淺埋近距離煤層開采房式煤柱群動(dòng)態(tài)失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)制

朱衛(wèi)兵，許家林，陳 璐，李 竹，劉文濤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 4.中煤能源集團(tuán) 西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

我國(guó)西部小型礦井以往普遍采用房式開采，采空區(qū)遺留了大量的房采煤柱，為臨近煤層的安全開采留下隱患。神東礦區(qū)大柳塔煤礦井田邊界的局部區(qū)域就曾被地方小煤礦采用房式采煤法進(jìn)行過(guò)越界開采，導(dǎo)致該礦22103工作面推進(jìn)至上覆小窯房采煤柱時(shí)發(fā)生頂板壓架事故[1];神東礦區(qū)石圪臺(tái)煤礦資源整合后的部分井田開采區(qū)域面臨淺部原小窯房采煤柱和集中大煤柱下開采，工作面也曾發(fā)生嚴(yán)重的壓架災(zāi)害[2]。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)礦柱或煤柱的穩(wěn)定性及其致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行了研究。周子龍等[3-4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，分析了“礦柱-頂板”聯(lián)合支撐體系在變形破壞過(guò)程中礦柱間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移及破壞特征。周子龍、朱德福等[5-6]采用重整化群方法，得到礦柱群系統(tǒng)整體失穩(wěn)的臨界概率，建立一種評(píng)價(jià)礦柱群整體穩(wěn)定性的有效方法。許家林、鞠金峰等[7-9]研究了淺埋近距離下煤層工作面推出上覆集中煤柱的壓架機(jī)理，認(rèn)為上覆集中煤柱邊界頂板的關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是引發(fā)下煤層工作面發(fā)生動(dòng)載礦壓的根本原因。陳蘇社、楊俊哲等[10-14]認(rèn)為上覆集中煤柱在下煤層工作面采動(dòng)影響下發(fā)生突然失穩(wěn)，破壞了下部巖層的鉸接結(jié)構(gòu)，造成房采煤柱下的動(dòng)載。孟達(dá)、屠世浩等[15-16]建立力學(xué)模型，計(jì)算了煤柱-頂板聯(lián)合承載體系中應(yīng)力分布狀態(tài)，房采煤柱下方綜采工作面頂板巖層變形能空間分布和發(fā)育規(guī)律，從能量釋放的角度解釋了工作面壓架機(jī)理。解興智、魏立科、徐敬民等[17-20]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)，論述了房采煤柱上覆結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)下煤層工作面頂板巖層破斷的影響，從應(yīng)力傳遞的角度闡述了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后的載荷傳遞致使工作面發(fā)生壓架。

縱觀已有文獻(xiàn)，均未涉及下煤層采動(dòng)過(guò)程中上覆房采煤柱群的時(shí)空失穩(wěn)特征，這包括:① 上覆房采煤柱破壞及失穩(wěn)次序;② 房采煤柱頂板巖層運(yùn)動(dòng)特征及其對(duì)底板巖層作用規(guī)律;③ 房采煤柱失穩(wěn)時(shí)下煤層頂板運(yùn)動(dòng)特征及工作面壓架機(jī)理。而上述內(nèi)容，對(duì)建立巖層運(yùn)動(dòng)與工作面動(dòng)壓的時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系，預(yù)測(cè)工作面壓架發(fā)生條件及位置至關(guān)重要。因此，有必要深入研究，為類似條件的工作面安全開采提供理論指導(dǎo)。

