煤柱影响下远距离多煤层重叠开采覆岩运动规律

2021-03-24任中华寇建新高建成房胜杰孙维吉

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2021年1期

任中华，寇建新,2，高建成,2，房胜杰，孙维吉

（1. 平顶山天安煤业股份有限公司，河南平顶山 467000；2. 中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南平顶山 467000；3. 辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000；4. 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 123000）

0 引言

煤炭开采会破坏煤岩地层原始应力状态，引起地层应力重新分布，从而造成围岩凸起、损伤等不同程度的破坏，还易引起煤岩冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山灾害[1-3]，研究煤炭开采过程中的覆岩运动规律和应力演化规律对煤矿安全开采非常重要.与单煤层开采相比，多煤层重叠开采过程中的覆岩运动规律更加复杂，BODRAC B B 研究发现多煤层开采时，不同煤层间顶板变形垮落和来压特征与单煤层开采时存在区别[4].苏涛[5]等通过相似模拟实验和数值模拟，分析了晋华宫矿多煤层开采覆岩垮落规律及围岩应力演化规律；赵启峰[6]以谢桥煤矿为背景，分析了缓倾斜多煤层开采应力场和位移场演化规律，及其与层间相互作用之间的关系；张百胜[7]、桂兵[8]等分析了近距离多煤层矿井，下部煤层开采时矿压显现规律；赵宝峰[9]通过FLAC3D 数值模拟，定量对比分析了上行开采条件下单一煤层开采和多煤层开采覆岩破坏规律；白庆升[10]分析了近距离浅埋煤层房式煤柱作用下长壁工作面回采过程中采动应力演化规律；朱志杰[11-12]等分析了远距离重叠煤柱作用下综放采场应力演化规律及作用机制.

综上可知，目前针对多煤层开采煤岩变形和应力演化的研究多集中在近距离多煤层开采，而针对远距离多煤层开采的研究较少，而平煤股份八矿主采煤层为远距离多煤层组，各煤组工作面的空间投影存在内错、重叠和外错等复杂布置的特点，且部分煤层瓦斯含量较高，研究远距离上煤组重叠开采过程中覆岩运动及应力演化规律，对该矿己组煤层安全、高效生产至关重要.

1 工程概况

平煤股份八矿主采煤层包括丁5-6、戊9-10、己15和己16-17 煤层，煤层间距较远，其中丁5-6 组和戊9-10组煤层间距70～90 m，戊9-10 组和己15 组煤层平均间距170 m.该矿戊9-10、己15 和己16-17 煤层瓦斯含量较高.各煤层瓦斯参数见表1.

表1 平煤股份八矿各煤层参数Tab.1 coal seam parameters of coal mine No.8 of pingmei group

该矿一采区在丁组、戊组、己组煤层均布置有工作面，其中戊9-10-21070工作面和己15-21030工作面正在掘进顺槽.3 个煤组所布置工作面的空间位置如下：丁5-6-11030工作面、丁5-6-11050工作面、丁5-6-11070工作面位于戊9-10-21030工作面及戊9-10-21050工作面上方，已经全部开采完毕；戊9-10-21050工作面南邻已回采完毕的戊9-10-21030工作面，北邻正在布置的戊9-10-21070工作面；己15-21030工作面位于戊组工作面下方，工作面走向与戊组工作面走向投影斜交，工作面空间分布见图1.

图1 研究区工作面空间分布Fig.1 spatial distribution of working face

2 多煤层重叠开采覆岩应力演化实验

2.1 实验内容

本次实验主要通过相似模拟实验的方法分析平煤八矿丁组、戊组煤层沿煤层倾向重叠开采，顶板垮落和下覆岩层应力演化规律，研究丁组、戊组煤层重叠开采后，大面积采空区及煤柱对己组煤层的保护效果.

