杜君武，黃慶享

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

神東、陜北煤炭基地是國家礦產(chǎn)資源規(guī)劃中提出的重點(diǎn)建設(shè)的煤炭基地，其主采煤層具有層數(shù)多、埋藏淺、薄基巖、松散層厚等賦存特點(diǎn)，屬于典型的淺埋煤層群。目前，大部分礦井上部煤層即將或已經(jīng)開采完畢，開始轉(zhuǎn)向下部煤層開采，下部煤層覆巖結(jié)構(gòu)及垮落特征不同于單一煤層開采，生產(chǎn)實(shí)踐面臨許多技術(shù)難題[1-5]。近年來，相關(guān)學(xué)者已對煤層群開采的技術(shù)與理論進(jìn)行了研究，取得許多有益成果。楊國樞[6]等以大同礦區(qū)近距離煤層群綜放工作面二次采動為背景，研究得出下部煤層二次采動采場覆巖形成“垮落帶疊加”結(jié)構(gòu)，工作面超前支承壓力峰值及影響范圍有所減??；劉長友[7]等采用威爾布多參數(shù)分布函數(shù)得出了頂板群結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的影響因素；姜鵬飛[8]等研究了不同寬度煤柱內(nèi)部及下部煤巖體中的傳力機(jī)制，認(rèn)為隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力呈先增后降的現(xiàn)象，得出了煤柱應(yīng)力擴(kuò)散角的計算公式；李春元[9]等以埋深為270 m的煤層群下伏煤層開采為背景，研究了上部綜放開采遺留煤柱下應(yīng)力傳播規(guī)律，分析了不同寬度煤柱對下部煤層的擾動范圍；洛鋒[10]等采用物理模擬和數(shù)值分析研究得出近距離煤層底板應(yīng)變隨采動變化情況與上覆巖層壓實(shí)范圍、原始壓力載荷基數(shù)和空間邊界有關(guān)；黃慶享[11-13]等研究了淺埋近距離煤層群開采區(qū)段煤柱錯距與間隔巖層厚度的關(guān)系，提出了煤層群開采“應(yīng)力場、位移場和裂縫場”具有三場演化和耦合的特征；張春雷[14]以晉城某礦近距離煤層群開采為背景，研究了上行開采上部煤層覆巖垮落較難形成結(jié)構(gòu)，其離層高度增幅較?。煌觚堬w[15]等研究了深井近距離煤層群采空區(qū)下巷道圍巖變形特征及支護(hù)技術(shù)；黃慶享[16-17]等研究了淺埋煤層群高強(qiáng)度開采的覆巖和地表裂縫發(fā)育規(guī)律，揭示了下部煤層開采的覆巖裂隙二次擴(kuò)展機(jī)理；胡永忠[18]等通過物理模擬研究了煤層群混合開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，得出了煤層群上行和下行開采裂采比的變化特征；侯運(yùn)炳[19]等采用連續(xù)損傷模型研究了近距離煤層層間基本頂?shù)膿p傷及破斷規(guī)律。以上研究針對覆巖垮落特征、煤柱應(yīng)力傳遞規(guī)律及裂隙擴(kuò)展規(guī)律等開展了大量研究，然而對淺埋煤層群下部煤層二次采動影響下的“煤柱-頂板結(jié)構(gòu)”協(xié)同效應(yīng)及其區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的研究較少涉及。實(shí)踐表明，淺埋煤層群上、下煤層開采相互影響嚴(yán)重，覆巖結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜。下部煤層煤柱應(yīng)力集中程度高，巷道受壓狀況和范圍具有不確定性，易誘發(fā)強(qiáng)礦壓災(zāi)害[20-23]。

本文以檸條塔煤礦淺埋煤層群開采為工程背景，首先采用物理模型和數(shù)值計算研究下部煤層區(qū)段煤柱與上部采空區(qū)遺留煤柱不同位置組合時的覆巖垮落規(guī)律及結(jié)構(gòu)演化特征、煤柱應(yīng)力分布規(guī)律和地表移動規(guī)律；然后采用極限強(qiáng)度理論，分析不同錯距時的煤柱穩(wěn)定性；最后，綜合確定下部煤層巷道及煤柱留設(shè)的方法和位置，為淺埋煤層群下部煤層巷道減壓和地表減損開采提供參考。

