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【摘 要】 为能够更进一步确定采空区保护煤柱对下层煤开采覆岩移动的影响，采用数值模拟测试方法对位于不同起始位置保护煤柱随着采空区下开采面的不断推行，研究上覆岩层的离层空间、动压显现特征以及“三带”开裂高度。经过本次的模拟测试的实验结果表明，在开采面上方的上部顶板岩层中间的拉伸破坏单元一步步增多，加剧工作面上部顶板的断裂和塌落，同时也减小了上部顶板之间的断裂布局。煤层保护性煤柱距离开采面的起始位置越近，则第一次来压期间的位移将会越增大，使裂隙向上发展的高度进一步增大，表明采空区下近距离煤层在开采过程中增加了“上三带”的发展。
【关键词】 煤矿采空区；坚硬上部顶板；保留煤柱；开裂高度；数值模拟测试
【中图分类号】 TD325；TD822+.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2018）05-0007-03
位于采空区下方的坚硬顶板是在上覆煤层开采后形成的采空区下部空间，它的特点是顶板厚度大、坚硬化程度高、岩石物理特征参数大、节理发育度高、开裂的孔隙度大、岩石整体性较好而且自身的承受能力强。在采空区下近距离煤层进行开采时，由于上方采空区的直接顶以及基本顶的坍塌断裂以及发展，造成采空区下方煤体开采时上部覆岩的结构层理及它的主副应力变化与单煤层下部开采时都存在着较大的区别，而且在采空区下煤层开采的开采面会形成“块体—散体—块体”的综合性结构，开采面采场的覆岩承受的矿山压力也随之表现出不同的形式，而且呈现综合性的显现特征。下层煤开采一定会受到上部采空区的影响，因此研究不同保护煤柱起始位置距离下覆岩的移动规律及动压显现特征具有现实意义。
1工程概况
东沟煤矿属于倾斜近距离煤层，煤层下部群间采用下行开采，开采顺序为上层煤开采完毕后，待采空区稳定上覆顶板完全垮落，下层煤进行回采。东沟矿的下层煤顶底板岩石特征为致密坚硬、完整性好、发育度较小、厚度大。相邻煤层间距平均达58m，而且在煤层间存在着厚度为22m的坚硬岩层，属于关键性岩层。
2采空区下坚硬顶板概况
东沟矿钻孔柱状如表1所示。下部煤层厚度为8.5m，下部煤层顶板的构成为粗沙岩、中沙岩、细沙岩、粉沙岩、泥岩、砾岩等。上部煤层已全部开采完毕，根据现场考察以及理论计算上方采空区所形成的冒落带以及垮落带的高度为21.8m。
3数据模型的建立与分析
根据东沟矿2301开采面综合柱状图及岩石物理力学性质参数，运用UDEC模拟测试软件模拟测试开采面推行不同位置、不同保护性煤柱体下的下煤矿下部坚硬上部顶板移动规律及上覆岩层“三带”高度。
根据数值模型的相关标准以及设计要求，设计参数完全严格按照东沟煤矿的矿井地质柱状图进行设计，考虑到东沟矿地表落差过大，为了能够简化运算时间以及提高运行效率，故取埋深60m，通过计算煤矿下部上覆坚硬上部顶板所承受的基本负荷为y1，岩层的平均密度为2.86g/cm3，故在数值模型的上方限制区域施加11.2MPa的均布载荷。
为进一步提高运算质量，采用限制区域位移移动控制的方法，在数值模型的左右两侧施加速度为0的移动量，而模型底部设定为固定且不能移动的承载基础，因而可以自由地向下移动。岩石力学参数见如下表2。
