近距離煤層群煤柱下采動應力分布特征研究

張廷院 周軍順 張國龍

(1. 棗礦集團田陳煤礦,山東省棗莊市，277500;2. 山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266590)

我國很多礦井采用下行開采方式。在煤層群開采過程中，先采上部煤層后采下部煤層，兩層煤間距較大時，上部煤層開采后形成的采空區對下部煤層開采影響較小，與單一煤層開采時礦壓規律相同。當上下兩層煤間距較小時，兩層煤之間的開采會相互影響，隨著兩層煤間距的減小，影響越來越大。下部煤層在上部煤層的采空區下進行開采，開采前上覆巖層已經發生不同程度的破壞，局部巖層發生大面積的破碎，尤其上煤層開采后殘留的區段煤柱導致底板應力集中程度高，而下煤層開采時頂板結構以及圍巖應力分布已經發生變化。因此，下部煤層開采與單一煤層開采相比，應力環境更加復雜。下煤層在開采過程中，工作面頂板易發生冒頂事故，當裂隙發育到上部煤層時，易發生工作面漏風、瓦斯突出等災害。

本文結合鮑店煤礦六采區近距離煤層群開采具體條件，運用FLAC3D數值模擬，研究煤柱下近距離煤層群采動應力分布規律，為類似地質條件下安全高效開采提供依據。

1 工程地質概況

鮑店煤礦六采區北翼存在2#煤層和3#煤層，兩層煤的間距為19.9 m，屬于近距離煤層。六采區北翼煤層部分可采，導致2#煤層存在較多的殘留煤柱，且形狀不規則。2#煤層開采完畢殘留煤柱，導致2#煤層采空區邊緣形成高應力，3#煤層開采受2#煤層殘留煤柱影響較大。在2#煤層的影響下，3#煤層在開采前已經處于高應力狀態，此外，在多種應力疊加影響下，3#煤層開采過程中極易發生沖擊地壓。

2 數值模擬模型

以6202、6203工作面為研究對象，模擬六采區北翼2#煤層采空區邊界對3#煤層開采的影響，模型尺寸為392 m×336 m×71.3 m。以實際綜合柱狀圖為依據，建立數值模型，網格模型如圖1所示，煤巖物理力學參數見表1。2#煤層采空區與3#煤層工作面的關系及分析測線位置如圖2所示。

圖1 數值模型網格劃分

巖性厚度/m密度/kg·m-3體積模量/1010Pa剪切模量/1010Pa內聚力/106Pa內摩擦角/(°)砂巖8260026807272278砂質頁巖2126000860572536砂巖22600268072722782#煤層1213500908325頁巖38825600880435141砂巖146260026807272278頁巖142256008804351413#煤層813500908325頁巖2225600880435141砂巖9260026807272278

圖2 2#煤層采空區與3#煤層工作面位置關系

3 數值模擬結果分析

3.1 3#煤層開采前頂板應力分布

2#煤層6202和6203工作面開采后留設殘留煤柱，6304工作面開采過程中受到殘留煤柱的影響，其影響方式有兩種：一是工作面由煤柱下開采逐漸向采空區推進；二是工作面從采空區下逐漸向煤柱推進。

2#煤層采空區和不規則煤柱會對3#煤層頂板的初始應力狀態造成影響，測線位置2#煤層煤柱集中應力在底板中分布特征如圖3所示，3#煤層開采前直接頂的應力分布狀態如圖4所示。

由圖3可以看出，在豎直方向上，當2#煤層大面積采空而又留設煤柱時，煤柱上會有高應力集中區的出現，應力集中系數達到了5.7。隨著應力在底板中的衰減，能量在底板中被吸收，當應力傳遞到3#煤層時，應力減小到14～18 MPa。由圖4可知，由于2#煤層煤柱集中應力的作用在煤柱下方出現了應力集中區，且煤柱凸角下的應力以及影響范圍遠大于其他位置。