1 工程背景

陜北檸條塔煤礦北翼東區(qū)主采1-2和2-2煤層，未開采3-1煤層。其中1-2煤層已開采，2-2煤層上方為1-2煤層采后形成的“采空區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”空間結(jié)構(gòu)。1-2煤層遺留煤柱形成的集中應(yīng)力區(qū)對2-2煤層工作面回采巷道的留設(shè)造成潛在安全隱患。

1-2煤層平均厚度1.8 m，2-2煤層平均厚度5.0 m。1-2煤層平均埋深110 m左右，基巖厚度50～90 m，松散層厚度50～100 m。1-2與2-2煤層間距平均35.68 m，屬于淺埋煤層群開采。1-2煤層工作面寬度245 m，2-2煤層工作面寬度295 m，留設(shè)區(qū)段煤柱寬度20 m。礦井采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。

主采煤層賦存基本情況見表1，煤層頂?shù)装甯艣r見表2。

表1 主采煤層與層間距厚度Table 1 Thickness of main coal seam and interval strata

表2 煤層頂?shù)装甯艣rTable 2 Table of coal seam roof and floor

2 淺埋煤層群下部煤層覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1 下部煤層覆巖結(jié)構(gòu)特殊性

上部煤層開采后覆巖經(jīng)歷一次采動破壞，直接頂不規(guī)則垮落，在采空區(qū)排列不整齊。基本頂破斷后排列較整齊，形成咬合砌體梁結(jié)構(gòu)。上部煤層采后形成“采空區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”結(jié)構(gòu)。遺留煤柱附近覆巖垮落不充分，形成“倒梯形”煤柱支撐區(qū)結(jié)構(gòu)。采空區(qū)位置覆巖垮落充分，載荷接近于原巖應(yīng)力。此外，上、下部煤層之間存在間隔巖層，上部煤層開采對其具有一定的損傷。因此，下部煤層覆巖結(jié)構(gòu)由一次采動影響覆巖和間隔巖層組成，覆巖結(jié)構(gòu)特殊，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，如圖1所示。

圖1 下部煤層“特殊覆巖結(jié)構(gòu)”示意Fig.1 Special overburden structure schematic of lower seam

2.2 間隔巖層分類

根據(jù)間采比G(間隔巖層厚度與下部煤層采高之比)，煤層群間隔巖層可分為層內(nèi)無關(guān)鍵層、單一關(guān)鍵層和雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)3種類型[24]。筆者主要研究第2類淺埋煤層群開采情況，即間隔巖層存在單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，間采比為7.14。

2.3 煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用強(qiáng)動載效應(yīng)

根據(jù)筆者前期調(diào)查研究，間隔巖層存在單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)時，下部煤層工作面區(qū)段煤柱應(yīng)力集中及巷道礦壓顯現(xiàn)受煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用影響。上部煤層遺留煤柱附近不充分垮落覆巖與上方形成的“倒梯形”煤柱支撐區(qū)結(jié)構(gòu)易受二次采動復(fù)活，導(dǎo)致間隔巖層瞬間跳躍性突變失穩(wěn)，引發(fā)的強(qiáng)動載效應(yīng)易造成下部煤層區(qū)段煤柱失穩(wěn)，對巷道安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。煤柱-頂板協(xié)同作用強(qiáng)動載效應(yīng)如圖2所示。本文研究旨在避免此類狀況發(fā)生，為生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用強(qiáng)動載效應(yīng)示意Fig.2 Schematic diagram of strong dynamic load effect of coal pillar roof structure synergy

3 不同煤柱錯距覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

3.1 物理模擬方案

以研究區(qū)域地質(zhì)條件和NBK26號鉆孔數(shù)據(jù)為背景，設(shè)計上、下部煤層傾向覆巖結(jié)構(gòu)演化物理模型，幾何相似比為1∶200。相似材料選取河沙、石膏、石灰粉，分層材料為云母粉。根據(jù)研究區(qū)域地質(zhì)資料、覆巖力學(xué)性質(zhì)及相似原理確定相似材料配比，根據(jù)配比號確定各分層質(zhì)量后逐層鋪裝。

