房柱式采空区顶板垮落冲击对下层煤开采的影响评估研究

孙万明，于秋鸽，刘 贵

（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013）

0 引言

20 世纪80 年代，部分地区煤矿开采以房柱式“以掘代采”开采方式为主，房柱式采空区的存在为矿井后续生产带来诸多安全隐患[1]。对于同煤层的房柱式采空区，主要有水、火、有毒有害气体、矿震等灾害，一般采取隔离、监测等方式进行灾害防治，相关研究以采空区范围探测、稳定性评估、顶板垮落空气冲击强度分析、采空区密闭墙设计方法等为主[2-7]。对于下层煤的房柱式采空区，主要考虑采空区顶板垮落对上层煤开采的影响及蹬空开采的可行性，相关研究以房柱式采空区煤柱稳定性、蹬空开采可行性为主[8-10]。对于上层煤的房柱式采空区，除了考虑水、火、气体、矿震等波及下层煤开采区的影响以外，还存在房柱式采空区垮落对下层煤顶板压力的影响问题，相关研究以房柱式采空区顶板冲击来压强度、矿压显现规律、顶板控制技术等为主[11-16]。

当煤层间距较小时，上层房柱式采空区遗留煤柱集中应力及其顶板垮落对下层煤顶板压力影响明显，提高了下层煤顶板管理难度。当煤层间距较大时，两层煤之间的相互影响将有所减弱，影响程度可根据上层煤煤柱失稳引起的顶板垮落对底板的影响范围与下层煤开采顶板破坏范围之间的空间关系进行分析。

某煤矿在5-2煤层进行长壁综合机械化采煤，而上方的3-1煤层存在房柱式采空区。为了5-2煤层工作面的正常回采，需确定工作面开采引起的3-1煤层房柱式采空区顶板垮落冲击对5-2煤层开采的影响。

本文针对两层煤地质开采条件、矿井工作面开采覆岩破坏实测规律，结合煤柱破坏极限强度理论、顶板垮落冲击荷载计算方法及建筑物基底荷载在地基中影响深度分析方法等[1-2]，对3-1煤层顶板垮落对底板的影响范围与5-2煤层开采顶板破坏范围之间的空间关系进行分析，并综合研究确定了上层采空区垮落对下层煤开采的影响程度。

1 矿井地质及煤层开采概况

矿井位于陕西省榆林市，煤系地层为侏罗系中统延安组。3-1煤层、5-2煤层为矿井的主要可采煤层。

3-1煤层埋藏较浅，平均埋深约60.0 m，河谷中见有露头，煤层厚度2.20～3.60 m，平均厚度2.95 m。煤层顶板以粉砂岩为主，泥岩次之，细粒砂岩与砂质泥岩少量；底板以粉砂岩为主，泥岩零星分布。

5-2煤层平均埋深约195.0 m，煤层厚度2.08～3.58 m，平均厚度3.06 m。可采厚度1.92～3.48 m，平均可采厚度2.87 m。煤层顶底板均以粉砂岩为主，砂质泥岩、泥岩零星分布。两层煤倾角均小于1°，层间距约135.0 m。

根据有关勘探资料，3-1煤层房柱式采空区面积约2.3 km2，采留尺寸为“采6 m 留6 m”，开采厚度约2.95 m，资源采出率约35%。5-2煤层采用长壁工作面一次采全高全部陷落采煤法。倾向长度245 m，走向长度2 000 m 以上。两层煤开采区位置关系如图1 所示。

图1 两层煤开采区位置关系图Fig.1 Position relation diagram of two layers coal mining area

2 煤层顶板垮落对底板冲击荷载计算

对于煤层顶板垮落对底板冲击荷载的计算，首先，应确定悬顶区顶板可能发生垮落的岩体面积、厚度，以此确定垮落岩体重量；然后，根据岩体垮落高度，按照最不利情况下自由落体形式分析顶板岩体垮落对底板的冲击荷载。通过检索国内外相关研究现状，有两种代表性的研究成果可供参考，一是地质灾害防治研究领域中的落石冲击力计算方法[1]，二是煤矿采场底板破坏研究领域中的垮落岩体对采场底板冲击动载理论计算模型[2]。本文采用后者的计算模型进行垮落冲击荷载的计算。

