浅埋近距离房式采空区下应力场分析及动压机理研究

霍丙杰1,范张磊1,谢 伟2,段志华1,路洋波1,荆雪冬1

(1.辽宁工程技术大学 矿业学院,辽宁 阜新 123000;2.神东天隆集团有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000)

摘 要:针对因房式采空区煤柱留设情况复杂,煤柱底板应力传递相互叠加,周期来压异常,霍洛湾煤矿3-1煤层过上覆2-2煤层房式采空区强矿压及动压现象的问题,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,建立了2-2煤层房式采空区复合煤柱底板传递规律模型,探讨了出煤柱时顶板覆岩结构,揭示了煤柱影响条件下3-1工作面“高应力-煤柱-覆岩运动”联合作用动压机理。研究结果表明:2-2煤层房式采空区大煤柱下的水平与垂直应力较高,达9.7~15.3 MPa;垂直应力影响深度为42~58 m,水平应力影响深度为10~23 m,剪应力波及范围25~50 m;当3-1煤层工作面在20 m或50 m宽煤柱下开采时,超前支承应力较大,应力集中系数高达4.44~5.00;3-1煤层工作面出大煤柱时的动压现象是由上下煤层应力叠加、煤柱上方倒梯形岩柱失稳与顶板垮裂运动联合作用的结果,可指导霍洛湾矿3-1煤层安全开采。

关键词:浅埋煤层;房式采空区;应力场;超前支承应力;覆岩结构

中图分类号:TD323

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2019)01-0179-08

霍丙杰,范张磊,谢 伟,等.浅埋近距离房式采空区下应力场分析及动压机理研究[J].煤炭科学技术,2019,47(1):179-186.

doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.01.025

HUO Bingjie,FAN Zhanglei,XIE Wei,et al.Stress field analysis and study on dynamic mechanism under goaf of shallow depth and closed distance room and pillar mining[J].Coal Science and Technology,2019,47(1):179-186.

doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.01.025

收稿日期:2018-11-01;

责任编辑:曾康生

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51504127)

作者简介:霍丙杰(1980—),男,山西朔州人,博士,副教授。

通讯作者:范张磊(1992—),男,河南商丘人,硕士研究生。E-mail:huobingjie@163.com

Stress field analysis and study on dynamic pressure mechanism under goaf of shallow depth and closed distance room and pillar mining

HUO Bingjie1,FAN Zhanglei1,XIE Wei2,DUAN Zhihua1,LU Yangbo1,JING Xuedong1

(1.School of Mining, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;2.Shendong Tianlong Group Company Limited, Ordos 017000,China)

Abstract:According to the complicated condition of the coal pillars left in the room and pillar mining goaf, such as the stress transmission of the coal pillar floor was overlapped, the periodic weighting was abnormal as well as the strong mine rock pressure and dynamic pressure phenomenon when No. 3-1 seam in Huoluowan Mine was passed thought the overburden room and pillar mining goaf in No. 2-2 seam, a theoretical analysis, numerical calculation, similar material simulation and other methods were applied to establish a model of the floor stress transmission law for the complex coal pillar in the room and pillar mining goaf of No. 2-2 seam. The paper had a discussion on the roof overburden structure when the coal pillar was passed and the combined action dynamic pressure mechanism of the "high stress - coal pillar - overburden rock movement" in No. 3-1 coal mining face under the influence condition of the coal pillars was reveal. The study results showed that under the large coal pillars in the room and pillar mining goaf in No.2-2 seam, the horizontal and vertical stresses were high and could research 9.7~15.3 MPa. The influence depth of the vertical stress was 42~58 m, the influence depth of the horizontal stress was 10 ~ 23 m and the shear stress affected scope was 25~50 m. When No.3-1 coal mining face was mining under the coal pillars with a wide of 20 m or 50 m, the advance support stress would be high and the stress concentration coefficient would be 4.44~5.00.When the coal mining face in No. 3-1 seam passed through the above large coal pillars, the dynamic pressure phenomenon would be the stress superposition from the upper seam to the lower seam. The inverted trapezoid rock pillar instability above the coal pillar and the roof collapsed movement combined effect results could guide the safety mining of No. 3-1 seam in Huoluowan Mine.

