房柱采空区下应力分布特征研究

康庆涛，殷帅峰，左安家，刘佳宇，张 强

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；3.鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司，鄂尔多斯 准格尔 017100；4.中煤集团大屯煤电公司建设管理部，江苏 徐州 221600)

0 引言

房柱采空区是采用房式采煤法利用遗留煤柱支撑采空区顶板的采空区。房柱采空区顶板控制方法是我国煤层开采采空区顶板控制方式之一[1]，我国部分煤矿的局部难采煤层或煤层的局部区域存在房柱采空区形式[1-4]，能够较好限制采空区顶板岩层沉降，但在房柱采空区近距离底板中进行工程活动会受到房柱采空区的影响。房柱采空区的煤房中煤层被采出，导致煤房位置的煤层自身重力对底板的影响消失，但该部分煤层承担的地应力向煤柱转移并通过煤柱在底板中形成应力集中，较煤层未开采或完全垮落法开采情况下底板应力分布具有特殊性。我国学者对房柱采空区煤柱稳定性以及在房柱采空区下近距离煤层开采顶板活动规律进行了大量研究和工程实践[5-12]，但对房柱采空区下应力分布特征需要进一步研究，因此通过数值模拟方法对典型煤矿房柱采空区下底板岩层中应力分布特征进行研究，研究结果对于房柱采空区下近距离煤层开采工程中根据煤层赋存应力状态及时采取有效顶板控制措施具有指导作用。

1 数值模型的建立

以大地精煤矿房柱采空区下近距离煤层工作面开采为工程模拟对象，开采工作面布置与上部房柱采空区关系如图1所示，上部煤层为2#煤层，因采用房式采煤法造成遗留房柱采空区，在2#煤采空区遗留煤柱下开采3#煤层，下部3#煤与2#煤中间存在从上到下岩性分别为砂质泥岩、粉砂岩的中间岩层，层间距25～40 m。3#煤层工作面推进过程中从无煤柱区进入2#房柱采空区下，在工作面推进方向煤柱宽高尺寸为8 m×5.5 m或6 m×5.5 m。

图1 房柱采空区与下部煤层工作面位置关系

根据煤岩层赋存条件建立Udec2D数值模拟模型(300 m×70 m)，模型中各煤岩分布及节理划分如图2所示，经选取和修正后的煤岩层厚度从上到下分别为：13 m、4 m、4 m、5.5 m、12 m、13 m、3.5 m和15 m，模型中2#煤层房柱采空区长度为248 m，煤房和煤柱宽度均为8 m，采空区两侧留26 m边界煤柱。数值模型中的变形块体采用摩尔—库伦(M-C准则)的本构模型，节理材料的本构模型采用节理面接触—库伦滑移。根据煤层赋存条件，在模型的上边界施加均布载荷1.01 MPa，模型两侧边界及模型下部边界固定，即固定边界位移为零。

2 房柱采空区下近距离煤层顶板应力分布特征

对建立的数值模拟模型进行数值计算并在煤岩层设置应力测线，因垂直应力对下煤开采顶板压力影响较大，模拟过程中记录不同测线位置垂直应力值，下述应力值均为垂直应力值。在数值模型中从下到上分别布置三条测线(测线1、测线2、测线3)，距3#煤层分别为0 m、0.5 m、3 m，对房柱采空区下3#煤层直接顶板中应力进行分析。如图4所示，测得三条测线处上部2#煤开采前原岩应力均值线和开采后房柱采空区下应力曲线，采用每条应力曲线的线性趋势线代表该应力曲线上的应力均值。通过对比2#煤开采前后应力变化可以得出，受房柱采空区影响3#煤层直接顶板岩层中应力变化较大，在从端煤向中间采空区过渡的方向上，三条测线应力变化趋势基本相同，应力值由大变小再趋于平稳，可划分为端煤影响应力增高区、端煤影响应力降低区和采空区煤柱影响稳定区。端煤应力影响增高区对应采空区边缘端煤内部(x<26，x>274)，该区应力值大于原岩应力值，采空区煤柱被压缩而使顶板下沉，部分采空区上部压力向两侧转移，两端煤岩中压力增大，即房柱采空区也具有类似完全垮落式采空区边缘的侧向支承压力，且侧向支承压力较采空区内部煤柱对下部煤岩的应力影响大；端煤影响应力降低区应力低于原岩应力和采空区中部应力稳定区应力趋势线值，沿采空区方向应力先降低后升高至采空区煤柱影响稳定区应力值；采空区煤柱影响稳定区(85 m≤x≤215 m)上部采空区煤房被采出，遗留煤柱均匀分布，该部分3#煤层直接顶板测线应力值小于原岩应力值和端煤影响应力增高区应力值，且应力曲线波动较小，在深度方向上随远离房柱采空区应力波动逐渐减小。