上煤矿下部保护性煤柱体在水平轴上距离下煤矿下部开采面的安全范围内，随着下煤矿下部开采面的不断推行，在不同位置对上方采空区坚硬上部顶板的影响，以及自身回采的上覆岩层的移动规律都有着不同的变化以及特征，为了进一步深入研究其中的差异以及具体的移动特点，在设定采深为600m以及煤矿下部间距为100m的实验状态下，变换上煤矿下部保护性煤柱体在垂直方向上距下煤矿下部开采面起始位置20m、60m、100m，进行数值模拟测试研究。
4数值的模拟测试分析
4.1煤柱据下部开采面起始位置20m
在采深为600m、采高8.5m以及煤矿下部间距100m的实验状态下，上煤矿下部保护性煤柱体在水平方向上距下煤矿下部开采面起始位置20m时，随着开采面的不断推行，开采面在模拟测试开挖第6步（L=60m）时出现初次来压之后在90m、130m、170m、200m分别出现周期来压，初次来压步距为60m，周期來压步距为35m，如图1所示。
随着模型中下部煤矿下部开采面的不断推行，当推行至60m，数值模型中的覆岩结构出现了明显的破坏以及断裂，说明开采面初次来压。随着开采面的继续推行，塑性破坏的范围也随之发展而发展，而且发展影响到上方采空区。
在60m的位置时，上覆岩层已发生了断裂，分析垂直位移云图的模拟测试结果可以看出采动的影响已经使得上覆岩层在垂直位移上发生了较大变化，而且移动主要集中在采空区上方，沿着采空区下方岩层进行了发展以及破裂，发展达26m。在200m处，开采面的垂直移动停止向上发展，并逐渐转化为开采面煤壁侧发展，形成了较为稳定的下煤矿下部开采面的采动移动角，通过数值模拟测试的图像以及运算数据可以得出，最终形成的“三带”高度为62m。
4.2煤柱距下开采面起始位置60m
当上煤矿下部保护性煤柱体距下煤矿下部开采面60m时，通过数值模拟测试表明，下煤矿下部的开采面在模拟测试推行了80m时，模型中的覆岩结构出现了明显的破坏以及断裂说明开采面初次来压。随着开采面的推行，并分别在110m、150m、200m出现坍塌断裂式的周期来压，平均周期来压步距38.5m。与煤柱距下开采面起始位置20m时相比，单次周期来压在时间上滞后了半个开挖步，平均周期来压步距增加了3.5m，如图2所示。
分析上方保护性煤柱体距起始位置60m时的塑性结果，开采面80m处在下煤矿下部的起始位置出现了典型的塑性破坏以及拉伸断裂，开采面上覆上部顶板出现了清晰可见的断裂带。开采面推行中，开裂发展范围以及拉伸损伤的区域量不断发展，并呈现出同时向上以及沿两侧的发展特征，在开采面推行至200m时，塑性区破坏范围不再向上发展，上方发展达到最高峰值，之后仅沿煤壁两侧继续发展。L=60m时，开采面上方出现了强主副应力集中区，开采面继续向前推行，上方保护性煤柱体下的采空区内强主副应力集中区消失。 4.3煤柱距下开采面起始位置100m
当上煤矿下部保护性煤柱体距下煤矿下部开采面100m时，通过数值模拟测试表明，开采面在模拟测试开挖第12步（L=120m）时模型中的覆岩结构出现了明显的破坏以及断裂说明开采面初次来压。随着开采面的进一步推行，并分别在L=160m、200m出现周期来压，平均周期来压步距40m。与煤柱距下开采面起始位置20m时相比单次周期来压在时间上滞后了半个开挖步距，平均周期来压步距增加了5m，如图3所示。
从塑性区图3a、图3b可知，开采面120m处在下煤矿下部的上部顶板出现了塑性以及拉伸断裂，表明开采面初次来压。开采面接下来的推行中，开裂的发展区域不断发展，并呈现出同时向上以及沿两侧的发展特征，直至开采面推行到200m时不再向上发展。
对煤柱距下开采面起始位置100m开采面垂直主副应力分布图进行分析可知，L=120m时，开采面上方出现强主副应力集中区。
