大同礦區雙系煤層開采煤柱影響下的強礦壓顯現機理

于 斌，劉長友，楊敬軒，劉錦榮

(1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037003；3.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

大同礦區雙系煤層開采煤柱影響下的強礦壓顯現機理

于 斌1,2，劉長友1,3，楊敬軒1,3，劉錦榮2

(1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037003；3.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

針對大同礦區石炭系煤層8105工作面過上覆侏羅系煤層采空區留設煤柱時的強礦壓顯現特征，采用理論與現場實測分析相結合的方法，對侏羅系煤層采空區煤柱的應力影響規律與石炭系煤層頂板的垮裂帶范圍進行了分析，得到了雙系煤層開采煤柱影響條件下工作面強礦壓顯現的“煤柱-覆巖運動”聯合作用機理。研究表明：侏羅系煤層采空區留設煤柱的水平與垂直應力較高，達10.5～13.5MPa，應力集中區深度為40～70m，剪應力波及范圍達180m；8105工作面頂板的垮裂帶高度為150～170m；工作面過煤柱時的強礦壓顯現是由采空區煤柱與煤層頂板垮裂運動聯合作用的結果。

大同礦區；雙系煤層；采空區煤柱；強礦壓；應力影響；電磁成像

大同礦區主要賦存有侏羅系與石炭系雙系煤層。目前，侏羅系煤層開采已近完畢，石炭系厚及特厚煤層成為主要的開采煤層。大同礦區同忻煤礦石炭系煤層由于賦存較深、厚度較大、結構復雜、頂板與煤層較為堅硬、采空區空間較大等特點，導致工作面以及兩端頭巷道壓力大，尤其在過侏羅系已開采煤層采空區留設煤柱時，石炭系煤層工作面頂板來壓情況復雜并伴有系列的強礦壓顯現特征。因此，要弄清大同礦區雙系煤層受侏羅系煤柱影響下的石炭系煤層強礦壓顯現機理，除了研究石炭系煤層煤巖賦存的條件和垮落特征外，還必須綜合考慮開采煤層與侏羅系留設煤柱間的時空影響關系。目前，對于頂板結構中含煤柱問題的宏觀探討雖然已進行了一定的研究[1-4]，并得到了煤柱影響條件下的頂板穩定條件、破壞機理以及頂板(沖擊)來壓特征等，以及對于建筑物下煤柱留設和煤柱影響下的巷道穩定性問題進行了廣泛探討[5-9]，并得到了煤柱安全留設尺寸的標準以及煤柱影響下的巷道穩定以及失穩機理等，但對于煤柱影響條件下礦壓顯現的機理目前仍沒有統一定論，而對于該問題的分析尚有待于進一步研究。因此，筆者針對大同礦區同忻煤礦8105工作面過侏羅系煤層8202工作面邊界煤柱的強礦壓顯現問題，分析了影響工作面強礦壓顯現的主要原因，采用理論分析與現場實測相結合的方法，探討工作面過煤柱時的強礦壓顯現機理，得到了煤柱影響下工作面頂板受力與運移特征，為類似條件煤層開采過煤柱時的巖層控制提供依據。

1 煤柱下工作面強礦壓顯現特征

1.1 煤層賦存概況

大同礦區侏羅系含煤地層總厚度74～264m，平均210m，可采煤層21層，單層最大厚度7.81m。隨著開采規模日益增大，加之礦區地方小煤礦的開采破壞，侏羅系煤炭可采儲量日趨減少。

石炭系煤層包括上石炭統下部本溪組、上石炭統上部太原組及下二疊統山西組。本溪組不含可采煤層；太原組由陸相及濱海相砂巖、泥巖夾夾煤與高嶺巖組成，厚36～95m，含可采及局部可采煤層10層，煤層總厚在20m以上；山西組由陸相砂巖夾煤及泥巖組成，厚45～60m，含1層可采煤層，厚0～3.8m。

同忻煤礦雙系煤層間分布著細粒砂巖、粗粒砂巖、煤層、粉砂巖、中粒砂巖、巖礫巖、砂質泥巖，其中砂質巖性巖層約占90%～95%，泥巖與煤層僅占5%～10%，雙系煤層間距150～200m。8202工作面開采侏羅系14號煤組，該煤組含2個可采煤層，上部為14-2號分層，下部為14-3號分層，煤層總厚3.0～5.0m；8105放頂煤工作面開采石炭系3-5號煤層，煤層總厚7.9～21.6 m，平均13.7 m，機采高度3.5m。同忻煤礦石炭系3-5號煤層頂底板賦存條件，見表1。