1 房式煤柱下開采災(zāi)害概述

1.1 西部小窯房式開采礦震及地面塌陷概況

我國(guó)西部小窯房式開采創(chuàng)造極大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也引起嚴(yán)重的地表塌陷災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，榆林市榆陽(yáng)區(qū)常興井田共發(fā)生3次采空區(qū)大面積塌陷，塌陷面積總計(jì)6.31×105m2;十八墩礦采空區(qū)塌陷引起兩次礦震(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心監(jiān)測(cè)震級(jí)分別為2.8級(jí)和3.2級(jí))，塌陷面積總計(jì)2.75×105m2，榆林市震感明顯，高層建筑大多發(fā)生輕微晃動(dòng)。根據(jù)陜西地震信息網(wǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，自2009年9月至2015年底，榆林市榆陽(yáng)區(qū)共監(jiān)測(cè)到礦震13次，震級(jí)2.1～3.3級(jí)，其中2009年1次、2011年3次、2012年3次、2015年6次，上述礦震不僅對(duì)地表含水層、生態(tài)環(huán)境造成極大破壞，更對(duì)井上下人員生命安全造成極大威脅。西安設(shè)計(jì)院曾經(jīng)對(duì)陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)采用房式開采的煤礦采空區(qū)塌陷情況進(jìn)行過(guò)調(diào)研，為便于描述，“1”表示發(fā)生，而“-1”表示未發(fā)生，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1榆林榆陽(yáng)區(qū)部分礦井地面塌陷情況統(tǒng)計(jì)
Table1StatisticsofsurfacecollapsecasesinpartofminesofYuyangdistrict,YulinCity

礦井塌陷區(qū)數(shù)目塌陷面積/km2開采方式采高/m采深/m采寬/m留寬/m塑性區(qū)寬度/m彈性核區(qū)寬度/m彈性核區(qū)比例/%是否發(fā)生上河20.011 0房式5.01136.08.02.82.431-1大川溝10.010 0房式2.51808.06.02.21.626-1白鷺10.240 0房式5.61159.06.03.200-1三臺(tái)界00房式4.51208.08.02.72.7341常興30.630 0房式3.51708.07.02.91.116-1十八墩20.270 0房式6.51507.08.04.800-1東風(fēng)00房式3.51507.57.02.61.8261永樂00房式5.014014.08.03.41.1141常樂堡10.018 0房式5.01108.06.02.70.610-1長(zhǎng)城10.038 0房式2.51727.06.02.11.829-1方家畔10.015 0房式2.0808.01.50.800-1榆卜界00房式4.61208.08.02.72.6321六墩00房式6.014013.010.04.11.7171金牛10.046 0房式3.51307.08.02.21.525-1榆陽(yáng)00房式2.81755.09.02.44.2461沙炭灣10.003 6房式6.51238.08.03.90.12-1

根據(jù)房采煤柱的尺寸(由采高，采寬和留寬決定)和埋藏深度，采用威爾遜公式計(jì)算表1中煤柱的塑性區(qū)寬度，據(jù)此得出房采煤柱的彈性核區(qū)寬度以及彈性核區(qū)率。表1中不同彈性核區(qū)率條件下煤柱失穩(wěn)與否的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。由此可知，當(dāng)房采煤柱的彈性核區(qū)比例小于14%時(shí)，礦井的遺留煤柱均會(huì)失穩(wěn)，地面出現(xiàn)塌陷;當(dāng)彈性核區(qū)比例介于14%～31%時(shí)，部分礦井遺留煤柱失穩(wěn)，部分礦井遺留煤柱穩(wěn)定;當(dāng)煤柱彈性核區(qū)比例大于31%時(shí)，礦井遺留煤柱均處于穩(wěn)定狀態(tài)，地面暫無(wú)塌陷。

圖1 不同彈性核區(qū)率條件下煤柱穩(wěn)定性結(jié)果Fig.1 Stability results of coal pillars under the condition of different elastic nuclear area proportions

1.2 近距離房式煤柱下開采壓架災(zāi)害

事實(shí)上，處于初次采動(dòng)期間的房采煤柱有時(shí)候會(huì)間隔幾年甚至十幾年才發(fā)生多米諾骨牌效應(yīng)的連鎖失穩(wěn)現(xiàn)象。而多數(shù)煤礦實(shí)際可回采的煤層數(shù)目較多，當(dāng)回收房采煤柱下部的煤層時(shí)，必然會(huì)面臨上覆房采煤柱穩(wěn)定性影響下煤層安全開采的問(wèn)題。文獻(xiàn)[8-9,16,20]均涉及到房采煤柱下開采引發(fā)的動(dòng)載礦壓，甚至壓架事故。