图2 数值模拟模型

图3 房柱采空区下近距离煤层直接顶中应力分布特征

3 房柱采空区下煤柱集中应力影响深度的确定

根据目前对于房柱采空区煤柱影响底板应力分布的研究，采空区煤柱支撑顶底板在煤柱及其上下岩层中一定范围内形成应力集中[9]；煤房部分被采出，在煤房上下岩层中一定范围内形成应力降低区；房柱采空区煤房煤柱交替分布，造成采空区范围内顶底板中应力高低交替分布，应力随煤房煤柱分布而在均值线上下波动。因此，房柱采空区煤柱应力影响深度可根据底板中应力值的波动情况进行分析。

如图4所示，在两煤层间布置不等距应力测线，pline1、pline2、pline3、pline4、pline5分别为距2#煤层顶板25 m，24.5 m，22 m，17 m，12 m处的测线应力值曲线，plinei+j%代表测线plinei的均值增加均值的j%得到的曲线，plinei-j%代表测线plinei的均值减小均值的j%得到的曲线，通过plinei±j%得到测线plinei的j%取值范围。

对比房柱采空区与下煤层间应力测线上的应力值，受煤柱在底板中产生的集中应力影响，应力在某一均值上下波动，离煤柱越近，波动幅度越大，但从上到下应力波动逐渐减小，由图4可以看出，在采空区煤柱影响稳定区(测线上85～215 m范围内)，在距3#煤层顶板0～3 m范围内应力值波动基本不受上层房柱集中应力影响。

对采空区煤柱影响稳定区应力曲线进行分析，根据工程要求若以波动均值的1%浮动范围来界定该位置应力大小是否受煤柱集中应力影响，则测线pline4应力值的波动范围与其均值的1%浮动范围接近，故可以认为，该地质条件下煤柱集中应力影响达到3#煤层上方8 m处(房柱采空区下17 m)，即煤柱集中应力影响深度17 m。若以均值5%作浮动范围作为对工程有影响的界限，则在3#煤层上方13 m(房柱采空区下12 m)附近，煤柱集中应力引起的应力值波动范围与其均值的5%浮动范围接近，因此可以认为该地质条件下，房柱采空区煤柱集中应力工程影响深度12 m。

图4 房柱采空区下测线应力值波动范围

4 房柱采空区下近距离煤层开采顶板应力分布

对房柱采空区下煤层开采进行模拟，如图所示，开采步距为5 m，自开切眼推进25 m，直接顶破断，推进30 m直接顶全部垮落，之后直接顶随煤层开采不断冒落，但未填满采空区，老顶持续变形。当工作面推进60 m时，老顶中部完全折断，形成砌体梁结构。

从工作面推进18歩起(自模型左110 m)模拟采用支架支护顶板条件下逐步开采，测量与支架较近的直接顶板中控顶距离内应力，测线与支架垂直距离0.5 m，以此测线应力值作为支架所受顶板压力的参考值。模拟开采9个步距，分别对应ce1`-ce9`位置，测量步距与工作面推进步距一致，前五个测量位置如图6所示。图7为支架在不同位置所受的顶板压力，从图中可以明显看出，来压步距在10 m左右，顶板压力在一定范围内波动，在顶板来压时，支架后端压力大，前端压力小的现象比较明显，符合支架上方岩层发生回转变形时岩层中应力分布规律。