实验研究剖面按垂直己15-21030 工作面推进方向截取见图2，按照实际开采顺序分别对丁组、戊组和己组煤层工作面进行回采，其中丁组煤层布置3 个工作面，丁5-6-11010 工作面开切眼距离模型右侧边界104 m，开采长度为176.8 m，留设13 m 煤柱后开采丁5-6-11030 工作面，开采156 m 后留设13 m 煤柱，开采丁5-6-11050 工作面156 m 后结束丁组煤层开采.戊组煤层布置两个工作面回采，戊9-10-21030 工作面切眼距离模型右侧边界110 m，开采长度197.6 m，戊9-10-21050 工作面开采长度为208 m，两个工作面间留设13 m 煤柱.

图2 煤层倾向剖面Fig.2 cross section of coal seam tendency

2.2 模型参数

实验模型尺寸为300 cm×30 cm×200 cm，相似模型中各煤岩层的物理力学参数根据矿方所提供的地质资料选取，相似材料由硅砂、石灰和石膏组成.实验模型几何相似比为1∶260.

模型顶部施加的载荷根据上覆岩层自重应力计算确定，模型顶部边界埋深为500 m，强度相似比取1:390，利用应力相似常数计算模型顶部边界需要施加42 kPa 的载荷.本次实验模拟采高按照实际生产采高与几何常数作比求得.丁组煤的实际煤厚为2.8 m，模拟的采高设为1 cm；戊9-10 煤的实际煤厚为3.3 m，模拟的采高设为1.2 cm；己15 煤的实际煤厚为4.4 m，模拟的采高设为1.7 cm.该矿每日安排两班生产，一班维修，为方便实验，模型进尺确定为4 cm.该矿实际生产中每班为8 h，所以实验的开采间隔48 min，为方便实验，模型开采间隔为50 min.

2.3 监测点布置

为监测上煤组重叠开采形成的采空区、煤柱对下覆岩层的影响，布置3 排7 列的应力监测点对采场应力变化进行监测见图3，测点说明见表2.

图3 应力测点布置Fig.3 arrangement of stress measurement points

表2 应力监测点布置说明Tab.2 description table of arrangement of stress monitoring points

3 多煤层重叠开采覆岩应力演化规律

3.1 工作面重叠开采覆岩运动规律

（1）丁组煤层回采覆岩垮落规律

图4 为丁5-6-11010 工作面、丁5-6-11030 工作面和丁5-6-11050 工作面回采结束后顶板垮落情况.丁组煤层整体回采结束后，丁5-6-11010 工作面、丁5-6-11030 工作面顶板发生垮落，丁5-6-11050 工作面顶板弯曲下沉但未垮落，各工作面间留设的煤柱未发生失稳破坏.

图4 丁组煤层开采结束后顶板垮落位移Fig.4 displacement map of roof collapse after coal group Ding mining

（2）戊组煤层开采覆岩垮落规律

图5 为丁组、戊组煤层工作面叠加开采结束后覆岩移动情况.戊组煤层戊9-10-21030 工作面和戊9-10-21050 工作面开采后顶板均发生垮落.

戊9-10-21050 工作面开采至145.6 m 时，留设煤柱发生失稳，煤柱两端出现片帮现象，开采至158.6m 时，留设煤柱倒塌，上覆岩层垮落并延伸至模型顶端.

图5 戊组煤层开采结束后顶板垮落位移Fig.5 displacement map of roof collapse after coal Group Wu mining

3.2 重叠开采底板应力演化规律

平煤矿区丁组、戊组、己组煤层相距较远，直接采用研究保护层开采的方法研究远距离下行开采问题较难得到有效的结论，为了研究丁组、戊组工作面重叠开采对己组煤层的影响，分别分析丁组煤层开采后底板应力演化规律和丁、戊组煤层重叠开采后底板应力演化规律及对己组煤层的影响.

（1）丁组煤层回采覆岩应力场演化规律

在丁组煤层布置丁5-6-11010 工作面、丁5-6-11030 工作面和丁5-6-11050 工作面，通过3 个工作面开采测量底板应力监测点的应力变化研究底板应力变化区的范围，即研究卸压区的卸压角及应力增卸压的影响深度.