Key words:shallow depth seam; goaf of room and pillar mining; stress environment; advanced support pressure; overburden structure

0 引 言

浅埋房式采空区煤柱留设情况复杂,煤柱底板应力传递相互叠加,改变了下位煤层的顶板结构和应力场状态,周期来压异常。浅埋煤层基载比小且具有单一关键层覆岩特征,老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构,基岩厚度较大时,将形成双关键层结构,下位关键层破断引发周期小压,上下关键层同时垮断引发周期大压并具有明显的动载现象,断裂运动波及地表且支架处于给定失稳载荷状态[1-4]。多煤层开采时,煤层间距的大小对下位煤层顶板的完整性及矿压显现有着重要影响[5-7]

近距离多煤层开采中其上煤层采用房式回采工艺开采后形成的房式采空区,破坏下煤层顶板结构的连续性,大量不同尺寸残留煤柱在底板形成应力集中,导致下煤层应力状态发生变化,和普通采空区下煤层开采相比,将出现新的矿压显现现象[8-9]。解兴智[10]提出房柱式采空区上部覆岩在一定的采高范围内存在叠合梁结构,上位悬臂梁与下位悬臂梁失稳的不同周期性会引起工作面来压的不等距性及强度的不等性,是长壁采场支架失稳的主要原因;屠世浩等[11]对浅埋煤层开采引起覆岩变形破坏、岩体弹性能聚集造成冲击式来压和压架机理、地表移动规律和井下矿压规律关系等进行了研究;杨治林[12]认为浅埋煤层顶板强烈来压主要是由结构滑落失稳造成的,控制台阶下沉的实质是控制岩块沿煤壁的滑落失稳;李浩荡等[13]提出了过集中煤柱时工作面上方悬而未冒的基本顶的失稳切冒且无法形成稳定结构是大面积、瞬间压架的根本原因;赵吉玉等[14]采用矿压显现观测、支架工作阻力观测和理论分析的方法,对工作面在实体煤下、房式采空区下和不同房柱尺寸条件下的矿压显现进行对比分析。就煤柱底板应力传递规律方面:杨敬轩等[15]分析了采空区留设煤柱承受双线性和均布载荷时对底板岩层应力与能量分布的影响;李胜等[16]采用理论研究与数值模拟的方法对煤柱的应力传递规律进行研究,并应用土力学原理对集中应力和线性应力在岩体中垂直近似传递规律公式进行推导;张淑坤等[17]采用改进矩阵力法并结合数值模拟对煤柱群-顶板结构荷载传递规律进行研究;许磊等[18]采用FLAC3D模拟了残余煤柱底板偏应力场分布特征;朱志洁等[19]采用数值模拟和现场实测的方法,对上部重叠煤柱与采动耦合作用下的围岩应力演化规律进行研究;门建光等[20]采用理论分析、数值模拟、现场实测的方法,分析了倾斜煤层采场倾向岩体运移特征及煤层倾角与煤柱应力之间的关系。

对于房式采空区不同尺寸煤柱底板应力传递的叠合效应条件下应力环境及对下位煤层采动应力影响的研究很少,而对过大煤柱强矿压显现及动压机理有待于进一步研究。笔者以霍洛湾煤矿2-2煤层房式采空区下近距离3-1煤层长壁开采为研究对象,采用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法探讨复合煤柱底板应力分布特征及动压机理。

1 工程概况

1.1 房式采空区特征及煤岩力学参数

霍洛湾矿3-1煤层平均埋深178 m,厚度平均为3.86 m,为厚煤层,倾角平缓,一般0°~3°,煤层厚度变化小,全井田可采,结构简单,属稳定煤层,采用走向长壁一次采全高工艺进行回采。

2-2煤层房式采空区位于3-1煤层上方30 m处,煤房宽度为6 m,煤柱尺寸为8 m,煤厚平均为5.36 m,且为避免大面积冒顶,每隔90 m划为不同开采区段,区段间根据顶板完整性留设20 m、50 m隔离煤柱带(图1),煤岩力学参数见表1。

图1 2-2煤层房式采空区煤柱留设
Fig.1 Layout of coal pillar in No.2-2 coal seam room mining gob

表1 霍洛湾煤矿2-2、3-1煤层物理力学参数
Table 1 Mechanical parameters of No.2-2,No.3-1coal seam in Huoluowan Coal Mine