2 房式煤柱破壞形式與頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)特征

2.1 物理模擬方案

通過(guò)物理模擬研究近距離煤層開采時(shí)上覆房采煤柱破壞次序及煤柱群動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程。物理模型長(zhǎng)度120 cm，寬度8 cm，高度42 cm。模型的幾何相似比1∶100，密度相似比1∶1.6，應(yīng)力相似比1∶160。根據(jù)神東礦區(qū)石圪臺(tái)煤礦不同巖層地質(zhì)賦存條件及其物理力學(xué)參數(shù)[20]，確定物理模型中各巖層厚度及材料配比見表2。物理模擬材料以河砂、云母做骨料，以碳酸鈣和石膏做膠結(jié)料，在煤層中則加入一定比例的粉煤灰。模型頂板采用鐵塊加載的方式對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)償加載，用以模擬130 m埋深。

2.2 煤柱群動(dòng)態(tài)破壞形式

煤層開采前，先將2-2煤層進(jìn)行房式開采。由于相似模擬為二維模型，在設(shè)計(jì)煤柱尺寸時(shí)，應(yīng)考慮從三維(實(shí)際開采情況)向二維(相似模型)轉(zhuǎn)化煤柱尺寸的問(wèn)題。徐敬民[20]定義了煤柱的“控頂率”，即單一煤柱等效支撐頂板的范圍。在本相似模型中，房采煤柱留設(shè)寬度為2.7 cm，間隔為7.5 cm，與上述案例統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本保持一致。左側(cè)邊界煤柱寬度為5.2 cm，右側(cè)邊界煤柱寬度為5.3 cm。在3-1煤層回采過(guò)程中，通過(guò)間隔拍照及高速攝影技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，下煤層回采時(shí)上覆房采煤柱群動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程如圖2所示。

表2模型各巖層相似材料配比
Table2Similarmaterialmixtureofeachstratuminphysicalsimulation

巖性厚度/cm配比號(hào)備注泥巖8473中砂巖6337基本頂2泥巖4473直接頂22-2煤層5773泥巖2473粉砂巖4455基本頂1泥巖4473直接頂13-1煤層4773底板5455

圖2 房采煤柱群動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程Fig.2 Process of dynamic instability of room coal pillar group

圖2展示了相似模擬實(shí)驗(yàn)中房采煤柱群不同位置煤柱破壞形式及其動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程。下煤層回采過(guò)程中，上覆房采煤柱先后失穩(wěn)，其對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)次序?yàn)?煤柱②→煤柱①→煤柱⑥→煤柱⑤→煤柱③和煤柱④。首先是下煤層開切眼正上方位于采空區(qū)側(cè)的房采煤柱②發(fā)生朝向采空區(qū)的斜切破壞，其次是其鄰近在實(shí)體煤上方的房采煤柱①發(fā)生失穩(wěn)，如圖2(c)，(d)所示;接著工作面上方房采煤柱⑥出現(xiàn)朝向采空區(qū)的斜切破壞，然后是工作面上方的房采煤柱⑤發(fā)生失穩(wěn)，如圖2(e)，(f)所示;最后是采空區(qū)上方的房采煤柱③和煤柱④出現(xiàn)垂向壓裂破壞并崩塌，如圖2(g)所示。

2.3 煤柱群失穩(wěn)時(shí)頂?shù)装宓倪\(yùn)動(dòng)特征

根據(jù)圖2(e)～(h)中房采煤柱頂板巖層的破斷形式及其運(yùn)動(dòng)特征可以看出，在煤柱③和煤柱④坍塌前，房采煤柱上方的頂板巖層呈現(xiàn)出整體撓曲下沉的現(xiàn)象，而在煤柱③和煤柱④坍塌的瞬間，伴隨出現(xiàn)多層頂板巖層整體、全厚切落的特征。與此同時(shí)，房采煤柱頂、底板出現(xiàn)猛烈的撞擊，引起坍塌煤柱碎屑的噴出，并引發(fā)礦震;若巖體的全厚切落導(dǎo)致采動(dòng)裂隙溝通至上覆含水層或地表，會(huì)導(dǎo)致地下水流失以及地表大面積塌陷坑的出現(xiàn)，將引起生態(tài)環(huán)境承載力已較為脆弱的西部地區(qū)更為惡化。

