急傾斜煤層開采防水煤柱支承壓力分布特征研究

徐宏偉

（中國煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北省武漢市，430064）

急傾斜煤層開采防水煤柱支承壓力分布特征研究

徐宏偉

（中國煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院，湖北省武漢市，430064）

為了研究急傾斜煤層開采防水煤柱的穩(wěn)定性，基于龍湖煤礦南二采區(qū)急傾斜煤層的水文工程地質(zhì)條件，采用離散元數(shù)值計(jì)算，分析了急傾斜煤層開采防水煤柱尺寸及充填開采對(duì)防水煤柱支承壓力的影響。結(jié)果表明：急傾斜煤層開采隨著防水煤柱尺寸的減小，支承壓力分布由“馬鞍型”向“單峰值”分布轉(zhuǎn)變；切向應(yīng)力集中在防水煤柱底板界面形成滑移錯(cuò)動(dòng)裂隙，是水體滲流發(fā)生透水的優(yōu)勢(shì)涌水途徑；急傾斜煤層充填開采能有效降低防水煤柱的支承壓力集中程度，進(jìn)而減小防水煤柱的抽冒范圍，有利于水體下急傾斜煤層的安全回采。

急傾斜煤層 防水煤柱 充填開采 支承壓力

當(dāng)急傾斜煤層開采上方有地表水體和松散含水層等水體時(shí)，不允許導(dǎo)水裂隙帶波及到水體，通常留設(shè)一定尺寸的防水煤巖柱。目前，防水煤巖柱留設(shè)主要依據(jù)導(dǎo)水裂隙高度，而較少考慮防水煤柱自身的穩(wěn)定性。礦井開采留設(shè)的防水煤柱，一般均處于兩側(cè)采空狀態(tài)，防水煤柱長期承受上覆巖層支承壓力的作用，在礦山壓力和上覆水體壓力的共同作用下，防水煤柱的塑性區(qū)破壞范圍將明顯增大，防水煤柱失穩(wěn)更易導(dǎo)致急傾斜煤層開采突水事故的發(fā)生。目前，相關(guān)的研究相對(duì)較少。防水煤柱的穩(wěn)定性受煤柱尺寸影響及煤柱支承壓力分布形態(tài)的影響。本文采用數(shù)值計(jì)算分析急傾斜薄煤層和厚煤層開采時(shí)，防水煤柱尺寸及充填開采對(duì)煤柱支承壓力分布形態(tài)、塑性區(qū)分布的影響。

1 急傾斜煤層賦存條件和數(shù)值計(jì)算模型

黑龍江龍煤集團(tuán)七臺(tái)河分公司龍湖煤礦南二采區(qū)有8層可采急斜薄煤層，傾角最大73°，平均為60°。其中，48＃煤層為南二采區(qū)首采煤層，埋深320～400m，平均傾角63°，煤厚平均0.7m，頂板為堅(jiān)硬砂巖。以48＃煤層工作面地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件為依據(jù)，采用離散元數(shù)值計(jì)算軟件Udec2D3.10進(jìn)行模擬研究。數(shù)值模型范圍120m×160m（長×高），采用的圍巖本構(gòu)關(guān)系為莫爾－庫侖準(zhǔn)則，應(yīng)力－位移混合邊界，上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力和水體壓力，數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型

2 急傾斜煤層開采防水煤柱應(yīng)力分布特征

2.1 急傾斜薄煤層防水煤柱應(yīng)力分布特征

急傾斜薄煤層不同防水煤柱尺寸30m、20m和1 0m時(shí)應(yīng)力分布、塑性區(qū)如圖2所示。從圖中可知，急傾斜薄煤層不同防水煤柱尺寸應(yīng)力分布和塑性區(qū)具有以下特征：

（1）當(dāng)防水煤柱寬度為30m和20m時(shí)，急傾斜煤層開采防水煤柱中部支承壓力相互疊加，形成了“馬鞍型”分布特征，而防水煤柱寬度10m時(shí)，支承壓力呈現(xiàn)“單峰值”分布特征；同時(shí)，防水煤柱超前支承壓力法向應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，均隨防水煤柱尺寸的降低均呈增大趨勢(shì)，不同防水煤柱寬度30m、20m和10m時(shí)，法向應(yīng)力分別為16.82MPa、18.91MPa和21.26MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為4.16、4.88和4.9。

（2）急傾斜煤層防水煤柱的破裂抽冒范圍，隨防水煤柱寬度的降低呈增大趨勢(shì)。當(dāng)防水煤柱寬度30m、20m和10m時(shí)，防水煤柱的抽冒范圍分別為2.4m、2.6m和3.2m；防水煤柱塑性區(qū)（包括破裂抽冒區(qū)）的范圍也隨防水煤柱寬度的降低呈減小趨勢(shì)，防水煤柱寬度30m、20m和10m時(shí)，塑性區(qū)范圍分別是13.74m、9.28m和7.54m。

