煤層群開采煤柱留設寬度對下部煤層礦壓規律分析

蘇晉波

(科興申家莊煤業有限公司，山西 高平 048400)

引 言

研究上部煤層開采后不同煤柱留設寬度煤柱所產生的應力集中區對下部煤層的影響，以及下煤層開采礦壓顯現規律，為下煤層開采工作面優化設計，巷道布置、巷道超前支護提供依據，對煤層群的安全高效開采具有重要意義。本文以在9號煤采空區及煤柱下的15號煤工作面為研究對象，建立數值模型，通過FLAC3D數值模擬的方法，研究在不同煤柱留設寬度下，下煤層開采的礦壓顯現規律。

1 工程概況

山西高平科興申家莊煤業位于高平市永錄鄉泉則頭村，設計生產能力120萬 t/a，當前主要開采9號煤和15號煤。各個煤層的煤塵都具有爆炸性，自燃傾向性為容易自燃煤層。其中15號煤層位于9號煤層下，煤層間距為23.97 m～33.59 m，平均間距為28.19 m，全區可采，平均煤厚2.38 m。煤層頂板為細砂料、砂質泥巖、中砂巖，局部為粗砂巖、泥巖；底板為砂質泥巖、泥巖、細砂巖，局部為炭質泥巖。煤層結構簡單，含部分夾石，為較穩定煤層。本文以在9號煤采空區及不同煤柱留設寬度下的15號煤為研究對象，進行了分析。

2 FLAC3D數值模擬

2.1 模型的建立

根據礦井地質及生產背景，利用FLAC3D軟件進行了數值模擬，采用的煤巖力學參數見表1，模型四周為輥支護，限制邊界水平位移，底部為全約束邊界，頂部為應力邊界，施加5 MPa均勻載荷，采用Mohr-Coulomb屈服準則進行計算。

表1 煤巖力學參數

2.2 煤柱留設寬度對下煤層礦壓規律的影響

對該礦9號煤層進行開挖，研究煤柱留設寬度分別為10 m、20 m，40 m時煤柱周圍支承壓力分布特征，得到表2所示的結論。

表2 不同煤柱留設寬度煤柱穩定性情況表

對15號煤層分步開挖，研究不同煤柱留設寬度條件下工作面由煤柱下前方推進至煤柱下后方的采場支承壓力變化規律，設定工作面為從煤柱左側向右側推進。

1) 當煤柱為10 m時，可得下煤層工作面豎直應力隨工作面推進的變化情況。從數據可知，工作面推進至煤柱左側15 m時，工作面前方形成較小支承壓力集中，且與上煤層殘留煤柱形成的應力集中區連接在一起；工作面推進至煤柱左側5 m時，工作面支承壓力峰值達到25 MPa，此后直至煤柱右側5 m，下煤層工作面支承壓力形成一個隨工作面推進的動態應力集中區，且區域逐漸減小，到煤柱右側5 m時，集中區已經很小，此后幾乎不再受其影響。由于10 m煤柱長期塑性流動已至煤柱發生破壞，故應力峰值有所降低，當工作面推進至該范圍時，應加快工作面推進速度，適當降低支架高度即可通過[1]。

2) 當煤柱為20 m時，可得下煤層工作面豎直應力隨工作面推進變化規律。從數據可知，當工作面推進至煤柱左側10 m時，上煤柱的應力降低，工作面前方壓力開始升高；從推進至煤住左邊到其正下方，下煤層工作面支承壓力集中區與上煤層煤柱的應力集中區貫通，且應力集中區范圍指增大；此后，至工作面推進至煤桿右側壓力才有所降低，到煤柱右側10 m下煤層工作已完全擺脫上方煤柱的影響[2]。

3) 當煤柱為40 m時，可得下煤層工作面豎直應力隨工作面推進變化規律。從數據可知，工作面推進至煤左側10 m時，工作面前方支承壓力開始升高，推進至煤柱下方時，壓力明顯升高，為25 MPa～30 MPa。之后，隨工作面推進，前方支承壓力一直處30 MPa水平，到煤柱中心正下方達到最大。在推進至煤柱右邊界時，壓力逐漸降低，此后，工作面基本不再受上方煤柱的影響[3]。

3 現場實測分析

對8901工作面與9號煤層采空區保護煤柱現場進行現場測量。工作面共設3個測區：上部(6號，17號、28號)，中部(39號、50號、55號)，下部(60號、71號、83號)。工作面正常進期間支架阻力一般處在3 000 kN～4 000 kN間，28號架在6 000 kN左右，說明工作面處于煤層采區下方，支承壓力一般比較低；在推進至煤柱前方25 m時，各支架阻力均有不同程度增高，共中17號支架工作阻力驟升至8 000 kN，其他支架也都達到5 000 kN，說明受上部殘留煤柱影響，工作面前方支承壓力與煤柱產生應力集中疊加，使工作面壓力增大，支承壓力升高區一直持續到工作面推進至75 m位置。

從75 m至170 m，工作面支架工作阻力變化不大，這是因為工作面處于上煤層采空區的應力降低區，工作面周期來壓時其本頂巖塊傳遞給工作面煤的力較一般工作面小。從170 m開始，工作面支架阻力表現為增大趨勢，工作面進入30 m煤柱燃響區，該階段與25 m煤柱影響區的礦壓規律基本一致，支承壓力升高均發生在煤柱方5 m～10 m，降低發生在煤柱投影區內距右側邊緣5 m～10 m位置，這與之前數值分析及理論分析結果是一致的。

4 結論

通過對于申家莊煤礦的初步模擬結果分析，可得到如下結論：

1) 煤柱寬度為10 m時，煤基本發生破壞，其承受的高應力傳遞至周圍采空區，對下煤層開采影響較小。

2) 煤柱寬度為20 m，40 m時，工作面推進至煤柱前方5 m～15 m時開始進入煤柱池的應力集中區，推進至超過煤5 m左右，應力開始下降。

3) 對于上方殘留煤柱大于20 m的下煤層工作面，在推進至煤柱邊緣正下方及之后5 m～10 m范圍，需要對工作面采場及回采巷道采取特殊支護措施以應對工作面礦壓顯現。

4) 下煤層工作血在面過層殘巖煤中心線之后，工作面前方支示壓力開始逐下降。當工作面推進煤柱右側邊緣正下方及以后位置時，工作面已擺脫上層煤柱的影響，處于上煤層的采空區之下的應力降低區，說明工作面上方的或留煤柱對下煤層工作面礦壓的影響僅出現在煤柱中心線的左側，煤柱中心線右側不再對工作面礦壓造成影響[4]。