上行重复采动底板采空区突水及开采稳定性理论分析

下煤层积水采空区上采用“上垮-下柱”方式复采上煤层带来严重的安全稳定性与底板采空区突水问题。将下煤层煤柱群与承压性空区积水联合支撑的蹬空覆岩简化为半无限平面体,建立合理的力学模型,通过弹性力学求解,得到蹬空覆岩的应力场分布。引入Mohr-Coulomb准则,极值求解得到顶板覆岩最大破坏高度,再结合上煤层开采底板破坏深度,分析重复采动层间岩层稳定性状态,并提出了相应的判别指标。考虑层间隔水控制层与水头损耗,提出不同层间岩层稳定性状态下的突水判据,并揭示水平构造应力对重复开采稳定性的作用。兼顾重复采动稳定性、底板采空区突水、煤柱承载稳定性,给出不同工况条件下的评价方法与防治措施,包括合理的疏水降压措施与煤柱“柱旁充填”指标。研究结果表明:顶板应力场与采深、水平地应力、煤柱宽度、单个空区跨度、空区水压有关,采空区顶板破坏形态大致为“波浪形”;当安全系数T≥1,重复开采稳定性较差,未采取措施不易在上煤层采用长壁式垮落法开采;水压越大,可减轻煤柱承载,并使煤柱处于高围压条件下,煤柱稳定性较高,但高水压又易发生底板采空区突水;煤柱宽度越大,承担的平均支撑力越小,σ_(y)应力峰值越低,层向分布波动越小,σ_(x)应力同样越小,顶板与煤柱越不易发生破坏;侧压力系数大于1且越大,可有效提高上行重复开采的可行性;疏水降压后的水压值p_(1)需同时满足可规避突水与煤柱失稳的条件,即p_(m)<p_(1)<max(p_(f),h_(d)/100+p_(max)),否则需对积水完全疏放,后按照“柱旁充填”尺寸指标W_(m0)对空区进行柱旁充填。研究可为积水采空区上采用“上垮-下柱”安全复采上煤层、防止底板采空区突水、提高资源采出率及减少资源浪费提供有益指导。