根據(jù)錄像的慢放功能及提取的每一幀圖片，再現(xiàn)了房采煤柱群動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖3所示。從上覆房采煤柱群首個(gè)煤柱發(fā)生破壞至整體失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定，歷時(shí)僅約為0.45 s，其中，上下煤層之間的巖層發(fā)生全厚切落歷時(shí)僅約為0.05 s。顯然，這一失穩(wěn)過(guò)程持續(xù)時(shí)間極短，幾乎可以等同于瞬間發(fā)生，且失穩(wěn)過(guò)程的累計(jì)持續(xù)時(shí)間越短，上覆巖層對(duì)下方巖層的沖擊越大，所造成的災(zāi)害程度也會(huì)越大。

圖3 房采煤柱頂?shù)装鍘r層破斷運(yùn)動(dòng)Fig.3 Fracture movement of roof and floor around room coal pillars

在上覆房采煤柱動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程中，層間巖層的破斷塊體起初能夠和煤壁上方的巖塊咬合形成臨時(shí)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)采空區(qū)上方的房采煤柱彈指間被完全壓垮以后，房采煤柱頂板巖層在自重及載荷作用下急速下沉，并和底板巖層發(fā)生猛烈碰撞，此時(shí)不僅將房采煤柱完全壓成粉末，還將上覆巖層因急速下沉而產(chǎn)生的沖量傳遞至層間巖層，進(jìn)而導(dǎo)致層間巖層沿煤壁發(fā)生全厚切落，造成下煤層工作面發(fā)生切頂壓架。同時(shí)，地面形成臺(tái)階狀塌陷坑。房采煤柱動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的簡(jiǎn)化示意如圖4所示。

3 房式煤柱群失穩(wěn)機(jī)制

3.1 數(shù)值模擬方案

采用UDEC離散元軟件研究近距離煤層房采煤柱下開采時(shí)，房采煤柱群位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，揭示不同位置房采煤柱的破壞形式及房采煤柱群的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)機(jī)制。模型長(zhǎng)200 m，高75 m。其中上部2-2煤層厚度5 m，下部3-1煤層厚度4 m，底板累計(jì)厚度18 m?？紤]到物理模擬與數(shù)值模擬在尺度上應(yīng)具有的相似性，在數(shù)值模擬中設(shè)計(jì)2-2煤層中的房采煤柱寬度4 m，煤柱間隔6 m。采用位移邊界分別固定兩邊側(cè)面的水平移動(dòng)以及底部的垂直移動(dòng)。模型采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，材料服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，不同巖性巖層的材料力學(xué)與節(jié)理參數(shù)見文獻(xiàn)[20]。將2 MPa均布載荷直接補(bǔ)償加載在模型的頂界面，以模擬3-1煤層賦存的130 m埋深條件。

為監(jiān)測(cè)3-1煤層回采過(guò)程中，2-2煤層房采煤柱及邊界煤柱的受力狀況及垂直應(yīng)力變化，在房采煤柱1～17號(hào)中部和右側(cè)邊界煤柱各布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5中綠色標(biāo)號(hào)所示;同時(shí)，在煤柱1～17號(hào)和右側(cè)邊界煤柱頂界面和底界面各布置一個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于兩條觀測(cè)線，如圖5中紅色和紫色觀測(cè)線所示。模型初始平衡之后，首先在上覆2-2煤層中進(jìn)行房式開采，采6 m、留4 m，總共留設(shè)了17個(gè)房采煤柱;待覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后再回采3-1煤層，首次開采步距為12 m，之后的開采步距均為6 m。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖6給出了3-1煤層工作面不同推進(jìn)位置時(shí)，2-2煤層房采煤柱中不同計(jì)算單元彈塑性展布狀態(tài)。圖6(a)對(duì)應(yīng)的3-1煤層工作面推進(jìn)距離為42 m，此時(shí)僅有煤柱4首先發(fā)生破裂;圖6(b)對(duì)應(yīng)的工作面推進(jìn)距離為48 m，此刻煤柱4和煤柱10都處于破壞失穩(wěn)狀態(tài)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，首先是下煤層開切眼正上方對(duì)應(yīng)的房采煤柱發(fā)生破壞失穩(wěn)，其次才是工作面正上方的房采煤柱發(fā)生破壞失穩(wěn)，最后是采空區(qū)中部房采煤柱發(fā)生破壞失穩(wěn)，這與上述物理模擬結(jié)果基本一致。