圖3 2#煤煤柱集中應力在底板中分布特征

圖4 6304工作面開采前的直接頂應力分布云圖

3.2 3#煤層工作面開采過程中的支承壓力變化規律

由于2#煤層煤柱對3#煤層工作面的影響方式不同，分別模擬3#煤層工作面進采空區和出采空區兩種方式情況下，工作面不同位置支承壓力變化特征。

3.2.1工作面由煤柱下向采空區下推進支承壓力分布規律

工作面開采由煤柱下開采向采空區逐漸推進時，不同開采位置支承壓力變化如圖5所示。由圖5可知，當工作面不斷接近2#煤層采空區時，支承壓力表現出增大的趨勢。當工作面距煤柱距離較遠時，工作面上下兩端應力分布基本一致，說明距離煤柱較遠時應力分布受煤柱影響較小。隨著工作面臨近殘留煤柱，工作面上下兩端應力狀態發生顯著變化，當工作面距煤柱邊界60 m時，煤柱凸角處應力集中明顯，工作面下端支承壓力明顯大于下端。隨著工作面與煤柱之間的距離不斷減小，2#煤層采空區卸壓效應明顯，當工作面上端開始進入煤柱影響區，上端支承壓力峰值減小，約為下端支承壓力峰值的1/2。

圖5 工作面推進到不同相對位置時的應力分布云圖

3#煤層工作面推進過程中煤壁前方塑性區發展變化狀態如圖6所示。棕色區域代表現在單元體處于塑性狀態，紅色區域代表單元體曾經處于塑性區，現在正逐漸向彈性區恢復，藍色代表彈性區。工作面上端距離煤柱邊界30 m，以此類推當工作面推進50 m、60 m、70 m時，工作面上端距2#煤柱邊界B 20 m、10 m、0 m。由圖6可知，當工作面推進40 m、50 m時，受2#煤層煤柱的影響工作面上端的塑性區略微多于工作面下端。隨著工作面的繼續推進，工作面下端的塑性區范圍不斷擴大，工作面下端開始受到2#煤層凸角應力集中區的影響。當工作面推進70 m時，此位置在工作面上端處于采空區邊緣正下方，處在2#煤層的卸壓區內，工作面上端的單元體塑性區范圍減小，而工作面下端的塑性區已和凸角下的煤體破壞區相連，破壞深度較大，如果此時煤體出現突然破壞則可能會造成沖擊地壓事故。當工作面推進100 m時，3#煤層底板的壓力更多集中在工作面下端，造成工作面下端出現大量塑性破壞區，破壞范圍擴大，但是單元體處向彈性轉變過程中，且支承壓力峰值向深部轉移。當工作面繼續推進，破壞單元進一步增加，但是破壞單元在工作面上端和下端的分布趨于均勻，說明在此位置集中應力向工作面上端轉移，工作面上端開始承受部分頂板集中應力。

圖6 3#煤層工作面推進過程煤壁前方塑性發展變化情況

3.2.2工作面由采空區下進入煤柱下支承壓力分布規律

工作面由采空下逐漸推進到殘留煤柱下時的應力分布云圖、支承壓力分布特征分別如圖7和圖8所示。

圖7 工作面推進到不同相對位置時的應力分布云圖

圖8 工作面推進到不同位置時測線上的支承壓力分布情況

由圖7和圖8可知，工作面由煤柱邊緣處進入煤柱下方開采時，支承壓力峰值顯著升高，在工作面煤壁與2#煤層煤柱邊界重疊和推進到煤柱內側0 m兩種情況下，最大應力集中系數分別達到5.66、5.97，煤柱應力疊加非常明顯，但支承壓力明顯影響范圍較小。工作面臨近煤柱時應力分布特征見表2。

表2 工作面臨近煤柱時應力分布特征

綜合以上分析可知，在兩種工作面推進方式下，受2#煤煤柱影響以及工作面支承壓力疊加作用，支承壓力峰值較高。因此，上層煤柱應力變化影響范圍將是沖擊地壓的危險區域。

4 結論

(1)2#煤層局部可采，開采中留有部分煤柱，在殘留煤柱影響下，3#煤層未采掘之前應力集中程度較高，應力集中系數達到1.94，殘留煤柱超前支承壓力明顯影響范圍達到50 m。

(2)當工作面推進方式為由煤柱下向采空區逐漸推進時，應力集中程度高，超前應力影響范圍廣，受煤柱影響應力疊加范圍為60 m(即距煤柱邊界60 m)，應力集中系數達到5.68，是開采過程中重點防治區域，防止沖擊地壓的發生。

(3)當工作面推進方式為由采空區下向煤柱逐漸推進時，當工作面逐漸臨近采空區時，超前支承壓力峰值逐漸增大，但超前影響范圍逐漸減小。

(4)工作面從采空區下推進到煤柱時，工作面支承壓力集中系數達5.66～5.97，應力集中系數高，影響范圍較小，也是沖擊地壓的危險區域。

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