岩层岩柱厚度/m体积力/(kN·m-3)抗拉强度/MPa剪切模量/GPa体积模量/GPa细粒砂岩主关键层20.2623.531.953.976.02砂质泥岩—1.5123.32.184.216.122-2煤—5.3614.70.820.671.60泥岩—4.2123.81.582.734.35砂质泥岩—2.0923.32.184.216.12细粒砂岩—2.5423.531.953.976.02砂质泥岩—4.723.32.184.216.12细粒砂岩亚关键层11.7123.531.953.976.02粉砂岩—7.8622.094.243.465.26砂质泥岩—1.8823.32.184.216.123-1煤—4.1614.70.820.671.60泥岩—1.9423.82.182.734.35

2 房式采空区煤柱影响分析

2.1 房柱稳定性分析及隔离煤柱载荷计算

煤柱承载超过其自身强度时将发生失稳破坏,其失稳判据[21]

Kσp/σc1(0.778+0.222w/h)

(1)

式中:K为安全系数;σp为煤柱所受平均应力,MPaσc1为煤的单轴抗压强度,2-2煤取15 MPa;w为房柱宽度,mh为煤柱高度,m

而“6×8”房柱的平均载荷为

(2)

其中:γ为煤岩层平均容重,取24 kN/m3H为房柱埋深,取148 ma为煤房宽度,取6 ml为房柱长度,取6 m。将相应数值代入式(1),可得K=1.41。

K>1.5时,煤柱最大应力主要集中在煤柱核区,整个煤柱对上覆岩层起到了承载作用,最终煤柱能保持长期稳定;随着K逐渐减小,煤柱上最大应力逐渐向煤柱核区集中,塑性区逐步增大,煤柱发生由外向内的破坏,最终导致煤柱整体失稳;当K<1.5时,煤柱不能保持长期稳定。因此可以推测8 m房柱发生垮落失稳。

隔离煤柱的载荷是由煤柱上方岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区处于悬空状态的岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的,为简化计算,用平面问题代替空间问题,以均质的上覆岩层代替复杂的非均质各向异性的岩层赋存状况,忽略煤柱边缘部分产生的集中应力以及上覆岩层的移动以及煤柱支承压力的影响。

8 m宽房柱经长期力学作用,发生流变失稳,碎煤体将涌向采空区,因碎煤体具有碎胀性,运移的最终结果是煤体填满采空区,上覆岩层达到稳定状态,采空区内碎煤体承载能力较差,因而残留后的煤柱将承载覆岩破坏范围内的岩重,宽为20、50 m的煤柱承载上覆岩层的大部分重量。

根据上述分析,设房柱原始高度为h,即煤柱高度,房柱破碎后高度为h1,则有

(h-h1)aηm=h1wn

(3)

其中:η为煤体的碎胀系数取1.3~1.5;n为煤房个数;m为煤柱个数取1.4,并将霍洛湾煤矿实际参数代入式(3),计算可得h1=2.35 m,同理可得煤柱破坏高度约为3.0 m

20 m及50 m宽煤柱所受载荷σi

(4)

其中:wi为隔离煤柱宽度,m;δ为煤房上覆岩层垮落角,(°)。可以分别计算可得20 、50 m宽煤柱所受载荷分别为15.3 、9.7 MPa,代入式(1),易知20、50 m宽煤柱均可以保持长期稳定。

2.2 复合煤柱底板应力传递规律

为掌握2-2煤层房式采空区不同尺寸复合煤柱应力传递规律,以20 m宽煤柱、二区段8 m失稳后残留房柱群、50 m宽煤柱底板应力传递特征为例,由于经长时间的稳定平衡,煤柱上的载荷已趋于均匀分布状态,为方便计算且考虑煤柱宽度的影响,均采用分段均布载荷进行逼近,建立霍洛湾煤矿2-2煤层不同尺寸煤柱下部岩层的承载模型,如图2所示。

图2中,坐标原点取在边界煤柱的右边界;M1M8区分别记作为2-2煤层工作面20 、50 m宽隔离煤柱,M1M8区煤柱受力分别为λ1q0λ8q0,其中λ1λ8为应力集中系数,q0为煤层原岩应力,宽度为L1L8M2M7失稳房柱柱受力为λiq0(i=2~7),宽度均为Li(即有Li=w);煤房宽度均为Lr;根据霍洛湾煤矿不同区域条件下的岩层受力与几何特征,列出2-2煤层不同区域的受力以及各区域两端至坐标原点的距离xaxb,见表2。