為消除邊界效應(yīng)，上、下部煤層左、右工作面兩側(cè)各留設(shè)80 m邊界煤柱，待1-2煤層(上部煤層)左、右工作面開采覆巖垮落穩(wěn)定，形成“采空區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”空間結(jié)構(gòu)后，開采2-2煤層(下部煤層) 左側(cè)和右側(cè)工作面。試驗(yàn)中，為保證上、下部煤層左右工作面傾向均達(dá)到充分采動，上部煤層左右 兩側(cè)工作面寬度均為245 m。下部煤層左側(cè)工作面由窄變寬，模擬不同的煤柱錯距，觀測不同煤柱錯距的覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。在物理模型頂部布置10個百分表，監(jiān)測地表沉降規(guī)律。上、下煤層工作面間區(qū)段煤柱寬度均為20 m。物理模擬方案如圖3所示。

圖3 物理模擬開挖方案Fig.3 Physical simulation excavation scheme

3.2 不同區(qū)段煤柱錯距覆巖垮落特征

3.2.1 上、下部煤層煤柱重疊布置

上、下部煤層區(qū)段煤柱重疊布置時，間隔巖層向下部煤層左側(cè)采空區(qū)回轉(zhuǎn)觸矸，并出現(xiàn)上行裂隙，但未貫通上部煤層采空區(qū)，間隔巖層未破斷。此時，上部煤層遺留煤柱左側(cè)邊界裂隙活化，上部煤層“倒梯形”煤柱集中支撐區(qū)對下部煤層工作面影響顯著，覆巖不均勻沉降明顯，如圖4所示。

圖4 重疊布置Fig.4 Overlapped layout

3.2.2 上、下部煤層煤柱錯距20 m

待覆巖垮落穩(wěn)定后，將上、下部煤層區(qū)段煤柱錯距增大至20 m(中心距)。此時，間隔巖層繼續(xù)向采空區(qū)回轉(zhuǎn)垮落，上行裂隙進(jìn)一步向上擴(kuò)展，但仍未貫通上部煤層采空區(qū)。上部煤層遺留煤柱左側(cè)邊界裂隙進(jìn)一步活化擴(kuò)大，如圖5所示。

圖5 煤柱錯距20 mFig.5 Offset distance is 20 m

3.2.3 上、下部煤層煤柱錯距40 m

待覆巖垮落穩(wěn)定后，將煤柱錯距增大至40 m。此時，間隔巖層出現(xiàn)明顯豎向裂隙，裂隙貫通整個間隔巖層，間隔巖層開始破斷。上部“倒梯形”煤柱支撐區(qū)開始整體沉降，上部煤層遺留煤柱左側(cè)邊界裂隙減小，如圖6所示。

圖6 煤柱錯距40 mFig.6 Offset distance is 40 m

3.2.4 上、下部煤層煤柱錯距60 m

待覆巖垮落穩(wěn)定后，將煤柱錯距增大至60 m。此時，間隔巖層完全破斷，破斷角50°?！暗固菪巍泵褐螀^(qū)與間隔巖層整體沉降，上部煤柱左側(cè)邊界裂隙基本閉合。此時，覆巖不均勻沉降減緩，下部煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力集中程度最小，如圖7所示。

圖7 煤柱錯距60 mFig.7 Offset distance is 60 m

3.2.5 下部煤層右側(cè)工作面開采

為進(jìn)一步研究煤柱影響區(qū)覆巖垮落特征，當(dāng)上、下部煤層錯距60 m時，留設(shè)20 m區(qū)段煤柱，對下部煤層右側(cè)工作面進(jìn)行開采。試驗(yàn)結(jié)束后，下部煤 層區(qū)段煤柱右側(cè)覆巖垮落與左側(cè)基本對稱，說明下部煤層左側(cè)工作面從左向右開采模擬不同煤柱錯距是可行的，如圖8所示。

圖8 煤柱影響區(qū)覆巖對稱性垮落結(jié)構(gòu)Fig.8 Symmetrical caving structure of overburden of coal pillars affected area

3.3 不同煤柱錯距時覆巖和地表移動破壞特征

受二次采動影響，上部“采空區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”結(jié)構(gòu)經(jīng)歷活化—張裂—閉合的演化過程，但不同錯距條件下的煤柱-頂板結(jié)構(gòu)，覆巖均勻沉降和地表損害程度不同。當(dāng)區(qū)段煤柱重疊布置或錯距較小時，上部煤層遺留煤柱邊界裂隙和覆巖離層裂隙活化、擴(kuò)大，造成覆巖不均勻程度增大，地表產(chǎn)生集中拉裂隙，損傷嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯凸起的“駝峰狀”下沉盆地，如圖9所示。

