辛安煤矿4#煤层下部采空区区段煤柱对其开采影响分析

＊韩 伟

（山西霍宝干河煤矿有限公司 山西 031400）

近距离煤层采用上行开采方式时，下部煤层开采势必引起上覆岩层在一定范围内产生运移和破坏，下部煤层开采覆岩破坏范围、破坏程度对上部煤层开采可行与否有重要的影响。而下覆采空区留设的工作面区段煤柱稳定性对其上覆岩层运移范围、破坏程度影响极大，故研究采空区区段煤柱稳定性及其对上覆岩层运移影响具有重要意义。

1.工程背景

图1 煤层赋柱状图

辛安煤矿4#、9#、11#煤层是矿井全区域可采煤层。目前，矿井4#煤层部分区域开采条件复杂，该区域下部的9#、11#煤层先前已经采空，此区域4#煤层开采属于采空区上开采，亦即属于上行开采方式。该区域煤层设计3个采煤工作面，这3个工作面可否安全正常开采，与下部煤开采覆岩运移和对本煤层影响破坏程度紧密相关。尤为重要的是，下煤层留设的区段煤柱稳定性对4#煤层开采影响关系较大。矿井煤层赋存柱状见图1，煤层顶底板岩石力学参数见表1。

表1 煤层、顶底板力学参数

2.9#、11#煤层采空区区段煤柱稳定性计算及对4#煤层开采影响分析

区段煤柱相邻两工作面之间留设的一定尺寸的煤体，区段煤柱的尺寸及其稳定性对其上覆岩层裂隙带发育高度具有一定的影响，故对9#、11#煤层区段煤柱的稳定性及其对裂隙带高度的影响进行分析。

(1)按应力分布煤柱稳定性区域划分

一定宽度的煤柱，在矿山压力或采动应力作用下，煤柱不同区域应力分布状态不同，相应的造成煤柱出现弹性区域和塑性区域。稳定煤柱应力分布及其区域划分见图2。

如图2所示，靠近煤柱两侧边缘产生应力集中，应力为“峰值”，由“峰值”位置至煤柱边缘应力逐渐降低，由“峰值”向煤柱中部应力集中逐渐降低至原岩应力。图2为“马鞍型”应力分布煤柱，是稳定的煤柱。按煤柱应力分布特征及煤柱煤体的σ-关系，将煤柱划分3个区域：I-破裂区，也称卸载区，该区域是由于采后（掘后）在支承压力的作用下，煤体产生破坏，煤体处于σ-曲线的破坏后阶段，煤体裂隙发育；II-应力增高区，应力集中由边缘向煤柱中部逐渐增大至峰值，此区域煤体处于σ-曲线峰值后裂隙扩展阶段，煤体产生塑性破坏；III-弹性区，该区域煤体处于σ-曲线的弹性变形和塑性屈服阶段。I区与II区统称为塑性区域。

图2 煤柱应力分布及区域划分

(2)9#、11#煤层采空区区段煤柱稳定性理论计算

在一定条件下，煤柱尺寸大小是煤柱稳定与否的关键因素。按照经验公式，稳定煤柱最小尺寸是煤柱中部存在宽度为2m的弹性区，则区段煤柱稳定的尺寸公式为：

式中：R—巷道边缘塑性区宽度，m；

X0—采空区周边煤层的塑性区宽度，m；

2M—煤柱中部弹性区宽度，m，M为煤层厚度。

根据极限平衡理论，上区段采空区一侧煤柱的塑性区宽度X0为：

式中：X0—采空区侧塑性区宽度，m；

m—采高，m；

f0—摩擦系数；

K—应力集中系数；

γ—上覆岩层容重，kN/m3；

H—埋深，m；

C—内聚力，MPa；

ψ—内摩擦角，°。

下覆煤层采空区区段煤柱留设参数为：

9#煤层：采高4.3m，区段煤柱宽度20m，埋深178m，内聚力3.61MPa，内摩擦角35°，容重取250kN/m3，应力集中系数取2.8，摩擦系数取0.25。