2.1 房柱式采空区顶板垮落高度分析

3-1煤层覆岩主要为侏罗系延安组、新近系上新统红土、第四系离石组黄土、萨拉乌苏组砂层及风积砂，无坚硬岩层，覆岩岩性为中硬～软弱。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》，当煤层厚度≤3 m、覆岩为中硬时，失稳后的顶板垮落高度计算见式（1）。

式中，M为煤层开采厚度，房柱式开采由于保留煤柱的存在，M取值由煤厚与采出率计算得到等价采高1.03 m。根据式（1）计算得出垮落带高度取最大值6.52 m。

2.2 房柱式采空区顶板垮落对底板冲击应力分析

根据相关文献[16]研究成果，垮落顶板对底板最大冲击应力计算见式（2）。

3-1煤层房柱式采空区垮落按照跟随5-2煤层工作面推进随采随垮考虑，工作面宽度方向上的垮落范围，按岩层移动角70°、煤层间距135 m 计算，3-1煤层受影响范围为5-2煤层工作面两侧约50 m，总宽度为345 m，工作面推进方向上垮落长度同工作面周期来压步距（16～20 m），按2 倍取值为40 m；岩层密度ρ取2 500 kg/m3，垮落高度为等价采高1.03 m；冲击面积同顶板垮落面积；底板岩层的剪切模量取1.0 GPa，泊松比取0.25。

按照式（2）及以上参数取值计算得到5-2煤层某工作面开采时引起的3-1煤层垮落顶板对底板最大冲击应力约为2.37 MPa。

3 垮落冲击应力对底板影响深度分析

分别采用理论计算和数值模拟方法进行研究。

3.1 理论计算

参照建筑物基底荷载在地基中影响深度分析方法进行悬顶区顶板垮落冲击对底板影响深度分析。建筑物荷载对地基产生的附加应力一般随深度增加而逐步减小。对于采动扰动地基，一般当地基中的附加应力为地基自重应力的10%时，可认为附加应力对该深度处的地基压缩影响甚微，这个深度称为地基受压层深度。低于受压层以下的土层中附加应力很小，其对地基沉降的影响可忽略不计。地基中的自重应力计算见式（3）。

式中：σc为自重应力，MPa；γi为第i层土的重度，MN/m3；hi为第i层土的厚度，m；n为从地面到深度z处土的层数。该区土层较薄，忽略不计，基岩平均重度取0.025 MN/m3；3-1煤层采空区底板以下影响深度需累加该煤层平均埋深约60 m。

矩形基础中点下竖向附加应力计算见式（4）。

式中：σz为矩形基础中点下竖向附加应力，MPa；P0为矩形面积垂直均布荷载，此处取房柱式采空区顶板垮落对底板造成的冲击压力2.37 MPa；α为竖向附加应力系数，根据m=l/b、n=z/b，经查《竖向均布矩形荷载角点下方的竖向附加应力系数》相关技术表格求得，l为基底长边长，b为基底短边长，长l、宽b按房柱式采空区垮落范围分别取值为345 m、40 m。

经计算，3-1煤层顶板垮落对底板造成的冲击在底板以下约71 m 时的附加应力约为0.35 MPa，此处岩层自重应力约为3.54 MPa，冲击附加应力约为地层自重应力的10%。

通过理论计算及分析，在3-1煤层房柱式采空区失稳垮落带岩体的冲击载荷作用下，3-1煤层底板内最大影响深度为底板以下约71 m 位置处。

3.2 房柱式采空区顶板垮落底板影响深度数值分析

1）数值模拟方法及模型。数值分析采用FLAC3D软件，采用Mohr-Coulomb 本构模型进行分析。依据矿井覆岩结构及岩性进行建模，建立的数值模型尺寸为266 m×266 m×206 m，建立的三维数值模型如图2 所示，计算参数见表1。

表1 覆岩岩性及参数表Table 1 Lithology and parameters of rock strata

图2 三维数值模型图Fig.2 Diagram of 3D numerical model

首先，模型尺寸限制，3-1煤层房柱式采空区面积取60 m×60 m，开采煤房宽度为6 m，留设煤柱宽度为6 m，煤层开采厚度3 m。房柱式开采所建模型情况如图3 所示。

图3 模型中房柱式开采范围图Fig.3 Diagram of room-pillar mining range in the mode

2）数值计算方案及目的。为了研究3-1煤层煤柱失稳冲击对底板破坏的影响，本次数值计算共有两种计算方案。方案一：研究3-1煤层煤柱未失稳时，底板应力分布情况；方案二：研究3-1煤层煤柱突然失稳，3-1煤层覆岩垮落对底板冲击的影响。