表1同忻煤礦石炭系3-5號煤層賦存條件
Table1CarboniferouscoalseamoccurrenceconditionsofNo.3-5seaminTongxinMine

頂底板巖性厚度/m巖性特征基本頂粗粒砂巖4 40～13 488 20灰白色，石英為主，分選差，次棱角狀，硅質膠結，堅硬直接頂砂質泥巖0 10～1 600 78灰黑色，含化石，節理發育，致密，塊狀煤層型煤7 9～21 613 7裂隙發育，易塌落，結構復雜，含夾矸9層，平均0 21m直接底砂質泥巖0 40～10 344 03灰白色，石英為主，長石次之，含有白云母，巨厚層狀

1.2 同忻8105工作面礦壓顯現特征

石炭系煤層8105工作面與侏羅系煤層8202工作面推進方向相互垂直，8105工作面切眼位于侏羅系煤層8202工作面邊界煤柱下方，工作面阻力相對較大，由于選用額定阻力為15000kN的架型，邊界煤柱下工作面并沒有異常礦壓顯現，但隨著8105工作面推進至靠近8202工作面采空區，頂板突然來壓，來壓強度大，礦壓顯現劇烈。侏羅系8202工作面與石炭系8105工作面層位關系如圖1所示。

圖1 雙系煤層工作面層位關系Fig.1 The layer relations of dual coal seams

石炭系8105工作面靠近8202工作面采空區時，工作面礦壓顯現具有以下特點：

(1)超前壓力影響范圍增大，巷道底臌和煤壁片幫嚴重，巷道頂板及兩幫變形量大，錨桿(索)斷裂等；

(2)工作面壓力明顯增大，支架增阻明顯，安全閥頻繁開啟，開啟率34%～67%，支架立柱時有破壞；

(3)工作面采空區頂板垮落塊度相對較大，頂板來壓劇烈，頂板大面積垮落時伴有巨響。

8105工作面過上方邊界煤柱回采期間，兩端頭巷道內由于單體支柱的支護阻力相對較低，巷道礦壓顯現更為強烈。工作面過邊界煤柱時的巷道底臌與兩幫變形如圖2所示。

圖2 工作面過煤柱時的巷道礦壓顯現Fig.2 Roadway pressure behavior when the face advance the coal pillar

由圖2可見，石炭系8105工作面過上覆侏羅系邊界煤柱時，頂板強礦壓顯現會給工作面安全生產帶來較大影響，而弄清該條件下工作面強礦壓顯現的主要影響因素成為解決類似問題的前提。通過分析8105工作面過上覆煤柱前后的礦壓顯現情況，可知工作面的強礦壓一般僅出現在上部煤層邊界煤柱以及采空區留設的區段煤柱下方。由此可見，工作面的強礦壓不是單獨由頂板活動引起的。因此，石炭系煤層工作面的強礦壓顯現可能來自于侏羅系留設煤柱的影響或者留設煤柱與石炭系煤層頂板垮斷運動的聯合作用，但究竟哪一因素占主要地位尚需進一步研究。為此，筆者從煤柱影響與覆巖活動兩方面進行探討，得出同忻煤礦石炭系煤層8105工作面過上覆多煤柱時的強礦壓機理。

2 侏羅系采空區煤柱影響分析

同忻煤礦石炭系煤層8105工作面上覆的侏羅系14號煤層已在1980—1983年期間開采完畢。14號煤層頂板經長時間的運動調整，頂板巖層活動基本趨于穩定，采空區留設煤柱作為頂板拱結構的拱腳繼續承受覆巖重量，導致14號煤層采空區留設煤柱下方出現較高的應力集中區，而相對實體煤柱下方的高應力區，煤層多個工作面采空區內的應力則相對趨于緩和。隨著下部石炭系煤層的開采，下部煤層大采空區的影響可能波及已經穩定的侏羅系覆巖頂板結構，導致雙系煤層覆巖結構的貫通，給下部煤層的安全高效生產帶來一定隱患。同忻礦雙系煤層覆巖結構特征，如圖3所示。