图2 2-2煤层底板岩层受力模型
Fig.2 Stress model of No.2-2 coal seam floor

表2 2-2煤层采空区不同区域的承载与几何参数
Table 2 Loading and geometric parameters of different areas in No.2-2 coal seam

参数M1M2M3M4M5M6M7M8载荷qλ1q0λ2q0λ2q0λ2q0λ2q0λ2q0λ2q0λ1q0xa2020+L1+Lr……………20+L1+7Lr+6Lixb20+L120+L1+Lr+L2……………20+L1+7Lr+6Li+L8

均布载荷煤柱底板传递公式[22]

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,σx为煤柱下方岩层任意一点A处的水平应力;σy为煤柱下方岩层任意一点A处的垂直应力;τxy为煤柱下方岩层任意一点A处的剪切应力;θ1θ2为应力A点与煤柱两边界位置的竖直夹角;(xAyA)为A处的坐标。

根据均布载荷煤柱底板传递式(4)、式(5)、式(6)、式(7)可以求出每个煤柱对下部煤层a处的垂直应力大小,对应进行叠加计算便可求出多个煤柱对其的垂直应力大小。2-2煤层房式采空区失稳房柱尺寸为8 m,隔离煤柱尺寸为20、50 m,则L1=20 m、Lr=6 m、L2=8 m、L8=50 m。根据上述理论计算,应用Matlab软件,得到复合煤柱对底板影响的应力分布云图,如图3所示。

图3 复合煤柱底板应力传播规律云图
Fig.3 Nephogram of stress transfer of composite coal pillar floor

由图3a可知,二区段工作面中部垂直应力较低,残留8 m房柱对其下部岩层的应力扰动较小,深度仅为5~8 m;在工作面两端20 m及50 m宽煤柱附近,垂直应力水平较高,最大可分别对其下方42 m、58 m范围内的岩层产生影响。由图3b可知,2-2煤层残留8 m房柱对水平应力的影响较小,深度仅为4 m;在工作面两端20 m及50 m宽煤柱附近,水平应力水平较高,分别可对其下方10~18 m、16~23 m范围内的岩层产生影响。由图3c可知,2-2煤层残留8 m煤柱由于已发生破坏,不具备传播剪应力的能力,工作面附近没有剪应力集中,剪切应力的影响主要集中在20 m宽煤柱及50 m宽煤柱两侧边界处,对下部岩层的影响深度分别为25~30 m及30~50 m。煤柱下的剪应力近于反对称分布形式,根据力的相互作用原理,可以推测3-1煤层工作面采动波及到20、50 m宽煤柱时,易趋于剪切破坏。

综上分析可知,2-2煤层留设20、50 m宽煤柱的水平与垂直应力较高,从而导致弹塑性能的大量积聚,且垂直应力波及范围较大,为42~58 m,而2层煤层间距仅为30 m,开采受20、50 m宽煤柱应力集中影响较大;20、50 m宽煤柱剪应力波及范围较广但应力值相对较低。由此可见,霍洛湾煤矿3-1煤层过上覆2-2煤层房式采空区大煤柱强矿压及动压现象是煤柱影响产生高应力所致,但仍应对其他因素进行分析。

2.3 房柱破坏后的顶板结构及动压机理

对于出煤柱阶段动载矿压的研究很多,多是以关键块三铰结构的必然失稳为研究对象,但由砌体梁稳定公式及霍洛湾矿地质条件可知,主关键层关键块在大煤柱边缘易形成2种结构:一是断裂线内错于煤柱的砌体梁结构,此类结构前人已做大量研究,认为断裂线内错于煤柱时,由于下部岩层的支撑作用,结构块体失稳时其所承受的载荷不会完全传递到下煤层基本顶之上,因而工作面的矿压显现要弱些[23]。因此霍洛湾煤矿出煤柱期间动压现象是另一种结构形态,即出大煤柱侧关键块已提前滑落失稳,煤柱上方关键块和两侧关键块无作用力,此时主关键块有较大的回转空间,如图4所示。