图6 是丁组3 个工作面开采后选取的监测点随工作面采动后的应力演化情况（以丁5-6-11010 工作面开切眼位置为水平轴0 点，开切眼时刻的应力值基准0 点）. 测点DZ2-1、测点DZ2-2 和测点DZ2-3是考察工作面上帮卸压角，见图6（a），丁5-6-11010工作面开采推进，3 个测点应力值均出现下降，测点DZ2-3 数值最大下降2.1 MPa，随着丁5-6-11030和丁5-6-11050 工作面开采，应力上升至-1.3 MPa，仍处于卸压状态，而测点DZ2-1、测点DZ2-2 应力值则基本恢复到原始应力状态，依据图3 测点位置确定上帮卸压角是65°.

测点DZ1-1、测点DZ1-2 和测点DZ1-3 是考察工作面下帮卸压角，见图6（b），丁5-6-11030 工作面开采推进到中部（图（b）中250 m 处），3 个测点应力值均增加，直至丁5-6-11050 工作面开采结束，测点DZ1-1、测点DZ1-2 和测点DZ1-3 应力值分别降低为-0.50 MPa、-0.64 MPa、-0.83 MPa，均低于初始基准0 点，说明3 个测点均处在卸压区内，依据图3 测点位置确定下帮卸压角是75°.

在确定卸压角的基础上，通过位于丁5-6-11010和丁5-6-11030工作面间孤岛煤柱下方测线C上各测点考察丁组煤层开采后应力增压或卸压在竖直方向的影响的深度.随着丁5-6-11010 工作面开采推进，测点C1、测点C2、测点C3、测点C4 应力值均增加，分别为3.63 MPa、1.21 MPa、0.72 MPa 和0.001 MPa，距离丁组煤层近的测点应力增幅大，位于己组煤层底板测点C4 应力值增加较小.随着3 个工作面开采结束应力演化稳定后，测点C4 应力恢复为初值0 MPa.丁组煤层开采对己组煤层的卸压作用不明显.

从丁组煤层回采底板应力演化规律可以确定单一丁组工作面的增卸压范围，进而确定多工作面采动后底板增卸压区.

图6 丁组煤层开采底板应力演化Fig.6 stress evolution ofcoal seamfloor after Group Ding mined

（2）戊组煤层回采覆岩应力场演化规律

丁组煤层3 个工作面开采结束岩移稳定后进行戊组煤层开采，根据八矿一采区工作面空间布置情况，先后开采戊9-10-21030 和戊9-10-21050 工作面.丁组工作面和戊组工作面重叠布置，不仅要考察戊组工作面开采后形成的卸压角、对己组煤层的影响，还要分析丁组、戊组重叠开采后己组上覆岩层的应力演化规律.

图7 是戊组二个工作面开采后选取的监测点随工作面采动后的应力演化情况（以戊9-10-21030 工作面开切眼位置为水平轴0 点，应力初值是丁组煤层开采结束岩移稳定后的应力值）.

图7 戊组煤层开底板应力演化Fig.7 stress evolution ofcoal seamfloor after Group Wu mined

由图7（a）可知，随着戊9-10-21030 工作面开采推进至戊9-10-21050 工作面开采结束，测点B(WZ2-1)、测点WZ2-2、测点WZ2-4 应力值呈现下降后缓慢上升的规律.戊组工作面开采结束，测点B(WZ2-1)应力值比开采前升高0.35 MPa，测点WZ2-2、测点WZ2-4 的较初值降低0.45 MPa 和1.12 MPa，说明测点WZ2-2 以左为卸压区，可以确定上帮的卸压角是75°.随着戊9-10-21030 工作面开采推进至戊9-10-21050 工作面开采结束，测点WZ1-1、测点WZ1-2、测点WZ1-3 和测点E3 应力值呈现先缓慢上升后下降的规律，见图7（b）.戊组工作面开采结束，测点WZ1-1、测点WZ1-2、测点WZ1-3 应力值比开采前分别升高0.51 MPa、0.49 MPa 和0.65 MPa，说明测点WZ1-1 以左为增压区，确定下帮卸压角是65°.

