蘇晉波

(科興申家莊煤業(yè)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(shè)寬度煤柱所產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)對下部煤層的影響，以及下煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為下煤層開采工作面優(yōu)化設(shè)計，巷道布置、巷道超前支護(hù)提供依據(jù)，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(qū)及煤柱下的15號煤工作面為研究對象，建立數(shù)值模型，通過FLAC3D數(shù)值模擬的方法，研究在不同煤柱留設(shè)寬度下，下煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 工程概況

山西高平科興申家莊煤業(yè)位于高平市永錄鄉(xiāng)泉則頭村，設(shè)計生產(chǎn)能力120萬 t/a，當(dāng)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(qū)可采，平均煤厚2.38 m。煤層頂板為細(xì)砂料、砂質(zhì)泥巖、中砂巖，局部為粗砂巖、泥巖；底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖，局部為炭質(zhì)泥巖。煤層結(jié)構(gòu)簡單，含部分夾石，為較穩(wěn)定煤層。本文以在9號煤采空區(qū)及不同煤柱留設(shè)寬度下的15號煤為研究對象，進(jìn)行了分析。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)礦井地質(zhì)及生產(chǎn)背景，利用FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用的煤巖力學(xué)參數(shù)見表1，模型四周為輥支護(hù)，限制邊界水平位移，底部為全約束邊界，頂部為應(yīng)力邊界，施加5 MPa均勻載荷，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計算。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

2.2 煤柱留設(shè)寬度對下煤層礦壓規(guī)律的影響

對該礦9號煤層進(jìn)行開挖，研究煤柱留設(shè)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(jié)論。

表2 不同煤柱留設(shè)寬度煤柱穩(wěn)定性情況表

對15號煤層分步開挖，研究不同煤柱留設(shè)寬度條件下工作面由煤柱下前方推進(jìn)至煤柱下后方的采場支承壓力變化規(guī)律，設(shè)定工作面為從煤柱左側(cè)向右側(cè)推進(jìn)。

1) 當(dāng)煤柱為10 m時，可得下煤層工作面豎直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化情況。從數(shù)據(jù)可知，工作面推進(jìn)至煤柱左側(cè)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(yīng)力集中區(qū)連接在一起；工作面推進(jìn)至煤柱左側(cè)5 m時，工作面支承壓力峰值達(dá)到25 MPa，此后直至煤柱右側(cè)5 m，下煤層工作面支承壓力形成一個隨工作面推進(jìn)的動態(tài)應(yīng)力集中區(qū)，且區(qū)域逐漸減小，到煤柱右側(cè)5 m時，集中區(qū)已經(jīng)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(fā)生破壞，故應(yīng)力峰值有所降低，當(dāng)工作面推進(jìn)至該范圍時，應(yīng)加快工作面推進(jìn)速度，適當(dāng)降低支架高度即可通過[1]。

2) 當(dāng)煤柱為20 m時，可得下煤層工作面豎直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律。從數(shù)據(jù)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至煤柱左側(cè)10 m時，上煤柱的應(yīng)力降低，工作面前方壓力開始升高；從推進(jìn)至煤住左邊到其正下方，下煤層工作面支承壓力集中區(qū)與上煤層煤柱的應(yīng)力集中區(qū)貫通，且應(yīng)力集中區(qū)范圍指增大；此后，至工作面推進(jìn)至煤桿右側(cè)壓力才有所降低，到煤柱右側(cè)10 m下煤層工作已完全擺脫上方煤柱的影響[2]。

3) 當(dāng)煤柱為40 m時，可得下煤層工作面豎直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律。從數(shù)據(jù)可知，工作面推進(jìn)至煤左側(cè)10 m時，工作面前方支承壓力開始升高，推進(jìn)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(jìn)，前方支承壓力一直處30 MPa水平，到煤柱中心正下方達(dá)到最大。在推進(jìn)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(xiàn)場實測分析

對8901工作面與9號煤層采空區(qū)保護(hù)煤柱現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場測量。工作面共設(shè)3個測區(qū)：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(jìn)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(qū)下方，支承壓力一般比較低；在推進(jìn)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(dá)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(chǎn)生應(yīng)力集中疊加，使工作面壓力增大，支承壓力升高區(qū)一直持續(xù)到工作面推進(jìn)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(qū)的應(yīng)力降低區(qū)，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(xiàn)為增大趨勢，工作面進(jìn)入30 m煤柱燃響區(qū)，該階段與25 m煤柱影響區(qū)的礦壓規(guī)律基本一致，支承壓力升高均發(fā)生在煤柱方5 m～10 m，降低發(fā)生在煤柱投影區(qū)內(nèi)距右側(cè)邊緣5 m～10 m位置，這與之前數(shù)值分析及理論分析結(jié)果是一致的。

4 結(jié)論

通過對于申家莊煤礦的初步模擬結(jié)果分析，可得到如下結(jié)論：

1) 煤柱寬度為10 m時，煤基本發(fā)生破壞，其承受的高應(yīng)力傳遞至周圍采空區(qū)，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(jìn)至煤柱前方5 m～15 m時開始進(jìn)入煤柱池的應(yīng)力集中區(qū)，推進(jìn)至超過煤5 m左右，應(yīng)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(jìn)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(hù)措施以應(yīng)對工作面礦壓顯現(xiàn)。

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(dāng)工作面推進(jìn)煤柱右側(cè)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(qū)之下的應(yīng)力降低區(qū)，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(xiàn)在煤柱中心線的左側(cè)，煤柱中心線右側(cè)不再對工作面礦壓造成影響[4]。