3）3-1煤层煤柱未失稳情况下的底板应力分布情况，房柱式开采后覆岩垂直应力云图如图4 所示。房柱式开采后覆岩最大主应力云图如图5 所示。

图4 房柱式开采覆岩垂直应力分布云图Fig.4 Cloud map of overburden vertical stress distribution in room-pillar mining

图5 房柱式开采覆岩最大主应力分布云图Fig.5 Cloud map of overburden maximum principal stress distribution in room-pillar mining

由图4 和图5 可知，房柱式开采后，底板应力发生改变的深度仅为3-1煤层下部约20 m。

4）3-1煤层煤柱失稳冲击载荷对底板的影响分析。为了模拟房柱式采空区煤柱失稳覆岩垮落对底板的冲击作用，根据式（2）自主开发了可进行冲击动载模拟的FISH 程序，假设全部房柱同时失稳，利用FLAC3D加载动载模拟程序得到的房柱式采空区顶板垮落冲击后底板岩层垂直应力和最大主应力云图分别如图6 和图7 所示。

图6 顶板冲击载荷作用下的底板岩层垂直应力分布云图Fig.6 Cloud map of floor rock vertical stress distribution under roof impact load

图7 顶板冲击载荷作用下的底板岩层最大主应力分布云图Fig.7 Cloud map of floor rock maximum principal stress distribution under roof impact load

由图6 和图7 可知，数值分析得到的3-1煤层房柱式采空区顶板垮落冲击在底板的影响深度约为60 m。

4 5-2 煤层开采覆岩破坏高度分析

矿井前期针对5-2煤层的开采进行了覆岩破坏高度钻孔实测，共施工4 个钻孔，采用钻孔冲洗液漏失量观测法及钻孔彩色电视观测法进行“两带”观测。最终得出矿井5-2煤层开采最大裂采比为21.57。根据房柱式采空区附近钻孔揭露情况，该区5-2煤层平均厚度约2.71 m，按照5-2煤层开采实测最大裂采比21.57 进行预计，该区5-2煤层综采工作面开采覆岩破坏高度约为58.5 m。

5 3-1 煤层房柱式采空区垮落对5-2 煤层影响分析

上层煤房柱式采空区是否对下层煤开采产生影响，以上层煤顶板垮落冲击荷载影响范围是否波及下层煤开采覆岩破坏范围为判据，若两者相互波及，则认为根据波及范围大小有不同程度影响，若两者之间有一定距离，则认为相互影响较小或不影响。

根据前文分析结果，矿井3-1煤层房柱式采空区顶板垮落对底板影响深度最大为60～71 m，5-2煤层开采覆岩破坏高度约为58.5 m，根据附近钻孔揭露情况，该区5-2煤层距3-1煤层约为135.0 m，综合分析认为3-1煤层房柱式采空区垮落冲击荷载影响深度与下层5-2煤层垮落裂缝带顶界面之间尚有5.5～16.5 m 的距离，因此可以认为3-1煤层房柱式采空区失稳产生的冲击载荷对下层5-2煤层的开采影响较小。

6 结论

1）针对上层煤存在房柱式采空区、下层煤进行长壁综采的条件，通过理论计算对3-1煤层房柱式采空区顶板垮落面积、高度及其对底板的最大冲击荷载进行了分析。

2）通过理论计算、数值模拟两种方法对房柱式采空区顶板垮落冲击荷载在底板内的附加应力分布及影响深度进行了分析，底板附加应力最大影响深度为60～71 m；根据矿井5-2煤层开采实测裂采比及研究区5-2煤层厚度，分析认为5-2煤层开采覆岩破坏高度最大约58.5 m。

3）以上层煤顶板垮落冲击荷载影响范围是否波及下层煤开采覆岩破坏范围为判据评价上层煤是否对下层煤开采产生影响。根据煤层间距认为房柱式采空区垮落冲击荷载影响范围与下层煤垮落覆岩破坏范围之间尚有一定距离，综合研究认为3-1煤层房柱式采空区失稳产生的冲击载荷对下层5-2煤层的开采影响较小。

4）房柱式采空区顶板垮落冲击对下层煤开采影响分析方法及判据可为类似条件房柱式采空区下采煤提供有益借鉴。