煤柱距下开采面起始位置100m时，开采面覆岩由于采动影响发生的垂直位移范围，较煤柱距下开采面起始位置60m时有明显增大，L=120m时便开始向上发展，开采面200m处垂直位移的发展区域已发展至上煤矿下部垮落形成的采空区范围内，并可能形成贯穿性的开裂。
5结论
通过对采空区保护煤柱下近距离煤层开采覆岩移动的模拟，上方采空区保护性煤柱体距下开采面起始位置处的距离分别为20m、60m和100m实验状态下，开采面回采过程中采动主副应力场的数值模拟测试研究，可以得出以下规律：
塑性区变化规律。随着上方采空区保护性煤柱体距下开采面起始位置距离的不同，开采初期塑性区破坏范围向前发展，位于保护性煤柱体下部时塑性破坏以及拉伸破坏格外严重。
垂直主副应力变化规律。由于保护性煤柱体对下部开采面开采的影响，在开采面煤壁内出现了强主副应力集中区，随着保护性煤柱体位置的不同，强主副应力集中区的位置也随之发生变化。
垂直位移的变化规律。下煤矿下部开采面在过上方保护性煤柱体前，上部顶板覆岩受采动影响较小且位移量较小。当开采面推行到保护性煤柱体之下时，上部顶板岩层移动位移增大，并向采空区垂直方向发展。
【参考文献】
[1]王成帅.采空区下近距离煤矿下部综采开采面覆岩结构特征与支架载荷研究[D].太原：太原理工大学，2013.
[2]杨敬轩，刘长友，杨宇，等.浅埋近距离煤矿下部房柱采空区下上部盖板承载及房柱尺寸[J].中国矿业大学学报，2013，42（2）：161-168.
[3]刘志耀.贺东矿近距离煤矿下部采空区下回采巷道布置优化[J].煤炭科学技术，2009（3）：24-26.
[4]孙力，杨科，闫书缘，等.近距离煤矿下部群下行开采覆岩移动特征试验分析[J].地下空间与工程学报，2014，10（5）：1158-1163.
[5]王雄偉.四台矿极近距离煤矿下部采空区下开采技术[J].煤炭科学技术，2004，32（12）：23-26.
[6]齐消寒.近距离低渗煤矿下部群多重采动影响下煤岩破断与瓦斯流动规律及抽采研究[D].重庆：重庆大学，2016.
[7]许鸣皋.近距离煤矿下部群上行开采覆岩移动与主副应力——开裂演化特征研究[D].安徽：安徽理工大学，2015.
【关键词】 煤矿采空区；坚硬上部顶板；保留煤柱；开裂高度；数值模拟测试
【中图分类号】 TD325；TD822+.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2018）05-0007-03
位于采空区下方的坚硬顶板是在上覆煤层开采后形成的采空区下部空间，它的特点是顶板厚度大、坚硬化程度高、岩石物理特征参数大、节理发育度高、开裂的孔隙度大、岩石整体性较好而且自身的承受能力强。在采空区下近距离煤层进行开采时，由于上方采空区的直接顶以及基本顶的坍塌断裂以及发展，造成采空区下方煤体开采时上部覆岩的结构层理及它的主副应力变化与单煤层下部开采时都存在着较大的区别，而且在采空区下煤层开采的开采面会形成“块体—散体—块体”的综合性结构，开采面采场的覆岩承受的矿山压力也随之表现出不同的形式，而且呈现综合性的显现特征。下层煤开采一定会受到上部采空区的影响，因此研究不同保护煤柱起始位置距离下覆岩的移动规律及动压显现特征具有现实意义。
1工程概况
东沟煤矿属于倾斜近距离煤层，煤层下部群间采用下行开采，开采顺序为上层煤开采完毕后，待采空区稳定上覆顶板完全垮落，下层煤进行回采。东沟矿的下层煤顶底板岩石特征为致密坚硬、完整性好、发育度较小、厚度大。相邻煤层间距平均达58m，而且在煤层间存在着厚度为22m的坚硬岩层，属于关键性岩层。