图4 出煤柱时关键块顶板结构
Fig.4 Roof structure of key block when mining out of coal pillar

大煤柱下方3-1煤层工作面处于应力集中状态,且在过大煤柱时尤为明显,2层煤应力叠加,煤柱下方亚关键层移架后切落,且煤层间岩层整体下沉,矿压显现较为强烈、频繁。随着煤柱弹性核宽度逐渐减小,出煤柱时,当煤柱不能稳定支撑上覆岩层重量时,其上方岩层迅速下沉,易沿煤柱影响范围边缘切落,对亚关键块冲击,此时动载矿压和以往不同,不仅对工作面造成冲击,对一定距离回采巷道破坏性也较大。

3 数值模拟试验分析

3.1 模型的建立及3-1煤层应力场分布特征

以霍洛湾煤矿2-2煤层、3-1煤层工作面为研究对象,根据所研究实际赋存状态及尺寸并考虑到边界效应,模型两边需留出各50 m的保护煤柱,因而确定模型尺寸为500 m×400 m×200 m。数值计算模型边界定义条件、载荷确定条件如下:边界XY轴的位移为零;底部边界XYZ轴的位移均为零;模型的顶部为自由边界;Z轴方向设定自重载荷。根据矿区地应力实测数据,模型X轴方向施加4.62 MPa的应力;模型Y轴方向施加2.2 MPa的应力。

2-2煤开采后,在煤柱中均出现了不同程度的应力集中,其中在遗留房柱最为明显,房柱破坏前后垂直应力分布如图5所示。

图5 2-2煤采后房柱破坏前后垂直应力分布
Fig.5 Vertical stress distribution before and after collapse of room column by No.2-2coal seam extraction

煤柱破坏前,垂直应力最大为14.6 MPa,应力集中系数为4.3,应力均处于煤柱中心区域,说明煤柱两侧均已进入塑性区,丧失了承载能力,使得较高应力向煤柱内部转移,在房柱中应力集中最大区域并未交汇而是处于中心两侧,房柱中心垂直应力均低于两侧,说明房柱中仍存在一定宽度的弹性核,这部分区域仍具有一定的承载能力,煤柱破坏前应力分布如图5a所示。煤柱破坏后,煤柱中应力降低,为8.2 MPa,此时应力仍高于原始应力,说明房柱破坏后,仍具有残余承载能力,煤柱破坏后应力分布如图5b所示。

2-2煤层开采后,引起顶底板岩层应力场变化如图6所示,由图6中应力分布与3-1煤相对位置关系可知,2-2煤开采后,采空区下方3-1煤处于卸压区中,垂直应力为3.6~4.3 MPa,降低了4.4%~20%,使3-1煤体中积聚的弹性能得到有效释放,降低了矿井动力灾害发生的可能性,对3-1煤开采较为有利。而在20 m宽煤柱和50 m宽煤柱下方均存在不同程度的增压区,其中3-1煤体中垂直应力分别为5.9和5.6 MPa,应力集中系数分别为1.31和1.24。

图6 2-2煤采动影响下3-1煤层垂直应力分布特征
Fig.6 Vertical stress distribution in No.3-1 coal seam influenced by No.2-2 coal seam mining

3.2 2-2煤层开采后围岩破坏特征分析

对于近水平煤层,巷道等开挖后,其围岩应力场和变形场分布较均匀,基本呈对称式分布,在高应力作用下,采场围岩发生塑性破坏,以二区段为例,分析2-2煤层经房式开采后,其围岩的破坏特征如图7所示。从图7分析可知,采场围岩破坏区域亦呈对称式分布,煤房附近围岩主要以拉剪复合破坏为主,上方岩层主要以剪切破坏为主,8 m宽房柱发生失稳,煤柱下方底板并未发生破坏,与理论分析一致。

图7 不同位置围岩塑性区分布
Fig.7 Distribution of yielded surrounding rock

3.3 3-1煤层推进至煤柱下方采动应力分布

工作面推进100 m时,工作面围岩应力分布如图8a示。这时超前支承压力影响范围为工作面前约52 m,高应力区为工作面前2~52 m,支承压力为4.5 ~21.3 MPa,其中应力最大值出现在工作面前6 m处,应力集中系数约为4.73。此时工作面位于20 m宽煤柱下方,垂直应力集中程度明显升高。

图8 3-1煤工作面推进不同位置应力分布
Fig.8 Stress distribution with mining face of No.3-1 coal seam in different positions