11#煤层：采高4.4m，区段煤柱宽度20m，埋深193m，内聚力3.72MPa，内摩擦角38°，容重取250kN/m3，应力集中系数取2.8，摩擦系数取0.25。

煤柱参数代入公式（2），计算得到区段煤柱采空区侧的塑性区宽度：

由于下煤层已经采空，故按双侧采空区条件，代入式（1）得到稳定区段煤柱最小尺寸为：

9#煤层：B9#=2X0-9#+2M=2×23.71+2×4.3=56.02m＞20m。

11#煤层：B11#=2X0-11#+2M=2×21.22+2×4.4=51.24m＞20m。

可见，9#、11#煤层采空区所留设区段煤柱尺寸远远小于稳定煤柱所需的最小尺寸，说明9#、11#煤层开采后，在支承压力的作用下，区段煤柱不是稳定煤柱，煤柱已经失稳破坏。

(3)9#、11#煤层采空区区段煤柱稳定性对4#煤层影响分析

理论研究表明：下覆采空区留设的区段煤柱对上覆岩层的运移有很大影响，煤柱区域容易产生较大的应力集中。稳定的区段煤柱支撑能力大，导致煤柱区域裂隙带发育，裂隙带高度加大，裂隙不易于闭合；非稳定的区段煤柱，采后在支承压力的作用下失稳破坏，易于覆岩下沉，覆岩运移过程中形成的裂隙容易闭合，抑制了裂隙持续纵向发育，进而降低了导水裂隙带高度。

由计算可知，9#、11#煤层采后区段煤柱失稳破坏，这在一定程度上抑制了裂隙带的向上扩展，降低了裂隙带高度，这对4#煤层开采有利。

3.采空区区段煤柱稳定性对4#煤层开采影响模拟分析

(1)模型建立

根据4#、9#、11#煤层相互间的层位关系沿煤层倾向建立模型，模型见图3所示。

图3 倾向数值计算模型图

通过对9#、11#煤层工作面开挖并程序计算，得到下部煤层开采后覆岩运移数值模拟结果，覆岩运移后的裂隙场、应力场、位移场见图4所示。

图4 工作面开采后覆岩运移演化模拟结果

(2)数值模拟结果分析

由图4可以看出，9#、11#煤层开采后，其上覆岩层整体下沉，直接顶垮落造成采空区基本充实，但是在区段煤柱边缘区域尚有部分未完全充填压实区，在这个未完全充填压实区域垂直方向上覆岩裂隙比较发育，说明煤柱的存在促进了覆岩一定程度上裂隙的扩展。

由于9#煤与11#煤工作面属于内错布置，上下煤层区段煤柱没有重叠，避免了应力集中，11#煤层的开采对9#煤开采来讲，具有一定的卸压作用。从裂隙场演化结果可以看出，9#、11#煤层开采后覆岩基本下沉压实呈凹形状，只是区段煤柱上部一定范围存有较致密的裂隙，开采区域到4#煤层见覆岩裂隙基本上已经压实闭合，4#煤层整体下沉，没有出现显著的凸凹变化，说明4#煤层整体性较好。

9#、11#煤层开采后覆岩应力重新分布，区段煤柱范围内应力呈“椭球”分布，煤柱20m范围应力值最大为25MPa，说明采后区段煤柱在支承压力作用下煤体破坏后应变硬化，进而产生高应力集中。

综合数值模拟结果看，下部煤层开采后，覆岩下沉平缓，区段煤柱基本进入塑性破坏，下部煤层的开采对4#煤层的整体性基本上没有影响。

4.结论

（1）上行开采时，下煤层区段煤柱无论稳定与否，在采动后，由于应力集中的作用，煤柱附近应力水平较高，区段煤柱上部覆岩一定范围内裂隙比较发育，煤柱的存在，不利于裂隙的压实。

（2）理论计算和数值模拟表明，下部煤层回采后，区段煤柱已经进入塑性破坏后的应变硬化阶段。9#、11#煤层采空区区段煤柱对4#煤层整体性影响不大，不影响4#煤层的开采。