2采空区下坚硬顶板概况
东沟矿钻孔柱状如表1所示。下部煤层厚度为8.5m，下部煤层顶板的构成为粗沙岩、中沙岩、细沙岩、粉沙岩、泥岩、砾岩等。上部煤层已全部开采完毕，根据现场考察以及理论计算上方采空区所形成的冒落带以及垮落带的高度为21.8m。
3数据模型的建立与分析
根据东沟矿2301开采面综合柱状图及岩石物理力学性质参数，运用UDEC模拟测试软件模拟测试开采面推行不同位置、不同保护性煤柱体下的下煤矿下部坚硬上部顶板移动规律及上覆岩层“三带”高度。
根据数值模型的相关标准以及设计要求，设计参数完全严格按照东沟煤矿的矿井地质柱状图进行设计，考虑到东沟矿地表落差过大，为了能够简化运算时间以及提高运行效率，故取埋深60m，通过计算煤矿下部上覆坚硬上部顶板所承受的基本负荷为y1，岩层的平均密度为2.86g/cm3，故在数值模型的上方限制区域施加11.2MPa的均布载荷。
为进一步提高运算质量，采用限制区域位移移动控制的方法，在数值模型的左右两侧施加速度为0的移动量，而模型底部设定为固定且不能移动的承载基础，因而可以自由地向下移动。岩石力学参数见如下表2。
上煤矿下部保护性煤柱体在水平轴上距离下煤矿下部开采面的安全范围内，随着下煤矿下部开采面的不断推行，在不同位置对上方采空区坚硬上部顶板的影响，以及自身回采的上覆岩层的移动规律都有着不同的变化以及特征，为了进一步深入研究其中的差异以及具体的移动特点，在设定采深为600m以及煤矿下部间距为100m的实验状态下，变换上煤矿下部保护性煤柱体在垂直方向上距下煤矿下部开采面起始位置20m、60m、100m，进行数值模拟测试研究。
4数值的模拟测试分析
4.1煤柱据下部开采面起始位置20m
在采深为600m、采高8.5m以及煤矿下部间距100m的实验状态下，上煤矿下部保护性煤柱体在水平方向上距下煤矿下部开采面起始位置20m时，随着开采面的不断推行，开采面在模拟测试开挖第6步（L=60m）时出现初次来压之后在90m、130m、170m、200m分别出现周期来压，初次来压步距为60m，周期來压步距为35m，如图1所示。
随着模型中下部煤矿下部开采面的不断推行，当推行至60m，数值模型中的覆岩结构出现了明显的破坏以及断裂，说明开采面初次来压。随着开采面的继续推行，塑性破坏的范围也随之发展而发展，而且发展影响到上方采空区。
在60m的位置时，上覆岩层已发生了断裂，分析垂直位移云图的模拟测试结果可以看出采动的影响已经使得上覆岩层在垂直位移上发生了较大变化，而且移动主要集中在采空区上方，沿着采空区下方岩层进行了发展以及破裂，发展达26m。在200m处，开采面的垂直移动停止向上发展，并逐渐转化为开采面煤壁侧发展，形成了较为稳定的下煤矿下部开采面的采动移动角，通过数值模拟测试的图像以及运算数据可以得出，最终形成的“三带”高度为62m。
4.2煤柱距下开采面起始位置60m
当上煤矿下部保护性煤柱体距下煤矿下部开采面60m时，通过数值模拟测试表明，下煤矿下部的开采面在模拟测试推行了80m时，模型中的覆岩结构出现了明显的破坏以及断裂说明开采面初次来压。随着开采面的推行，并分别在110m、150m、200m出现坍塌断裂式的周期来压，平均周期来压步距38.5m。与煤柱距下开采面起始位置20m时相比，单次周期来压在时间上滞后了半个开挖步，平均周期来压步距增加了3.5m，如图2所示。