工作面推进200 m时,工作面围岩应力分布为图8b所示。这时超前支承压力的影响范围为工作面前约58 m,高应力区为工作面前3 ~58 m,支承压力4.5~20.0 MPa,其中应力最大值出现在工作面前方5.0 m处,应力集中系数约为4.44。此时,工作面开始进入50 m宽煤柱下方,并已明显受到煤柱应力集中的影响。

工作面推进240 m时,工作面围岩应力分布见图8c所示。这时超前支承压力影响的范围为工作面前约39 m,高应力区为工作面前方4.0 m~39 m,支承压力4.5 ~22.5 MPa,其中应力最大值出现在工作面前方4.0 m处,应力集中系数约为5.00。此时50 m宽煤柱右边界位于工作面前方10 m,此时受到煤柱应力集中的影响最为显著。

4 相似材料模拟试验分析

4.1 相似材料模型的建立

模型的几何相似比为1/100,容重相似比为0.75(实际容重为24.0kN/m3、模型容重为18.0 kN/m3),模型装填尺寸5 000 mm×400 mm×2 000 mm(长×宽×高)。模型上边界直至地表,无需再施加压力。为了再现房式采空区实际的煤柱留设情况,利用石蜡易融化的特性,采用石蜡加热融化模拟房式回采工艺~采房留柱,然后人为破坏房柱模拟房柱失稳;20 m和50 m大煤柱按比例留设,如图9所示。

图9 房式采空区煤柱留设相似模拟
Fig.9 Similar simulation of coal pillar design in room mining goaf

4.2 3-1煤层过煤柱时覆岩运动规律

由图9可知宽为20、50 m的煤柱上方承载类似倒梯形岩柱,以过50 m宽煤柱覆岩运动特征为例解释过宽煤柱强矿压显现机理。

50 m宽隔离煤柱下3-1煤层顶板具有明显的整体下沉现象,顶板沿煤壁切落,方向和倒梯形岩柱左边界基本一致,上下采空区连通,此时工作面承担两煤层间覆岩及50 m宽煤柱上方倒梯形岩柱重量,矿压显现强烈,如图10a所示。

图10 3-1煤层过煤柱时覆岩运动特征
Fig.10 Characteristics of overlying strata movement of No.3-1 coal seam when passing through coal pillar

但随着工作面的推进,由于大煤柱边界存在一定距离的塑性区,当下3-1煤层工作面煤壁进入其右侧塑性区范围时,影响煤柱稳定性,煤柱将不能有效支撑上覆岩层重量,此时50 m宽煤柱及上方倒梯形岩柱整体下沉,导致岩柱上方岩层破断垮落,倒梯形两侧裂隙被重新压实,此时岩层间作用力较大,顶板沿煤壁竖向切落,未开采部分工作面煤体被挤出,方向和倒梯形岩柱右边界呈反对称形式,矿压显现剧烈,如图10b所示。

综上分析可知,3-1煤层过大煤柱时,工作面覆岩顶板垮裂高度较大,上层煤应力集中和下层煤采动应力叠加,两煤层间岩层整体下沉,矿压显现强烈;当不足以支撑50 m上方倒梯形岩柱时,积聚的较高弹塑性能突然释放,并引起覆岩结构失稳,共同导致了采场动载矿压,这种冲击载荷若作用于工作面,将造成切顶压架事故,并对回采巷道产生影响。

5 结 论

1)确定了霍洛湾矿浅埋2-2煤层房式采空区煤柱群底板应力传递规律。8 m失稳房柱对其下部5~8 m范围内的岩层应力场产生扰动;20 、50 m宽煤柱对其下方岩层最大影响范围分别为42 、58 m,下方3-1煤层层位垂直应力集中系数分别为1.31和1.24。

2)揭示了3-1煤层工作面过大煤柱时超前支承压力大的特征,集中系数可达4.44~5.00,且在工作面前方4~6 m处最大。

3)分析表明,大煤柱上方关键块和两侧关键块无作用力且有较大的回转空间,即确定3-1煤层工作面出大煤柱时发生“煤柱上方倒梯形岩柱整体性失稳”的覆岩运动特征。

4)揭示了3-1工作面“高应力环境(上下煤层采动应力叠加)+煤柱上方倒梯形岩柱整体性失稳”的联合作用动压机理,将引发切顶压架事故,建议3-1煤开采前对大煤柱进行弱化处理。

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