圖3 同忻煤礦雙系煤層覆巖結構Fig.3 Overburden structure of the dual coal seams in Tongxin Mine

隨著8105工作面的推進，在靠近8202工作面采空區位置，石炭系煤層工作面出現較強礦壓顯現，為弄清覆巖采空區煤柱對下部煤層開采的影響，同時鑒于大同礦區頂板砂質巖層巖性相近的條件，建立煤柱集中應力下的煤巖傳載模型，如圖4所示，x軸取向下，y軸取向左。

圖4 煤柱應力條件下的傳載模型Fig.4 Model under the condition of the pillar stress

圖4中，q(y)為煤柱承載應力大小；dy為煤柱微區段寬度；θ為煤柱下部巖層中應力點A與煤柱微區段邊界間的垂直夾角；Y為煤柱微區段至煤柱右邊界的距離；r為應力點A至煤柱微區段的徑向距離；dθ則為應力點A與微區段兩邊界垂直夾角的增量。

為方便計算同時又不失問題分析的準確性[10-11]，這里就煤柱承受均布載荷q0條件下的頂板巖層受力進行分析，計算得到煤柱下部巖層應力大小[12]為

(1)

式中，σx，σy，τxy分別為巖層應力點A處的垂直應力、水平應力以及剪應力分量；q0為煤柱承受的均布載荷；θ1，θ2分別為應力點A與煤柱兩邊界位置的豎直夾角。

由式(1)可以看出，煤柱均布載荷作用下的巖層應力大小主要取決于煤柱應力的承載特征以及巖層應力點位置。煤柱下方巖層內不同位置處的應力大小有所不同，且隨著煤柱受力的增加而線性增加。

根據圖4中的幾何關系可知，巖層應力點A至煤柱邊界的豎直夾角與A點坐標的關系滿足如下關系

(2)

式中，xA，yA分別為巖層應力點A的縱坐標與橫坐標；a，b分別為坐標原點至煤柱右邊界與左邊界位置的距離。

同忻煤礦侏羅系14號煤層開采后，采空區煤柱承載應力較為集中[13-14]，但經長時間的穩定平衡，采空區區段煤柱上的載荷已趨于均勻分布狀態。為方便計算，采空區邊界煤柱受力采用分段均布載荷進行逼近，建立侏羅系14號煤層下部巖層的承載模型如圖5所示。

圖5中，坐標原點取在邊界煤柱的右邊界；M1與M2區為14號煤層8202工作面邊界煤柱，經長時間的穩定平衡，M1區煤柱受力為q0，M2區煤柱受力為λ1q0，其中λ1為應力集中系數，q0為煤層原巖應力，兩區域寬度分別為l1與l2；C1區為8202工作面采空區，采空區煤巖受力為λ0q0，λ0為應力集中系數，采空區寬度為l3；同理，M3與M4區為采空區留設的區段煤柱，由于結構的對稱性，兩煤柱受力都取為λ2q0，應力集中系數為λ2，區段煤柱寬度分別為l4與l6；C2區為侏羅系8204工作面采空區，采空區煤矸受力同樣取為λ0q0，采空區寬度為l5。

圖5 14號煤層下部巖層受力模型Fig.5 Lower strata force model of No.14coal seam

根據侏羅系煤層不同區域條件下的巖層受力與幾何特征，列出14號已采煤層不同區域的受力以及各區域兩端至坐標原點的距離a，b，見表2。

表214號煤層不同區域的承載與幾何參數
Table2LoadandgeometricparametersofthedifferentareasofNo.14coalseam

項目M1M2C1M3C2M4qq0λ1q0λ0q0λ2q0λ0q0λ2q0al1l1+l2l1+l2+l3l1+l2+l3+l4l1+l2+…+l5l1+l2+…+l6b0l1l1+l2l1+l2+l3l1+l2+l3+l4l1+l2+…+l5

根據大同礦區侏羅系煤層賦存條件與受力特點[15]，同忻煤礦侏羅系14號煤層工作面長度平均為150m，留設區段煤柱為20m，邊界煤柱80m；數值分析得到侏羅系煤層開采后，經長時間的穩定平衡，煤巖應力約7.5MPa；考慮煤層開采后不同區域內的應力分布特點[16]，采空區煤巖應力集中系數取為0.9，邊界煤柱應力集中系數取1.4，區段煤柱應力集中系數取2.0。參照表1中相關參量，聯立式(1)與式(2)，得到侏羅系14號煤層采空區與留設煤柱對下部巖層應力分布的影響，如圖6所示。

圖6 巖層垂直應力、水平應力和剪應力分布特征Fig.6 Rock vertical,horizontal and shearing stress distribution