圖4 房采煤柱動(dòng)態(tài)失穩(wěn)示意Fig.4 Schematic diagram of dynamic instability of room coal pillars

圖5 位移測(cè)線與應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Site plan of displacement measuring line and stress station in numerical model

圖7為工作面推進(jìn)至48 m時(shí)煤柱失穩(wěn)前、后的垂直應(yīng)力云圖。模型初始平衡后2-2煤層原巖應(yīng)力為2.8 MPa，待2-2煤層房式開采后，煤柱承受的支承應(yīng)力峰值為12 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)4.28;當(dāng)下煤層開挖48 m后，煤柱上的支承應(yīng)力峰值增大至30 MPa(圖7(a))，應(yīng)力集中系數(shù)為10.71。說(shuō)明在下煤層回采過(guò)程中，上覆房采煤柱所承受的載荷進(jìn)一步增大，與本煤層房式開采相比增加了150%。在如此大的載荷作用下，房采煤柱必然會(huì)相繼快速發(fā)生破壞失穩(wěn)。在房采煤柱失穩(wěn)之前，3-1煤層采空區(qū)上部的煤柱6～煤柱9均處于卸荷狀態(tài)，而兩側(cè)的煤柱4、煤柱5以及煤柱10和煤柱11則處于高負(fù)荷承載狀態(tài);房采煤柱失穩(wěn)后，煤柱4、煤柱5以及煤柱10之上的承載應(yīng)力迅速轉(zhuǎn)移至實(shí)體煤一側(cè)的煤柱2、煤柱3以及煤柱11和煤柱12之上，達(dá)到新的平衡，如圖7(b)所示。

圖8列出了上覆房采煤柱1～15在下煤層推進(jìn)過(guò)程中的垂直應(yīng)力變化曲線。由圖8可知，左側(cè)煤柱1、右側(cè)煤柱14,15的垂直應(yīng)力曲線基本保持不變，說(shuō)明幾乎未受到下煤層的采動(dòng)影響;左側(cè)煤柱2、右側(cè)煤柱13受到下煤層采動(dòng)輕微影響;處于采空區(qū)上方的煤柱6,7,8,9處于卸荷狀態(tài)，雖然這些煤柱能夠保持暫時(shí)穩(wěn)定，但是一旦下部巖層觸底之后，在煤柱上覆巖層的集中荷載作用下，這些煤柱最終也會(huì)破壞失穩(wěn);左側(cè)煤柱4所受的載荷較大且最先發(fā)生破裂損壞，右側(cè)煤柱10所受的載荷最大也發(fā)生了破裂損壞。

圖7 房采煤柱失穩(wěn)前、后的垂直應(yīng)力云圖Fig.7 Vertical stress nephogram of full model

圖8 各房采煤柱所受垂直應(yīng)力的變化Fig.8 Variation of vertical stress inflicted on each room coal pillar

圖9展示了煤柱10破壞失穩(wěn)之前內(nèi)部的垂直應(yīng)力分布，煤柱10在采空區(qū)右側(cè)的實(shí)體煤上部，煤柱內(nèi)部的左上角出現(xiàn)最大垂直應(yīng)力約30 MPa，從該煤柱的左上角至右下角，煤柱內(nèi)部所承受的垂直應(yīng)力遞減至13 MPa，鑒于圖2中房采煤柱5所呈現(xiàn)出的破壞特征，可知數(shù)值模擬中煤柱10的破壞形式也呈現(xiàn)出朝向采空區(qū)的對(duì)角斜切破壞，煤柱破裂線預(yù)計(jì)如圖9所示。煤柱內(nèi)部不同位置的非均勻承載可能致使煤柱更易發(fā)生對(duì)角壓剪破壞，導(dǎo)致下煤層兩側(cè)實(shí)體煤上部的房采煤柱斜切破壞面始終是傾向或朝采空區(qū)一側(cè)。

