房柱采空区遗留煤柱对下煤层开采的影响

康庆涛 郭卫彬 许海涛

(1.华北科技学院安全工程学院;2.河北省矿井灾害防治重点实验室;3.西安科技大学能源学院;4.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室)

房柱采空区遗留煤柱对下煤层开采的影响

康庆涛1,2郭卫彬3,4许海涛1,2

(1.华北科技学院安全工程学院;2.河北省矿井灾害防治重点实验室;3.西安科技大学能源学院;4.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室)

为研究房柱采空区遗留煤柱对下部近距离煤层开采的影响规律，掌握该条件下工作面回采的矿压显现特征，采用数值模拟和力学分析方法，研究了大地精煤矿房柱采空区煤柱集中应力的影响深度以及下部煤层开采顶板的破断规律。结果表明：房柱采空区底板岩层应力随煤柱的分布呈周期性变化，3#煤层开采老顶活动受上部煤柱应力集中的影响，从而破断岩块，易发生滑落失稳，严重威胁了下部煤层的安全开采。

房柱采空区 矿压显现特征 集中应力 数值模拟 力学分析

我国煤炭以壁式体系开采方法为主，房式采煤法仅在局部地区小煤矿使用[1]。近年来，随着煤炭资源整合，大型国有煤矿逐步取代小型煤矿，使得一些整合煤矿在原小煤矿房柱式采空区下采煤。当煤层距离较小时，煤层间开采将会相互影响，加之开采残留煤柱在底板形成的集中应力，将导致下煤层顶板结构和应力环境发生变化，从而使得下部煤层开采矿山压力显现规律与单一煤层开采有所区别[2-3]。学者们对于房柱采空区下浅埋近距离煤层开采的覆岩运动规律及顶板控制方法进行了大量研究，成果丰硕[4-9]。本研究采用数值模拟和力学分析方法，对伊泰集团大地精煤矿3#煤层开采工作面上部岩层的应力分布及关键岩块的破断规律进行分析，为该煤层及类似条件下煤层的安全高效开采提供参考。

1 数值模型建立

根据大地精煤矿的实际开采情况，2#煤层采用房式采煤法进行开采，采空区留下大量煤柱，煤柱尺寸以6 m×6 m、8 m×8 m为主，该煤层与其下主采煤层(3#煤层)间距约25 m。根据现场岩层力学特性及分布情况，建立了如图1所示的数值模拟模型。煤柱煤房宽度均为8 m，各岩层厚度经修整后，自上而下分别为13，4，4，5.5，12，13，3.5，15 m。

2 房柱采空区底板岩层应力分布规律

2#煤层采空区房柱支撑顶板，顶板压力传递到底板中，将在底板岩层中形成集中应力，采用UDEC软件对煤岩层中的垂直应力分布进行了模拟分析，

图1 煤岩层分布模型

可知煤柱下部应力增高，煤房下部应力降低，使得底板中的应力值发生周期性变化，但随着深度的增加，应力值的波动不断减弱，直至消失。故当两煤层的层间距较大时，2#煤层采空区煤柱对3#煤层开采的影响程度较小，3#煤层开采时顶板活动规律及顶板压力将不受上部煤层煤柱集中应力的影响。

为研究2#煤层采空区煤柱集中应力的影响深度，对3#煤层上覆岩层应力进行了测量，得到了不同层位的应力分布曲线，见图2。由图2可知：3#煤层上位岩层应力受煤柱的影响波动幅度较大，随着深度的增加波动幅度逐渐减弱，在距3#煤层3～9 m的岩层中，应力曲线波动明显减弱，而煤层上方0，3 m 处的应力曲线基本不受影响。由此可知：3#煤层直接顶(距煤层顶板0～3 m)不受煤柱集中应力的影响，而直接顶上部的老顶(3～13 m)易受上部煤柱集中应力的影响。

3 采空区煤柱下煤层开采顶板活动规律

3#煤层开采过程中，对控顶区上方关键块进行了受力分析(图3)，可知：在2#煤层采空区煤柱下开采3#煤层，老顶活动规律易受到上部煤层煤柱集中应力的影响，会使F值增大，A岩块与未断裂岩块接触处剪切力QA+B也相应增大，故3#煤层在采空区煤柱下开采，老顶易发生滑落失稳，工作面安全易受到威胁。

图2 3#煤层上覆岩层中不同层位垂直应力分布

图3 老顶破断受力分析

为验证2#煤层采空区煤柱产生的集中应力对下煤层开采的影响，对3#煤层开采顶板活动规律进行了数值模拟分析，图4为开采过程中煤壁前方超前支承压力的分布情况，图5为采空区煤柱下3#煤层开采过程中上覆岩层随工作面回采的运动状态。

图4 超前支承压力分布

由图4可知：工作面超前支承压力峰值为5.2 MPa，超前支承压力峰值与工作面的距离约6 m；老顶中(煤层上方8 m处测线)应力受煤柱影响波动较大，且峰值位置相对于直接顶中(煤层上方0，1.5 m 处测线)的应力峰值位置向煤壁侧偏移。

由图5可知：在2#煤层煤柱的影响下，当工作面推进40 m时直接顶发生初次垮落；当工作面推进50 m时，老顶发生初次破断，此时工作面老顶断裂位置位于残留煤柱下方，老顶的失稳方式为滑落失稳；当工作面继续推进60 m时，老顶发生第二次破断，此时老顶的破断位置位于两残留煤柱之间的采空区下方，老顶的失稳方式为回转失稳。

综上所述：数值模拟结果与力学分析基本一致，在采空区煤柱的影响下，3#煤层开采控顶区老顶破断易发生滑落失稳，存在压架事故隐患，将对工作面的安全高效开采产生影响。

4 结 论

(1)采用房式采煤法开采时，采空区上部顶板压力通过煤柱传递至底板岩层中，使得底板岩层应力分布不均，煤柱下部产生应力增高区，煤房下部区域为应力降低区。底板岩层应力增高与降低随煤柱的分布呈周期变化，因此房式采空区下方近距离煤层开采时，应考虑顶板压力周期性变化及工作面支架的稳定性。

(2)煤层开采是否受上部煤层采空区煤柱的影响，与上部煤柱集中应力的影响深度关系较大。当关键层或下部煤层老顶受到集中应力作用时，下部煤层开采控顶区顶板岩层的活动规律仍将受到较大影响。

图5 房柱采空区下开采3#煤层上覆岩层运动状态

(3)受上部遗留煤柱集中应力的影响，煤柱下方老顶破断易发生滑落失稳，煤房下部老顶破断易发生回转失稳，煤柱下工作面回采安全受到威胁，煤层开采时应增大支架支护强度，防止老顶破断滑落失稳发生压架事故。

[1] 王 安.连续采煤机房柱式短壁机械化采煤技术的研究与实践[D].阜新：辽宁工程技术大学，2002．

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2015-08-11)

康庆涛(1988—)，男，硕士研究生，065201 河北省三河市燕郊经济开发区。