圖6(a)為14號煤層留設煤柱對下部巖層垂直應力分布的影響。由圖可見，巖層內的垂直應力主要集中在相應的留設煤柱下方，且邊界煤柱向下的應力集中影響區深度約40m，寬度影響范圍20～30m，應力集中區最大垂直應力約10.5MPa；采空區區段煤柱應力集中區深度約70m，寬度影響范圍20～50m，應力集中區最大應力約13.9MPa，約為邊界煤柱最大應力的1.3倍。煤柱下部的集中應力影響區基本呈狹長條帶狀分布，而采空區下部巖層中的應力變化不大。

由圖6(b)可以看出，由于采空區的影響，導致煤柱下方集中水平應力開始向采空區側轉移，使得煤柱下部的水平集中應力分布范圍相對較小，巖層中水平應力分布相對均勻。此時，邊界煤柱向下的水平應力集中區深度僅20m左右，寬度影響范圍20m，最大水平應力約10.5MPa；區段煤柱水平應力集中區深度在30m左右，寬度影響范圍約20～60m，應力集中區最大應力約13.5MPa，約為邊界煤柱最大水平應力的1.3倍。整個巖層內的平均水平應力約為6.1MPa，向下的影響深度保持在50～70m，影響范圍與采空區寬度相當。

由圖6(c)可以看出，煤柱下方的剪應力分布特征明顯區別于煤柱下方的垂直應力與水平應力分布。剪應力分布范圍較廣，影響深度達到180m左右，但應力值相對較小，最大剪應力位于邊界煤柱的右邊界，僅2.1MPa左右；區段煤柱下部最大剪應力約1.9MPa，位于區段煤柱兩邊界位置。可見，石炭系煤層開采主要受上覆巖層留設煤柱剪應力的影響，且最大剪應力影響位于石炭系煤層切眼位置處，但應力值相對較低。同時還可看出，采空區煤柱下的剪應力近于反對稱分布形式，根據力的相互作用原理，可以推測石炭系煤層推進至采空區煤柱下方，當煤層采動波及到侏羅系煤層時，采空區留設煤柱易趨于剪切破壞形式。

綜上分析可知，侏羅系14號煤層開采后，采空區留設煤柱的水平與垂直應力較高，從而導致彈塑性能的大量積聚，但波及范圍較小，僅40～70m，相對于雙系煤層間距150～200m而言，侏羅系煤層采空區煤柱應力還不足以影響下部煤層開采；煤柱剪應力波及范圍較廣，但應力值卻相對較低。由此可見，同忻煤礦石炭系3-5號煤層8105工作面推進至煤柱邊界位置附近的強礦壓顯現并不完全由煤柱應力影響這一單一因素所決定。

3 工作面頂板垮裂帶高度實測

通過利用煤層頂板垮裂帶中充填物的不同進而引起巖層電導率差異的原理，采用EH-4大地電磁法對8105工作面頂板垮裂情況進行監測。EH-4雙源型電導率成像系統，如圖7所示。

圖7 EH-4電磁成像系統Fig.7 EH-4electromagnetic imaging system

采用EH-4電磁成像系統對石炭系煤層8105工作面頂板垮裂帶范圍進行實測分析。測線布置在臨近侏羅系煤層8202工作面邊界煤柱左邊界對應的地表位置，測線長度180m，測點18個，如圖8所示。

圖8 電磁成像系統測線布置Fig.8 The measuring line layout of the electrom-agnetic imaging system