圖10為下煤層工作面推進(jìn)至48 m時(shí)2-2煤層各房采煤柱頂?shù)装宓奈灰谱兓€。由圖10可知，煤柱頂?shù)装宓南鲁亮炕鞠嘟?，但是仍然?.97～10.98 mm的豎直位移變化，其中在采空區(qū)兩側(cè)實(shí)體煤上部的房采煤柱軸向均出現(xiàn)壓縮，最大壓縮量是10號(hào)煤柱對(duì)應(yīng)的5.97 mm，采空區(qū)上方的煤柱6～煤柱9軸向則出現(xiàn)拉伸，應(yīng)該是煤柱卸荷后發(fā)生部分回彈變形。根據(jù)圖10(d)得出，兩側(cè)實(shí)體煤上部的房采煤柱頂?shù)捉缑嫱瑫r(shí)受水平拉伸變形影響，左側(cè)最大水平變形是4號(hào)煤柱對(duì)應(yīng)的1.75 mm/m，右側(cè)最大水平變形是10號(hào)煤柱對(duì)應(yīng)的0.24 mm/m。正是由于下煤層開采邊界正上方的房采煤柱所受的垂直應(yīng)力顯著增大，且其還受水平方向的拉伸變形影響，導(dǎo)致下煤層采空區(qū)兩側(cè)實(shí)體煤上部的房采煤柱呈現(xiàn)出偏向采空區(qū)的對(duì)角斜切破壞特征，當(dāng)此邊界煤柱失穩(wěn)后，上覆巖層載荷作用下引發(fā)中部煤柱的垂直壓裂及失穩(wěn)，導(dǎo)致房采煤柱群的整體失穩(wěn)，引發(fā)礦震、壓架以及地表塌陷等災(zāi)害。

圖9 煤柱10內(nèi)部的垂直應(yīng)力分布Fig.9 Vertical stress distribution in the interior of No.10 coal pillar

圖10 各房采煤柱頂界與底界位移及變形曲線Fig.10 Displacement deformation curves of top and bottom boundaries around room coal pillars

4 結(jié) 論

(1)淺埋近距離煤層房采煤柱下開采上覆房采煤柱的破壞次序?yàn)?首先，下煤層開切眼上方房采煤柱發(fā)生朝向采空區(qū)的對(duì)角斜切破壞;其次，工作面上方房采煤柱發(fā)生朝向采空區(qū)的對(duì)角斜切破壞，最后，采空區(qū)中部房采煤柱出現(xiàn)壓裂破壞，煤柱破壞次序反映了煤柱上覆載荷的動(dòng)態(tài)遷移過(guò)程。

(2)闡明了房采煤柱失穩(wěn)過(guò)程中頂、底板相互作用及房采煤柱群失穩(wěn)對(duì)礦震、工作面壓架的作用機(jī)制。采空區(qū)中部房采煤柱失穩(wěn)前，頂板巖層處于整體撓曲下沉狀態(tài);失穩(wěn)時(shí)，頂板巖層瞬間整體拉剪破斷，急速下沉撞擊底板;受此沖擊，層間巖層沿煤壁出現(xiàn)全厚切落，導(dǎo)致下煤層工作面切頂壓架。

(3)石圪臺(tái)煤礦模擬結(jié)果表明，本煤層采后房采煤柱應(yīng)力集中系數(shù)為4.28;下煤層開采時(shí)，房采煤柱應(yīng)力集中系數(shù)增大至10.71。受巖層撓曲下沉的影響，下煤層工作面開切眼側(cè)及工作面正上方房采煤柱承受橫向不均勻的軸向壓力，是邊界處房采煤柱發(fā)生對(duì)角斜切破壞模式的主要原因。