分析上方保护性煤柱体距起始位置60m时的塑性结果，开采面80m处在下煤矿下部的起始位置出现了典型的塑性破坏以及拉伸断裂，开采面上覆上部顶板出现了清晰可见的断裂带。开采面推行中，开裂发展范围以及拉伸损伤的区域量不断发展，并呈现出同时向上以及沿两侧的发展特征，在开采面推行至200m时，塑性区破坏范围不再向上发展，上方发展达到最高峰值，之后仅沿煤壁两侧继续发展。L=60m时，开采面上方出现了强主副应力集中区，开采面继续向前推行，上方保护性煤柱体下的采空区内强主副应力集中区消失。 4.3煤柱距下开采面起始位置100m
当上煤矿下部保护性煤柱体距下煤矿下部开采面100m时，通过数值模拟测试表明，开采面在模拟测试开挖第12步（L=120m）时模型中的覆岩结构出现了明显的破坏以及断裂说明开采面初次来压。随着开采面的进一步推行，并分别在L=160m、200m出现周期来压，平均周期来压步距40m。与煤柱距下开采面起始位置20m时相比单次周期来压在时间上滞后了半个开挖步距，平均周期来压步距增加了5m，如图3所示。
从塑性区图3a、图3b可知，开采面120m处在下煤矿下部的上部顶板出现了塑性以及拉伸断裂，表明开采面初次来压。开采面接下来的推行中，开裂的发展区域不断发展，并呈现出同时向上以及沿两侧的发展特征，直至开采面推行到200m时不再向上发展。
对煤柱距下开采面起始位置100m开采面垂直主副应力分布图进行分析可知，L=120m时，开采面上方出现强主副应力集中区。
煤柱距下开采面起始位置100m时，开采面覆岩由于采动影响发生的垂直位移范围，较煤柱距下开采面起始位置60m时有明显增大，L=120m时便开始向上发展，开采面200m处垂直位移的发展区域已发展至上煤矿下部垮落形成的采空区范围内，并可能形成贯穿性的开裂。
5结论
通过对采空区保护煤柱下近距离煤层开采覆岩移动的模拟，上方采空区保护性煤柱体距下开采面起始位置处的距离分别为20m、60m和100m实验状态下，开采面回采过程中采动主副应力场的数值模拟测试研究，可以得出以下规律：
塑性区变化规律。随着上方采空区保护性煤柱体距下开采面起始位置距离的不同，开采初期塑性区破坏范围向前发展，位于保护性煤柱体下部时塑性破坏以及拉伸破坏格外严重。
垂直主副应力变化规律。由于保护性煤柱体对下部开采面开采的影响，在开采面煤壁内出现了强主副应力集中区，随着保护性煤柱体位置的不同，强主副应力集中区的位置也随之发生变化。
垂直位移的变化规律。下煤矿下部开采面在过上方保护性煤柱体前，上部顶板覆岩受采动影响较小且位移量较小。当开采面推行到保护性煤柱体之下时，上部顶板岩层移动位移增大，并向采空区垂直方向发展。
【参考文献】
[1]王成帅.采空区下近距离煤矿下部综采开采面覆岩结构特征与支架载荷研究[D].太原：太原理工大学，2013.
[2]杨敬轩，刘长友，杨宇，等.浅埋近距离煤矿下部房柱采空区下上部盖板承载及房柱尺寸[J].中国矿业大学学报，2013，42（2）：161-168.
[3]刘志耀.贺东矿近距离煤矿下部采空区下回采巷道布置优化[J].煤炭科学技术，2009（3）：24-26.
[4]孙力，杨科，闫书缘，等.近距离煤矿下部群下行开采覆岩移动特征试验分析[J].地下空间与工程学报，2014，10（5）：1158-1163.
[5]王雄偉.四台矿极近距离煤矿下部采空区下开采技术[J].煤炭科学技术，2004，32（12）：23-26.
[6]齐消寒.近距离低渗煤矿下部群多重采动影响下煤岩破断与瓦斯流动规律及抽采研究[D].重庆：重庆大学，2016.
[7]许鸣皋.近距离煤矿下部群上行开采覆岩移动与主副应力——开裂演化特征研究[D].安徽：安徽理工大学，2015.