具體實測方案為：

(1)8105工作面推近測線前(距測線15～20m)，首先對煤巖實體進行前期觀測，分析采動影響前的煤巖賦存特征；

(2)工作面推過測線后(距測線5～15m)，對8104放頂煤工作面采空區冒落情況進行中期觀測，分析工作面推過后不久時的頂板垮裂形態及范圍；

(3)采空區冒落頂板經長時間(約1.2a)的穩定與平衡，對原測線進行后期觀測，分析采空區頂板經長時間穩定后的賦存狀態；

通過對測線位置附近煤巖賦存狀態的觀測，得到了工作面推進不同時期的煤巖賦存特征，如圖9所示。圖9中，黑色雙虛線為石炭系3-5號煤層位置，實曲線為實測煤巖電阻率等值線，圖中坐標為實測相對標高(單位：m)。由圖9(a)可以看出，工作面推近測線位置前，煤巖電阻率等值線相對平滑，說明煤巖賦存狀態穩定，基本保持層狀分布，煤層頂板基本不受工作面開采影響。圖9(b)給出了工作面推過測線5～15m時的采空區頂板垮冒情況，從圖中的紅色與藍色電阻率等值線分布可以看出，采空區頂板活動程度較高區域高度約80m，斷裂帶高度約達煤層上方150～170m，說明工作面采動的影響對近距離采空區煤巖活動有較大影響，此時頂板賦存不穩定，層間運動互不協調，從而導致煤巖電阻率等值線錯落分布。從圖9(c)中可知，采空區冒落頂板經長時間的穩定平衡后，破斷頂板巖層已基本趨于穩定，此時采空區煤巖電阻率等值線呈現了均勻平滑的分布形式，說明3-5號煤層開采后，垮斷頂板經過長時間的運動調整又趨向了層狀分布狀態，但破斷后的頂板電阻率明顯區別于完整巖層的電阻率。

圖9 不同觀測階段時的煤巖賦存特征Fig.9 Occurrence characteristics of coal and rock in different stages of observation

綜上分析可知，同忻煤礦石炭系煤層8105工作面的采動影響使得采空區頂板的垮裂帶高度達到了150～170m，而侏羅系煤層采空區煤柱應力集中區深度40～70m，兩影響區域可以貫通的最大距離將達190～240m，而同忻煤礦雙系煤層間距僅150～200m。可見，石炭系煤層8105工作面推過侏羅系14號煤層8202工作面邊界煤柱時的強礦壓顯現是由于本煤層的開采導致了工作面覆巖頂板垮裂高度波及到了煤柱下方的應力影響區，影響區內積聚的較高彈塑性能突然釋放，并引起覆巖結構失穩，共同導致了采場的強礦壓顯現。

4 結 論

(1)同忻煤礦石炭系煤層工作面推過上覆侏羅系煤層采空區留設煤柱期間具有強礦壓顯現特征，其影響因素包括煤柱和石炭系煤層開采后覆巖的垮裂運動兩個方面。

(2)采空區留設煤柱具有長時間穩定平衡后的均布載荷分布特征，理論分析得到煤柱對采空區下部巖層形成的應力表達式，得到同忻煤礦侏羅系14號煤層采空區煤柱的最大應力影響深度40～70m。

(3)現場實測得到同忻煤礦石炭系煤層8105工作面采動影響范圍內的頂板垮裂帶高度為150～170m，得出石炭系煤層工作面強礦壓顯現是由“煤柱-覆巖運動”聯合作用的結果。

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MechanismofstrongpressurerevealundertheinfluenceofminingdualsystemofcoalpillarinDatongminingarea

YU Bin1,2,LIU Chang-you1,3,YANG Jing-xuan1,3,LIU Jin-rong2

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.DatongCoalMineGroupCompany,Datong037003,China;3.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

In Datong mining area,carboniferous coal seam of 8105working face under the Jurassic coal gob pillar leaving was characterized by strong pressure,with the theoretical analysis and field testing applied,the Jurassic coal mined-out area of coal pillar stress influence law and carboniferous coal seam roof collapse of crack zone was analyzed,and obtained a dual-line coal seam mining face under strong influence column of the strata “coal pillar-overburden movement” joint mechanism.It shows that the Jurassic coal gob pillar leaving in the horizontal and vertical stress is higher,up to 10.5-13.5MPa,and stress concentration zone depth of 40-70m,the shear stress spread range up 180m;The roof of 8105working face collapse crack zone height range is 150-170m;face appeared a strong pressure of coal pillar is made up of the coal pillar and coal seam roof collapse result of combined effects of crack movement.

Datong mining area;dual system of coal seam;gob pillar;strong pressure;stress influence;electromagnetic imaging

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1482

國家自然科學基金資助項目(51174192)；江蘇省研究生培養創新工程資助項目(CXLX12_0964)

于 斌(1962—)，男，黑龍江海倫人，教授級高級工程師。Tel:0352-7868878，E-mail:yubin0352@163.com

TD323

A

0253-9993(2014)01-0040-07

于 斌，劉長友，楊敬軒,等.大同礦區雙系煤層開采煤柱影響下的強礦壓顯現機理[J].煤炭學報,2014,39(1):40-46.

Yu Bin,Liu Changyou,Yang Jingxuan,et al.Mechanism of strong pressure reveal under the influence of mining dual system of coal pillar in Datong mining area[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):40-46.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1482