圖9 煤柱重疊布置時地表產(chǎn)生集中拉裂隙Fig.9 Concentrated tension cracks on the surface with overlapped layout of coal pillars

當(dāng)區(qū)段煤柱錯距增大至60 m左右時，間隔巖層破斷效應(yīng)使覆巖沉降趨于均勻，煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，使下部煤層區(qū)段煤柱造成的地表拉伸區(qū)與上部煤層區(qū)段煤柱造成的地表壓縮區(qū)重合，形成拉、壓區(qū)疊加效應(yīng)，覆巖和地表裂隙寬度減小、閉合。煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用范圍內(nèi)，地表呈“平鍋底狀”下沉盆地，如圖10所示。

圖10 煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用地表集中拉裂隙閉合Fig.10 Surface concentrated tension crack is closed with coupling effect of coal pillars and roof structure

根據(jù)物理模型頂部10個百分表數(shù)據(jù)，整理出下部煤層右側(cè)工作面開采結(jié)束后的地表下沉曲線，如圖11所示。分析數(shù)據(jù)可得：上、下煤層區(qū)段煤柱錯距為60 m時，上、下部煤層煤柱“倒梯形”影響范圍內(nèi)(240～400 m)地表最大下沉量為4.33 m，最小下沉量為3.61 m。煤柱-頂板結(jié)構(gòu)影響范圍內(nèi)，地表整體表現(xiàn)為均勻沉降。

圖11 地表沉降規(guī)律物理模擬結(jié)果Fig.11 Physical simulation results of surface subsidence law

4 煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用數(shù)值計算

4.1 不同錯距煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

為掌握不同煤柱錯距時下部煤層煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，建立UDEC數(shù)值計算模型，計算方案與物理模擬一致，分別模擬煤柱重疊布置、錯距20，40，60，70 m時的狀態(tài)。

根據(jù)UDEC數(shù)值計算，并以煤柱集中應(yīng)力峰值為依據(jù)(即在彈性狀態(tài)下取值)，下部煤層區(qū)段煤柱與上部煤層區(qū)段煤柱由重疊到錯距不斷增大布置時，煤柱集中應(yīng)力疊加效應(yīng)不斷減小。下部煤層煤柱的應(yīng)力峰值呈先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，煤柱內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)范圍呈先減小后增大的趨勢。

當(dāng)上、下煤柱重疊布置時，下部煤層煤柱應(yīng)力峰值為32 MPa；當(dāng)錯距為40 m時，煤柱應(yīng)力峰值為22 MPa；當(dāng)錯距大于60 m時，應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定在20 MPa，應(yīng)力峰值較重疊布置減小33.3%，煤柱穩(wěn)定性較好；當(dāng)錯距大于70 m時，應(yīng)力峰值基本不變，但煤柱內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)范圍明顯增大，煤柱穩(wěn)定性差，不利于巷道安全。不同煤柱錯距時下煤層煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖12所示。

圖12 不同錯距時下部煤層煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律Fig.12 Vertical stress of lower seam coal pillar in different offset distance

4.2 不同煤柱錯距覆巖結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)UDEC數(shù)值計算，間隔巖層的完整性決定著下部煤層煤柱的受力狀態(tài)。隨著下部煤層工作面區(qū)段煤柱與上部煤層遺留煤柱錯距的不斷增大，上覆一次采動影響覆巖及間隔巖層向下部煤層左側(cè)工作面采空區(qū)回轉(zhuǎn)，間隔巖層有2個臨界狀態(tài)：開始破斷臨界狀態(tài)(錯距40 m)；完全破斷臨界狀態(tài)(錯距60 m)，如圖13所示。

圖13 間隔巖層破斷臨界條件Fig.13 Critical condition of the interlayer roof fracture

下部煤層煤柱處于2個臨界狀態(tài)之間，應(yīng)力集中程度最低，為減壓區(qū)，有利于回采巷道的安全，UDEC數(shù)值計算與物理模擬結(jié)果基本吻合。

