多煤层开采煤柱稳定性评价方法研究

摘 要：条带开采是国内外应用最广泛的控制地表沉陷、保护地面建筑物和生态环境的技术，同时也是绿色开采技术体系的主要技术措施之一。

关键词：多煤层；条带；稳定性；评价；开采沉陷

条带开采是国内外应用最广泛的控制地表沉陷、保护地面建筑物和生态环境技术，同时也是绿色开采技术体系的主要技术措施之一。国内外对条带开采进行了大量研究，取得了丰硕的成果，在单一煤层条带开采预测方法及预测参数、煤柱稳定性评价方法等进行了大量研究，但对多煤层条带开采的相关研究较少，特别是对多煤层条带开采煤柱的稳定性、地表移动预测参数等研究更少见，尚未提出合理的多煤层条带开采煤柱稳定性评价方法及地表移动参数选取方法，致使在多煤层条带开采设计和地表移动预测存在盲目性，限制了多煤层条带开采的应用。为此，基于梁理论，建立了多煤层条带开采下煤层开采宽度及煤柱稳定性评价方法，为多煤层条带开采设计提供了基础理论。

一、影响多煤层条带开采煤柱稳定性的因素

进行多煤层条带开采设计时，应考虑的关键问题为：

1.条带煤柱的稳定性。多煤层条带开采与单一煤层不同之处是上下煤柱相互作用，从而影响煤柱的稳定性，因此进行多煤层条带煤柱稳定性研究，必须考虑上下煤柱的协同作用关系。

2.地表移动变形预测及预测参数选取。多煤层条带开采空间位置关系复杂，给参数选取带来了一定难度。影响多煤层条带煤柱稳定性的因素主要有：开采深度、下煤层开采宽度、层间距、层间岩性、上煤层采宽及回采率等。其影响规律主要为：

（1） 当上下煤层条带煤柱对齐时，下煤层开采宽度、层间距、层间岩性对条带煤柱稳定性的影响较小，因此条带煤柱的稳定性与单一煤层开采相似，可以采用现有的单一煤层条带煤柱的稳定性分析方法进行多煤层条带煤柱稳定性分析。

（2） 当上下煤柱不对齐时，下煤层煤柱的稳定性仍然可以采用现有的单一煤层条带煤柱稳定性理论进行研究。值得注意的是，由于上下煤柱不对齐，使下煤层煤柱所受的应力存在差异，在进行分析时，要区别对待，保证受力最大的煤柱的稳定性。对于上煤层煤柱的稳定性，除考虑自身的稳定性外，还受到层间岩体稳定性的影响。

因此，必须考虑层间岩体的稳定性。而影响层间岩体稳定性的因素有：开采深度、下煤层开采宽度、层间距、层间岩性、上煤层采宽及回采率等，其中影响最大的为下煤层开采宽度、层间距、层间岩性，当层间距、层间岩性一定的情况下，下煤层采宽就决定了上煤层煤柱的稳定性。因此从这一意义上说，当多煤层条带开采煤柱不对齐时，影响煤柱稳定性的关键是下煤层条带开采宽度，下煤层采宽成为多煤层条带煤柱稳定性的关键因素。

二、多煤层条带开采时煤柱稳定性评价方法

1.上下煤柱对齐条件下，煤柱稳定性评价方法

前面已经论述，当上下煤柱对齐时，上下煤柱的稳定性可以采用单一煤层煤柱稳定性评价方法，即采用下式进行评价：

2.上下煤柱不对齐条件下煤柱稳定性评价方法

根据上节的分析，当上下煤柱不对齐时，对于上下煤层煤柱稳定性，要分开考虑。

2.1 下煤层煤柱稳定性评价方法

下煤层煤柱稳定性评价方法，但由于上下煤柱不对齐，导致不同煤柱承担的覆岩重量不一样，因此在进行评价时，要考虑煤层间受力的差异。如图1 所示，左右煤柱所受应力分别为：

图1 上、下煤层留煤柱部分重叠模型图

2.2 上层煤煤柱稳定性评价方法

上层煤柱稳定性评价从两方面考虑，一是保证上煤层煤柱自身的稳定性进行稳定性评价；二是要保证层间岩体不破坏，才能保证上煤层的稳定性。在开采深度、层间距、层间岩性、上煤层采留宽等确定的情况下，要保证层间岩体的稳定性，必须控制好下煤层的开采宽度。因此合理确定下煤层开采宽度，就保证了层间岩体的稳定性，从而保证了上煤层煤柱的稳定性。上、下条带煤柱完全错开时的力学模型如图2所示。

图2 上、下条带煤柱完全错开时的力学模型

由上面的分析可以看出，要保证上煤层煤柱的稳定性，就必须保证层间岩体不破坏，由于岩体的抗拉强度小于抗压和抗剪强度，层间岩体的破坏主要是拉破坏，因此必须满足下式才能保证层间岩体不破坏：在一定开采条件下，开采深度、层间距、覆岩岩性等都一定的，唯一可变的是上下煤层的开采宽度和留设宽度，从上面的分析可以看出，要保证层间岩体不破坏，在上下煤柱不对齐的条件下，必须控制下煤层的开采宽度。因此，下煤层的开采宽度成为保证上煤层煤柱稳定的最大因素。

三、实例分析

在实际进行某个多煤层条带开采设计时，其采深、上覆岩层的容重、上下煤层的层间距以及煤层间岩层的容重都是确定的。

相似材料模型，模拟中硬岩层开采条件，开采深度200m，上下煤层采宽各为40m，层间距20m，上下煤层开采厚度分别为5m，上下煤柱完全错开。根据计算下煤层最大采宽为21.2m，由于下煤层实际开采宽度为40m，大于下煤层最大采宽，下煤层开采后，层间岩层垮落，上煤层煤柱压入下煤层采空区，与实际相符。

实例分析表明，确定的下煤层最大采宽与实际是相符的，可以采用上述两式进行下煤层最大开采宽度设计，为多煤层条带开采设计提供了技术方法。

四、结 论

1. 当上下煤层条带煤柱对齐时，下煤层开采宽度、层间距、层间岩性对条带煤柱稳定性的影响较小，因此条带煤柱的稳定性与单一煤层开采相似，可以采用现有的单一煤层条带煤柱的稳定性分析方法进行多煤层条带煤柱稳定性分析。

2.当上下煤柱不对齐时，下煤层煤柱的稳定性仍然可以采用现有的单一煤层条带煤柱稳定性评定方法进行评定。当由于上下煤柱不对齐，计算下煤层煤柱的应力，并保证受力最大的煤柱的稳定性。

3.对于上煤层煤柱的稳定性，除考虑自身的稳定性外，还受到层间岩体稳定性的影响，因此，必须考虑层间岩体的稳定性。当层间距、层间岩性一定的情况下，下煤层采宽就决定了上煤层煤柱的稳定性。从这一意义上说，多煤层条带煤柱的稳定性实质就是下煤层条带开采宽度的设计，可以根据设计下煤层开采宽度，以保证层间岩体不破坏，从而保证上煤层的稳定性。

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作者简介：陈立胜，男，1979-，助理工程师，现在龙煤矿业集团鸡西分公司滴道盛和煤矿工作。