利用测线D 上的D3、D4 测点分析戊组工作面开采对己组的影响.由图7（c）可知，测点D3 和测点D4 在戊9-10-21030 工作面开采前显示的应力值是0.72 MPa 和0.47 MPa，已处在丁组工作面开采形成的增压区内.随着戊9-10-21030 工作面的开采临近结束，应力上升达到第一个峰值，越过煤柱开采戊9-10-21050 工作面，应力值呈现先降低后升高的规律.戊组工作面开采结束，测点D3 和测点D4 应力值是2.43 MPa 和0.42 MPa，戊组煤层开采会改变己组煤层的应力分布，但从应力的结果来看影响较为有限.

3.3 丁、戊组煤层叠加开采对己组煤层的影响分析

通过分析丁组煤层开采和戊组煤层开采的应力演化规律可以确定上组煤开采后的增压区和卸压区. 3.2 节的研究结果表明丁组、戊组煤层开采会改变己组的煤层应力状态.本节将整体分析丁组、戊组叠加开采覆岩应力演化规律.

图8 丁、戊组开采后戊组底板应力演化Fig.8 stress evolution of coal seamfloor after Group Ding and Group Wu mined

图8 是测线C 各测点随丁、戊组工作面开采时间递进的应力演化.测点C2、测点C3、测点C4 应力值分别由丁组开采结束的1.21 MPa、0.72 MPa、0.001 MPa 变化为戊组开采结束的-2.41 MPa、1.48 MPa、0.074 MPa.测点C2 由增压区转化为了卸压区，应力变化3.62 MPa，测点C3、测点C4 经历了戊9-10-21050 工作面开采形成孤岛煤柱影响下的卸压后，逐渐转化为增压区，增压在数值上较丁组煤层开采结束后分别增加了1 倍和73 倍.丁组工作面开采及形成煤柱的过程引起底板应力增加的幅度要弱于戊组煤层开采导致工作面前方形成应力集中区的应力增幅，戊组煤层开采动态引起己组煤层增压卸压，丁组煤柱产生的附加应力不利于戊组煤层开采对己组的卸压.

图9 是测点C3、测点C4、测点D3 和测点D4应力值随丁、戊组工作面开采时间的变化曲线.测点C3、测点C4 位于丁组煤组下方，测点D3、测点D4 位于戊组煤组下方，丁组、戊组煤柱水平中心距32 m.丁5-6-11050 开采结束后停止开采8.4 h 以让工作面岩移充分移动，这期间发现4 个测点应力仍在变化，且测点D3、测点D4 的应力值分别高于测点C3、测点C4，说明丁组对测点D4 的影响在应力值上要大于测点C4，煤层由浅至深倾斜开采煤柱下方应力增高区内最大应力值不在煤柱投影铅垂线上，而位于煤柱投影铅垂线偏向于埋深更深的一侧.戊9-10-21030 工作面开采，测点D3、测点D4 应力增加值仍分别高于测点C3、测点C4，不同在于测线C 位于戊组采空区下方，工作面推过后发生了卸压，测线D 位于煤组下方，应力处于保持状态.戊9-10- 21050 工作面开采后，测点C3、测点C4、测点D3、测点D4 应力值继续下降，测点C4 的应力值会降低到-0.16 MPa，相比其应力峰值降幅0.54 MPa，测点D4 的应力值会降低到0.23 MPa，相比其应力峰值降幅0.48 MPa.由此认为即使处于煤组下方戊组工作面开采依然可以使己组工作面卸压，只是这个卸压是一个短暂的过程，待戊组工作面回采结束，应力会回升至丁组工作面开采结束后的应力水平.戊组工作面开采岩移稳定后形成的采空区会促进己组煤层应力恢复至原始地应力值，形成的孤岛煤柱不会大幅度增加己组煤层应力，出现较高的应力集中现象.