上下层不同煤柱宽度模型图

模型中各煤岩层的物理力学参数以现场地质调查和相关研究提供的煤岩体力学试验结果给定，如果没有实验数据，则根据经验和类比方法按统计数据的平均值来考虑，煤岩物理力学参数见表1.

表1 模型各岩层的力学参数表

计算模型边界条件确定如下:

1)模型左右边界施加水平约束，即边界水平位移为零。2)模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移均为零。3)模型顶部为自由边界。

3 计算结果分析

3.1 上层煤开采后煤柱对下层煤的应力分布影响

1)煤柱取10 m 时，9#煤上煤层采空后的垂直应力分布见图4. 由于9上煤层煤柱两侧为采空区，在煤柱两侧附近形成应力集中，煤柱上的垂直应力呈马鞍型分布，煤柱两侧均有一定宽度的塑性破坏区。煤柱下方一定范围内的9下煤层应力增大，由12.5 ～13.5 MPa 增大到15 ～27.5 MPa，影响范围约16 m，采空区下方的9下煤层应力减小，变为12.5 MPa以下。

2)煤柱取4 m 时，由于9上煤层煤柱两侧为采空区，在区段煤柱两侧形成应力集中，煤柱上垂直应力呈拱型分布，煤柱两侧塑性区破坏区连通，煤柱失去核区，煤柱中心应力大于煤柱极限强度，煤柱失去稳定，发生破坏，应力集中程度减小。煤柱下方一定范围内的9下煤层应力增大，由原来的12.5 ～13.5 MPa 增大到12.5 ～20 MPa，影响范围约6.5 m，采空区下方的9下煤层应力减小，变为12.5 MPa 以下。

图4 10 m 煤柱时9#煤上煤层采空垂直应力分布图

3.2 上层煤开采后对下层巷道的应力分布影响

1)当上、下层都留10 m 煤柱时，上层煤采空后，煤柱下方巷道应力分布情况见图5a).上层煤柱两侧采空，在煤柱两侧形成应力集中区，煤柱下方布置的巷道受到煤柱影响，巷道两帮应力较高，达到15 ～20 MPa，巷道顶、底板应力为12.5 ～17.5 MPa. 当模型下层东1 工作面采空时，煤柱下方巷道应力分布情况见图5b).受采空区的影响，上层煤柱两侧应力峰值有所增大，煤柱下方巷道两帮应力也略微增大，变为15 ～22.5 MPa，增大了2.5 MPa，巷道顶、底板应力无明显变化。

2)当上层留10 m 煤柱，而下层留4 m 煤柱，上层煤柱两侧采空，本应在煤柱两侧形成应力集中区，但由于下层4 m 煤柱发生破坏，使上层10 m 煤柱右侧的应力集中程度降低，相应煤柱下方布置的巷道也受到影响，巷道左侧应力较高，达到15 ～25 MPa，而巷道右侧和顶、底板应力只有12.5 ～17.5 MPa.当模型下层东1 工作面采空时，受采空区的影响，上层煤柱左侧应力峰值有所增大，煤柱下方巷道左侧应力明显增大，变为15 ～30 MPa，增大了5 MPa，巷道右侧和顶、底板应力无明显变化。

4 结 论

图5 上、下层都留10 m 煤柱模型应力分布图

1)9#煤上煤层留设10 m 煤柱时，煤柱两侧应力集中程度较高，对下层煤的应力变化影响较大，而且影响范围也比较大;而上煤层留设4 m 煤柱(无煤柱)时，由计算结果可知煤柱失去稳定性，发生破坏，煤柱应力集中程度降低，对下层煤的应力变化影响变小，影响范围也比较小。

2)9#煤上、下煤层都留10 m 时，煤柱下方巷道两侧应力较大，受采动影响变化也较大，顶、底板应力略低，受采动影响变化小;9#煤上煤层留10 m 煤柱，而下煤层留4 m(无煤柱)时，煤柱下方巷道左应力较大，而且受采动影响变化较大，巷道右侧和顶、底板应力略低，受采动影响变化小;9#煤上、下煤层都留4 m时，由于煤柱发生破坏，煤柱下方巷道顶板和左侧应力较大，顶、底板应力略低，巷道左侧受采动影响变化较大，而顶、底板和右侧受采动影响变化小。

3)通过对比分析，留设4 m 煤柱(无煤柱)时，由于煤柱发生破坏，应力集中程度降低，影响范围较小，受采动影响变化也较小，因此，选用上、下煤层都留设4 m 煤柱(无煤柱)进行开采。

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