煤層群開采合理工作面煤柱錯距數值計算

劉 輝，陳 菲，馮 雄

(陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

淺埋煤層群開采時上煤層區段煤柱形成集中應力，造成下區段巷道支護困難，影響生產安全[1-3]。此外，煤層群開采導致地表裂隙發育，嚴重破壞生態環境[4-6]。相關研究表明：地表拉裂隙主要源于遺留煤柱造成的非均勻沉降，而非均勻沉降將導致出現拉應力區，形成拉裂縫及集中應力[7-9]。

為了揭示煤層群開采煤柱集中應力與地表下沉破壞的耦合控制關系，文中以檸條塔煤礦淺埋煤層群開采為背景，采用UDEC軟件計算確定工作面區段煤柱合理錯距和同采工作面合理錯距。

1 工作面條件

研究區域位于檸條塔煤礦北翼東區的北翼盤區，主采煤層3層，分別為1-2煤層、2-2煤層和3-1煤層。礦井目前開采1-2煤層和2-2煤層，下部3-1煤層暫未開采。北翼盤區1-2煤層的厚度為0.85～2.16 m，平均1.64 m，采用一次采全高綜采設備開采，工作面采用兩柱掩護式液壓支架進行支護。1-2煤層綜采工作面日產量5 000 t左右。北翼盤區2-2煤層厚度為1.00～6.47 m，平均4.51 m，采用一次采全高大采高設備開采，選用綜采設備最大采高為5.8 m。工作面采用兩柱掩護式液壓支架進行支護。2-2煤層綜采工作面日產量在15 000 t左右。

1-2煤與2-2煤層平均間距35 m，1-2煤層埋藏深度110 m左右，薄基巖厚度70 m，松散土層厚度40 m。礦井多煤層的地層結構簡單，近水平，埋藏淺，薄基巖，厚松散層，屬于典型淺埋煤層群[10]。

2 數值模型的建立

根據檸條塔煤礦北翼東區鉆孔綜合數據，采用Mohr-Coulomb模型建立數值模型，主要煤巖力學參數見表1。模型為630 m×260 m的平面應變模型。根據煤巖力學參數構建模型并賦值，模型計算平衡后原巖應力，如圖1所示。

表1 煤巖力學參數表

圖1 計算平衡后原巖應力

3 1-2煤層與2-2煤層合理區段煤柱錯距

3.1 模型的開挖

先開采1-2煤層，左邊留設邊界煤柱60 m，開挖左側工作面，每步開挖4 m，開挖長度為245 m。留設20 m煤柱后，進行右側工作面的開采，工作面長度為245 m。

1-2煤層開采結束后，進行2-2煤層的開采，左側留設邊界煤柱60 m，進行左側工作面的開采。為研究不同區段煤柱錯距下覆巖垮落規律和地表移動規律，在保證地表達到充分采動的前提下，進行2-2煤層的回采，采高為5 m，分別模擬2-2煤層區段煤柱與1-2煤層區段煤柱重疊布置、錯距0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m布置。記錄對比不同錯距下煤柱垂直應力分布、覆巖破壞特征、地表移動規律。

3.2 不同區段煤柱錯距覆巖垮落及煤柱破壞特征

通過UDEC數值模擬得出不同煤柱錯距的破壞區，如圖2所示。可以得出：當上下煤柱錯距小于20 m時，下煤層區段煤柱處于上煤層煤柱增壓區內，導致上煤層煤柱與下煤層煤柱出現貫通破壞區，下煤層煤柱破壞嚴重，巷道支護困難。上下煤柱錯距在30～40 m時，隨煤柱錯距增加，上煤層煤柱底板破壞區與下煤層煤柱頂板破壞區逐漸分離，應力疊加區域逐漸減小。當錯距為40 m時，下煤層頂板垮落，巷道處于減壓區，煤柱穩定和巷道穩定。當上下區段煤柱錯距達到50 m時，下煤層區段煤柱處于上煤層采空區的壓實區中，下煤層區段煤柱集中應力上升，煤柱穩定性變差。

圖2 不同煤柱錯距時破壞區

3.3 不同煤柱錯距煤柱垂直應力分布規律

煤柱重疊布置或錯距小于0 m時，上下煤柱出現疊加應力，導致下煤層工作面巷道圍巖難以控制。煤柱集中應力水平分布范圍達到8 m時，應力達到20 MPa以上。隨著錯距的增大，下煤層煤柱垂直應力逐漸減小，當錯距為40 m時，煤柱應力大于20 MPa的范圍減小為3 m左右，煤柱應力分布均勻，有利于巷道維護。當錯距為50 m時，下煤層區段煤柱處于上煤層開采的壓實區中，下煤層煤柱的垂直應力有所升高，高應力范圍增大，如圖3所示。

圖3 不同錯距煤柱上的垂直應力分布規律

隨著煤柱錯距的變化，下煤層煤柱垂直應力峰值呈現先降低、后升高的變化特征，存在最佳區間。受上煤層煤柱疊加應力的影響，當煤柱重疊布置時，下煤層應力峰值最大；隨著水平錯距的增加，下煤層區段煤柱應力峰值不斷減小；當煤柱中心距為40 m時，下煤層煤柱應力峰值最小。煤柱錯距為50 m時，下煤層區段煤柱處于上煤層采空區壓實區，應力峰值又開始升高，如圖4所示。