4.3 不同區(qū)段煤柱錯距地表移動規(guī)律

淺埋煤層群重復(fù)采動，地表傾向移動破壞程度與上、下煤層工作面區(qū)段煤柱布置方式有關(guān)，不同的上、下煤層區(qū)段煤柱錯距，覆巖不均勻沉降程度不同，地表的損害程度亦不同。

為揭示煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用地表移動規(guī)律，定義地表不均勻下沉系數(shù)Cus為

式中，Cus為地表不均勻沉降系數(shù)；wmax為地表最大下沉量，m；wmin為地表最小下沉量，m。

地表不均勻沉降系數(shù)越大，地表損害越嚴(yán)重，覆巖不均勻沉降程度越大，煤柱-頂板結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中程度越高。根據(jù)UDEC數(shù)值計算，不同區(qū)段煤柱錯距時，地表移動規(guī)律如圖14所示。

圖14 不同區(qū)段煤柱錯距地表移動規(guī)律Fig.14 Surface subsidence law with different offset distance of coal pillars

分析圖14可得：

(1) 煤柱-頂板協(xié)同作用范圍外，下部煤層開采地表最大下沉量為4.35 m。煤柱-頂板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用范圍內(nèi)，不同區(qū)段煤柱錯距，地表不均勻下沉程度不同。

(2) 當(dāng)區(qū)段煤柱重疊布置時，煤柱-頂板影響范圍地表最小下沉量為0.92 m，地表不均勻沉降系數(shù)為0.79，煤柱兩側(cè)地表拉裂隙集中，地表下沉盆地?fù)隙群艽?，呈明顯的“駝峰狀”下沉盆地。

(3) 當(dāng)錯距為20 m時，地表最小下沉量為1.41 m，地表不均勻沉降系數(shù)為0.68；當(dāng)錯距為40 m時，地表最小下沉量為2.62 m，地表不均勻沉降系數(shù)為0.40，“駝峰狀”下沉盆地梯度減緩。

(4) 當(dāng)錯距為60 m時，地表最小下沉量為3.71 m，地表不均勻沉降系數(shù)減小為0.15，此時下部煤層區(qū)段煤柱側(cè)地表拉伸區(qū)與上部煤層遺留煤柱側(cè)地表壓縮區(qū)疊加，地表及巖層中的拉裂隙明顯減小，地表不均勻沉降明顯減緩，整體呈現(xiàn)“近平鍋底狀”下沉盆地。

根據(jù)物理模擬試驗(yàn)，上、下部煤層煤柱錯距為60 m時，煤柱-頂板結(jié)構(gòu)影響范圍內(nèi)，地表最大下沉量為4.33 m，最小下沉量為3.61 m，地表不均勻沉降系數(shù)為0.17，與數(shù)值計算結(jié)果基本吻合。

5 不同錯距煤柱穩(wěn)定性及工程驗(yàn)證

5.1 下部煤層區(qū)段煤柱載荷計算

工作面開采后，工作面間的煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中，建立煤柱承擔(dān)荷載計算模型，如圖15所示。

圖15 煤柱荷載計算模型Fig.15 Calculation model of coal pillar load

則，煤柱頂部的平均應(yīng)力pz為

式中，pz為煤柱頂部的平均應(yīng)力，MPa；a為煤柱寬度，m；H1為基巖厚度，m；1γ為基巖平均容重，kN/ m3；H2為土層厚度，m；2γ為土層平均容重，kN/m3；1α為基巖破斷角，(°)；2α為土層破斷角，(°)。

結(jié)合檸條塔煤礦北翼東區(qū)開采實(shí)踐，以及NBK26號鉆孔數(shù)據(jù)和物理模擬的結(jié)果，1α＝60°，α2=65°，a=20 m，γ1=24 kN/m3，H1＝81.9 m，γ2= 19 kN/m3，H2=94.7 m。將以上參數(shù)代入式(2)中，得出下部煤層煤柱的平均應(yīng)力pz=21 MPa。

考慮上部煤層遺留煤柱影響，取1.5倍的安全系數(shù)。因此，下部煤層煤柱應(yīng)力峰值為31.5 MPa，與UDEC數(shù)值計算結(jié)果得出的32.0 MPa相符。