对房柱采空区下3#煤层开采与2#煤层未开采条件下3#煤层开采顶板压力进行对比，如图7所示，房柱采空区下工作面顶板压力为ce1`-ce9`，对应完整煤层下工作面顶板压力zc1-zc9。根据上节分析，在3#煤层还未开采时，测量位置应力在房柱采空区下比在未开采2#煤下应力小，3#煤层开采过程中房柱采空区下煤柱影响稳定区工作面顶板压力也略小(ce2`、ce3`、ce5`、ce6`、ce9`位置)，但部分位置受采空区煤柱集中应力影响，工作面控顶区顶板压力大小受到影响，出现与2#煤层未开采条件下开采下部煤层控顶区压力相等甚至大于的情况(ce1`、ce4`、ce7`位置)，该位置的煤层开采工作面刚离开煤柱，煤柱成为该控顶区上方的主要被承载体，控顶区顶板压力较大。由此可见，虽然煤柱集中应力波动未达到开采煤层，部分位置控顶区压力仍然受到影响，在实际煤层开采过程中，工作面出煤柱位置应加强顶板支护管理。

房柱采空区下近距离煤层开采工作面超前支承压力分布如图8所示，zcyl1`-zcyl5`分别对应ce1`-ce5`位置超前支承压力。受顶板岩层整体运动影响，不同工作面位置超前支承压力峰值及峰值位置略有不同， 但未出现因煤柱集中应力造成的工作面前方支承压力煤柱下骤增的形式，受煤柱影响不大。

图5 房柱采空区下煤层开采顶板运动情况

图6 不同测量位置工作面与煤柱相对位置关系

图7 不同上部煤层环境下工作面控顶区顶板压力

图8 房柱采空区下工作面超前支承压力分布曲线

如上所述，部分工作面推进位置控顶区顶板压力虽然受到煤柱影响，但影响效果不够明显，对开采地层条件进行调整并进行数值计算，两煤层间距减为5 m，其中粉砂岩厚度为2 m，砂质泥岩厚度3 m，其他条件不变。3#煤层开采至相同位置，对工作面控顶区顶板压力测量，在ce1`-ce9`相同开采水平位置测得顶板压力ce1-ce9，不同位置工作面顶板压力曲线如图9所示，工作面超前支承压力分布曲线如图10所示，zcyl1-zcyl5分别对应ce1`-ce5`开采水平位置工作面超前支承压力。由图可知，煤柱下工作面顶板压力受煤柱集中应力影响严重，在煤柱下顶板压力明显大于煤房下顶板压力，工作面超前支承压力在煤柱下应力明显增高。

图9 房柱下煤层极近距离工作面控顶区顶板压力

5 结论

(1) 房柱采空区也具有类似完全垮落式采空区边缘的侧向支承压力，下位近距离煤层工作面推进过程中从无煤柱区进入房柱采空区下要依次经历端煤影响应力增高区、端煤影响应力降低区和采空区煤柱影响稳定区，端煤影响应力增高区应力峰值远远高于端煤影响应力降低区和采空区煤柱影响稳定区，因此下位近距离煤层工作面在进入房柱采空区下方区域之前应加强顶板压力监测和管理。

(2) 根据房柱采空区下底板岩层中应力值的波动范围进行分析煤柱集中应力影响深度，得出模拟地层条件下不同工程要求时煤柱集中应力影响深度，对类似数值模拟应力分析具有借鉴意义。

(3) 房柱采空区煤柱集中应力影响深度未达到下位近距离煤层，煤层开采工作面顶板压力受上部煤柱集中应力影响较小，但开采过程中部分位置工作面控顶区顶板压力仍然受到影响，出煤柱位置顶板压力较大。因此，在实际煤层开采过程中，工作面出煤柱位置应加强顶板支护管理。

(4) 若房柱采空区下存在极近距离煤层开采，煤柱下集中应力对下煤层工作面顶板压力影响强烈，煤柱下工作面顶板压力、超前支承压力明显大于煤房下的压力，应对房柱采空区煤柱进行处理，采取煤柱爆破、注水预裂或填充采空区等措施弱化煤柱集中应力影响强度，然后再进行下煤层开采。

(5) 开采煤层顶板中主应力差是造成顶板剪切破坏的主要影响因素，应进一步研究房柱采空区下水平应力及主应力差受煤柱影响规律和作用机理。

图10 房柱下煤层极近距离工作面超前支承压力