煤礦分層開采煤柱護巷方式數值模擬研究

齊 全

(汾西礦業集團 中興煤業，山西 交城 030500)

1 工程地質概況

某礦某采區走向長變化較大，為500 ～800 m，傾斜長520 m.9#煤有9上和9下兩層煤，中間有0.00 ～2.00 m 夾石，厚度變化在0.60 ～2.60 m，夾石平均厚度為1.5 m，9上煤層平均厚度為1.5 m，9下煤層平均厚度為1.25 m.共分4 個區段，分別是:東一區段、東二區段、東三區段、東四區段，其中首采面為東一面即東一區段。9#煤上煤層采區平面圖見圖1.煤層傾角變化在15° ～26°，平均傾角17°.9#煤煤層為半亮－半暗型，條帶狀結構，階梯狀斷口，局部為粒狀結構，煤質較好，硬度較大，屬中硬煤。

圖1 9#煤上煤層采區平面圖

2 數值模型的建立

某礦9#煤上層煤采用走向長壁開采，根據地質條件和煤巖條件等建立Ⅰ－ Ⅰ'剖面模型，見圖2.Ⅰ－Ⅰ'剖面模型為長560 m×寬200 m. 根據工作面頂底板的圍巖力學特征，模型高度為200 m，上邊界設定為+850 m，下邊界設定為為+650 m. 在模擬過程中，取上層未開采時和開采后(見圖2)兩種情況進行模擬，煤柱取10 m 和4 m(無煤柱)兩種情況。

圖2 Ⅰ－Ⅰ'剖面模型圖(9#煤上層煤已采完)

為了更好地呈現上層煤層開采對下層巷道應力分布的影響，建立以下3 種局部模型進行計算:

1)上下層都留10 m 區段煤柱模型(見圖3a).

2)上層留10 m 區段煤柱，下層留4 m 區段煤柱模型(圖3b).

3)上下層都留4 m 區段煤柱(無煤柱)模型(圖3c).

局部模型取東1 工作面和東2 工作面之間的區段煤柱為中心，計算模擬煤柱下方巷道的應力變化，為減小模型邊界效應的影響，模型寬度取100 m，高度取60 m.

在模擬預留設4 m 煤柱開采時，煤柱會發生破壞，因此，在模擬時要對4 m 煤柱進行弱化處理，使其能達到破壞效果。

圖3 上下層不同煤柱寬度模型圖

模型中各煤巖層的物理力學參數以現場地質調查和相關研究提供的煤巖體力學試驗結果給定，如果沒有實驗數據，則根據經驗和類比方法按統計數據的平均值來考慮，煤巖物理力學參數見表1.

表1 模型各巖層的力學參數表

計算模型邊界條件確定如下:

1)模型左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零。2)模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移均為零。3)模型頂部為自由邊界。

3 計算結果分析

3.1 上層煤開采后煤柱對下層煤的應力分布影響

1)煤柱取10 m 時，9#煤上煤層采空后的垂直應力分布見圖4. 由于9上煤層煤柱兩側為采空區，在煤柱兩側附近形成應力集中，煤柱上的垂直應力呈馬鞍型分布，煤柱兩側均有一定寬度的塑性破壞區。煤柱下方一定范圍內的9下煤層應力增大，由12.5 ～13.5 MPa 增大到15 ～27.5 MPa，影響范圍約16 m，采空區下方的9下煤層應力減小，變為12.5 MPa以下。

2)煤柱取4 m 時，由于9上煤層煤柱兩側為采空區，在區段煤柱兩側形成應力集中，煤柱上垂直應力呈拱型分布，煤柱兩側塑性區破壞區連通，煤柱失去核區，煤柱中心應力大于煤柱極限強度，煤柱失去穩定，發生破壞，應力集中程度減小。煤柱下方一定范圍內的9下煤層應力增大，由原來的12.5 ～13.5 MPa 增大到12.5 ～20 MPa，影響范圍約6.5 m，采空區下方的9下煤層應力減小，變為12.5 MPa 以下。

圖4 10 m 煤柱時9#煤上煤層采空垂直應力分布圖

3.2 上層煤開采后對下層巷道的應力分布影響

1)當上、下層都留10 m 煤柱時，上層煤采空后，煤柱下方巷道應力分布情況見圖5a).上層煤柱兩側采空，在煤柱兩側形成應力集中區，煤柱下方布置的巷道受到煤柱影響，巷道兩幫應力較高，達到15 ～20 MPa，巷道頂、底板應力為12.5 ～17.5 MPa. 當模型下層東1 工作面采空時，煤柱下方巷道應力分布情況見圖5b).受采空區的影響，上層煤柱兩側應力峰值有所增大，煤柱下方巷道兩幫應力也略微增大，變為15 ～22.5 MPa，增大了2.5 MPa，巷道頂、底板應力無明顯變化。

2)當上層留10 m 煤柱，而下層留4 m 煤柱，上層煤柱兩側采空，本應在煤柱兩側形成應力集中區，但由于下層4 m 煤柱發生破壞，使上層10 m 煤柱右側的應力集中程度降低，相應煤柱下方布置的巷道也受到影響，巷道左側應力較高，達到15 ～25 MPa，而巷道右側和頂、底板應力只有12.5 ～17.5 MPa.當模型下層東1 工作面采空時，受采空區的影響，上層煤柱左側應力峰值有所增大，煤柱下方巷道左側應力明顯增大，變為15 ～30 MPa，增大了5 MPa，巷道右側和頂、底板應力無明顯變化。

4 結 論

圖5 上、下層都留10 m 煤柱模型應力分布圖

1)9#煤上煤層留設10 m 煤柱時，煤柱兩側應力集中程度較高，對下層煤的應力變化影響較大，而且影響范圍也比較大;而上煤層留設4 m 煤柱(無煤柱)時，由計算結果可知煤柱失去穩定性，發生破壞，煤柱應力集中程度降低，對下層煤的應力變化影響變小，影響范圍也比較小。

2)9#煤上、下煤層都留10 m 時，煤柱下方巷道兩側應力較大，受采動影響變化也較大，頂、底板應力略低，受采動影響變化小;9#煤上煤層留10 m 煤柱，而下煤層留4 m(無煤柱)時，煤柱下方巷道左應力較大，而且受采動影響變化較大，巷道右側和頂、底板應力略低，受采動影響變化小;9#煤上、下煤層都留4 m時，由于煤柱發生破壞，煤柱下方巷道頂板和左側應力較大，頂、底板應力略低，巷道左側受采動影響變化較大，而頂、底板和右側受采動影響變化小。

3)通過對比分析，留設4 m 煤柱(無煤柱)時，由于煤柱發生破壞，應力集中程度降低，影響范圍較小，受采動影響變化也較小，因此，選用上、下煤層都留設4 m 煤柱(無煤柱)進行開采。

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