5.2 下部煤層區(qū)段煤柱極限強(qiáng)度

煤柱穩(wěn)定性與煤體本身的強(qiáng)度、煤柱尺寸及受載情況有關(guān)，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煤柱極限強(qiáng)度通 常采用Bieniawski公式計算：

式中，sσ為煤柱極限強(qiáng)度，MPa；cσ為煤柱的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；h為遺留煤柱的高度，m；a為遺留煤柱的寬度，m；當(dāng)a/h＞5時，n=1.4；當(dāng)a/h＜5時，n=1。

檸條塔煤礦2-2煤層單軸抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa左右，煤柱寬度20 m，采高平均5.0 m，煤柱寬高比為4.0，n取1.0，代入式(3)得到下部煤層煤柱極限強(qiáng)度σs為25.8 MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)[25]，煤柱安全系數(shù)計算公式為 式中，sσ為煤柱極限強(qiáng)度，MPa；Pzm為煤柱承受最大應(yīng)力，MPa。

根據(jù)UDEC數(shù)值計算和理論計算結(jié)果，上、下煤柱重疊布置時，煤柱最大應(yīng)力為32 MPa。錯距20 m時，煤柱最大應(yīng)力為29 MPa；錯距40 m時，煤柱最大應(yīng)力為22 MPa；錯距大于60 m時，煤柱應(yīng)力峰值基本維持在20 MPa。代入式(4)得到當(dāng)煤柱重疊布置、錯距20，40，60 m的安全系數(shù)分別為0.8，0.9，1.2，1.3。

由極限強(qiáng)度理論可得，當(dāng)煤柱所承受的應(yīng)力峰值超過煤柱的極限強(qiáng)度時，煤柱不穩(wěn)定，容易破壞。當(dāng)煤柱所承受的應(yīng)力峰值小于煤柱的極限強(qiáng)度，煤柱穩(wěn)定。因此，當(dāng)上、下部煤層煤柱錯距小于40 m時，煤柱應(yīng)力峰值大于煤柱極限強(qiáng)度，安全系數(shù)小于1.0，煤柱穩(wěn)定性差，巷道維護(hù)困難；當(dāng)煤柱錯距大于40 m時，煤柱應(yīng)力峰值小于煤柱極限強(qiáng)度，安全系數(shù)大于1.0，煤柱穩(wěn)定，有利于巷道安全。

在檸條塔煤礦北翼東區(qū)2-2與1-2煤層重復(fù)采動過程中進(jìn)行了試驗(yàn)。當(dāng)上、下煤層區(qū)段煤柱錯距為60 m左右(約為間隔巖層厚度的1.7倍)時，下煤層工作面回采巷道煤柱幫較穩(wěn)定，地表沉降平緩，明顯小于上、下煤柱重疊布置區(qū)。

6 結(jié)論

(1) 淺埋煤層群下部煤層開采時，上部“采空 區(qū)-遺留煤柱-采空區(qū)”結(jié)構(gòu)不充分垮落和間隔巖層突然破斷形成的強(qiáng)動載，易造成下部煤層區(qū)段煤柱失穩(wěn)，威脅巷道安全。

(2) 煤柱重疊布置或錯距較小時，覆巖垮落不充分，不均勻沉降程度高，覆巖和地表裂隙發(fā)育。煤柱錯距增大至一定程度，間隔巖層完全破斷，上部“倒梯形”煤柱支撐區(qū)與間隔巖層整體沉降，覆巖垮落充分，不均勻沉降程度降低，地表損害減緩。

(3) 下部煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值隨錯距的增大，呈先減小后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。下部煤層區(qū)段煤柱位于間隔巖層開始破斷和完全破斷2種狀態(tài)之間時，煤柱處于減壓區(qū)。隨著錯距增大，地表不均勻沉降系數(shù)減小，最終地表下沉盆地呈“近平鍋底狀”，地表裂縫最小。

(4) 上、下部煤層區(qū)段煤柱錯距對煤柱的安全系數(shù)具有明顯影響。煤柱重疊布置和錯距較小時，煤柱應(yīng)力峰值最大，煤柱安全系數(shù)最小，巷道維護(hù)困難。煤柱錯距約為間隔巖層厚度的1.7倍時，煤柱應(yīng)力峰值較小，有利于巷道安全。