圖4 不同煤柱錯距下層煤煤柱的垂直應力峰值

綜上所述，上下煤柱布置存在合理的錯距。煤柱錯距主要與煤層間距和上煤層煤柱集中應力傳遞角(巖層垮落角)有關，上下煤層煤柱錯距保持40 m左右較為合適。

3.4 不同煤柱錯距地表沉降規律及合理煤柱錯距確定

開采1-2煤層時，地表下沉最大值位于工作面中部，最小下沉量位于煤柱正上方；最大下沉量為1.6 m，最小下沉量為0.5 m，形成W型下沉曲線，如圖5所示。當2-2煤層工作面重疊布置或煤柱錯距0 m時，地表下沉量為5.9 m，煤柱左右地表下沉起伏和擾度最大，煤柱兩側地表拉裂縫集中，呈現明顯的W型下沉盆地。隨著錯距的增加，地表盆地的下沉梯度(撓度)逐步減小，當煤柱錯距大于40 m后，2-2煤層開采后地表下沉落差減小，地表均勻下沉。當煤柱錯距為40 m時，1-2煤層與2-2煤層煤柱開采地表下沉比較平緩，可有效地減緩地表破壞程度；同時，煤柱應力也處于最佳狀態，存在一致性，最佳煤柱錯距為40 m。

圖5 不同煤柱錯距時地表下沉量

綜上所述，通過合理的煤柱錯距布置，可以實現覆巖與地表均勻沉降，達到減緩煤柱集中應力與減輕地表裂隙的協同控制。

4 1-2煤與2-2煤煤層同采工作面合理走向錯距確定

4.1 模型的開挖

1-2煤和2-2煤左側邊界煤柱寬度為100 m，分別模擬1-2煤與2-2煤同采工作面走向錯距100 m、80 m、70 m、60 m、50 m、40 m、30 m、20 m、10 m和0 m時的開采情況，對比不同錯距下2-2煤層工作面圍巖應力分布、覆巖破壞特征及地表移動規律。

4.2 不同錯距2-2煤層工作面圍巖應力分布規律

1-2煤層工作面開采后，圍巖應力重新分布，工作面煤壁附近形成應力增高區，該區域垂直應力通過煤層傳遞至底板巖層，對底板巖層的影響成正“八”字分布。隨著工作面走向錯距減小，2-2煤層工作面受1-2煤層工作面采動影響越來越明顯。由于1-2煤層工作面開采后100 m的采空區已經壓實，2-2煤層工作面滯后100 m開采基本不受1-2煤層采動應力影響。工作面錯距減小為60～70 m時，2-2煤層工作面圍巖應力開始增大。當走向錯距小于30 m時，2-2煤層與1-2煤層圍巖應力疊加，上下煤層工作面相互影響嚴重，礦壓顯現劇烈。隨著工作面錯距的減小，2-2煤層工作面超前支承壓力峰值不斷增大，如圖6所示。

圖6 2-2煤層工作面超前支承壓力峰值曲線

綜上所述，結合2-2煤層、1-2煤層工作面圍巖應力分布規律和2-2煤層工作面超前支承壓力峰值規律，從避免上下煤層同時開采互相影響和實現安全高產高效開采的角度出發，2-2煤層工作面與1-2煤層工作面同時開采時錯距應該大于70 m。

4.3 不同走向錯距地表走向沉降規律及合理錯距確定

數值計算得出，2-2煤層工作面與1-2煤同采工作面走向錯距分別為0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m和100 m時的地表下沉曲線，如圖7所示。

圖7 同采工作面走向不同錯距的地表下沉曲線

當2-2煤層和1-2煤層工作面達到充分采動的情況下，不同走向錯距的地表最大下沉量基本相同，平均為5.1 m左右。不同走向錯距條件下，推進方向地表下沉盆地邊緣的下沉曲線撓度差別較大，即地表平行裂隙的發育程度不同。

當工作面走向錯距小于40 m時，地表下沉曲線撓度較大，下降梯度平均為4.15 cm/m，地表受集中拉應力影響較大，地表平行裂縫最大。當走向錯距為 50～70 m時，地表下沉曲線撓度有所減緩，下沉梯度為3.75 cm/m。當走向錯距為 80～100 m時，地表下沉曲線撓度很小，下沉梯度平均2.63 cm/m。

因此，當2-2煤層工作面與1-2煤層工作面走向錯距大于80 m時，能夠有效減小采空區平行裂縫發育程度。

5 結論

(1)2-2煤層煤柱垂直應力隨傾向錯距的增加，出現V型分布，存在最佳區間。當煤柱重疊布置時，下煤層應力峰值最大；當煤柱錯距40 m時，下煤層煤柱應力峰值最小；煤柱錯距大于50 m后，下煤層煤柱處于上煤層采空區壓實區，應力峰值又開始升高。

(2)當2-2煤層與1-2煤層工作面區段煤柱錯距大于40 m時，煤柱上方地表下沉撓度較小，可以避免地表邊界裂隙(縫)發育，有利于減緩地表破壞程度。因此，基于兼顧避免地下煤柱應力集中和減緩地表裂隙原則，區段煤柱錯距40 m左右最佳。

(3)2-2煤層與1-2煤層同采工作面隨著走向錯距增大，上下工作面互相影響減小。當工作面走向錯距大于70 m時互相影響較小，當走向錯距小于30 m時應力疊加影響嚴重。

(4)2-2煤層和1-2煤層工作面充分采動時，不同走向錯距的地表最大下沉量相同，為5.1 m。但不同走向錯距下，煤壁上方的地表下沉撓度不同，地表平行裂隙發育程度不同。當工作面走向錯距小于40 m時，地表下沉撓度最大，當工作面走向錯距大于80 m時地表下沉曲線平緩。因此，2-2煤層工作面與1-2煤層工作面走向錯距應大于80 m。