（3）急傾斜煤層防水煤柱中部彈性區(qū)的寬度，隨防水煤柱尺寸的減小呈降低趨勢(shì)。當(dāng)防水煤柱寬度30m和20m時(shí)，彈性區(qū)寬度分別為11m和5.5m，而當(dāng)防水煤柱寬度10m時(shí)，急傾斜薄煤層防水煤柱中部基本無彈性區(qū)。此時(shí)，上覆水體極易沿防水煤柱塑性破壞區(qū)進(jìn)入礦井形成透水事故。

圖2 急傾斜薄煤層不同防水煤柱尺寸應(yīng)力分布和塑性區(qū)

2.2 急傾斜厚煤層防水煤柱應(yīng)力分布特征

急傾斜煤層開采防水煤柱的穩(wěn)定性和支承壓力分布特征受煤層采厚的影響。急傾斜厚煤層開采不同防水煤柱寬度40m、30m和20m應(yīng)力分布和塑性區(qū)特征分別如圖3所示。

從圖中可知，急傾斜厚煤層開采不同寬度防水煤柱應(yīng)力分布和塑性區(qū)具有以下特征：

（1）當(dāng)急傾斜厚煤層防水煤柱寬度為40m和30m時(shí)，防水煤柱中部支承壓力相互疊加，形成了“馬鞍型”分布特征，而當(dāng)防水煤柱寬度20m時(shí)，支承壓力呈現(xiàn)“單峰值”分布特征；急傾斜厚煤層防水煤柱超前支承壓力的峰值應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，隨著防水煤柱尺寸的降低均呈增加趨勢(shì)，防水煤柱寬度40m、30m和20m時(shí)，峰值應(yīng)力分別為20.81MPa、21.01MPa和21.26MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為4.85、5.1和5.13。

（2）急傾斜厚煤層防水煤柱的抽冒范圍，隨著防水煤柱寬度的降低呈增大趨勢(shì)。當(dāng)防水煤柱寬度40m、30m和20m時(shí)，防水煤柱的抽冒范圍分別為8.4m、7.9m和7.2m；防水煤柱下部塑性區(qū)（包括破裂抽冒區(qū)）的范圍也隨著防水煤柱寬度的降低呈減小趨勢(shì)，當(dāng)防水煤柱寬度為40m、30m和20m時(shí)，塑性區(qū)的范圍分別是18.3m、16.49 m和16m。

圖3 急傾斜厚煤層不同防水煤柱尺寸應(yīng)力分布和塑性區(qū)

（3）急傾斜厚煤層防水煤柱中部彈性區(qū)的寬度，隨著防水煤柱尺寸的降低呈降低趨勢(shì)。當(dāng)防水煤柱尺寸40m和30m時(shí)，彈性區(qū)的寬度分別為16.49m和8.25m；當(dāng)防水煤柱寬度20m時(shí)，防水煤柱中央基本沒有彈性區(qū)，完全處于塑性破壞狀態(tài)，此時(shí)，上覆水體易沿防水煤柱塑性破壞區(qū)進(jìn)入急傾斜厚煤層工作面空間。

2.3 急傾斜煤層防水煤柱切向應(yīng)力分布特征

急傾斜煤層開采防水煤柱上不僅垂直于煤層層面的法向應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力集中，沿煤層層面的切向應(yīng)力也產(chǎn)生應(yīng)力集中。圖4為急傾斜厚煤層開采防水煤柱寬度20m，急傾斜煤層防水煤柱頂、底板界面切向應(yīng)力的分布特征。

從圖4可知，急傾斜煤層開采防水煤柱頂板界面和底板界面的切向應(yīng)力分布特征有明顯的區(qū)別，頂板界面的切向應(yīng)力呈“單峰值”分布，頂板界面的切向應(yīng)力峰值位于距防水煤柱下邊緣16m處，即在距防水煤柱上邊緣4m時(shí)達(dá)到最大，切向應(yīng)力峰值為14.56MPa，切向應(yīng)力集中系數(shù)為2.66，如圖4（a）所示。急傾斜煤層防水煤柱底板界面切向應(yīng)力近似呈“馬鞍型”分布，防水煤柱下部切向應(yīng)力峰值位于距防水煤柱下邊緣6m處，切向應(yīng)力峰值為10.26MPa，切向應(yīng)力集中系數(shù)為1.83，如圖4（b）所示。防水煤柱上部切向應(yīng)力峰值位于距防水煤柱上邊緣7m處，切向峰值應(yīng)力大小8.82MPa，切向應(yīng)力集中系數(shù)1.61。

因此，急傾斜煤層防水煤柱頂板界面切向應(yīng)力集中主要發(fā)生在防水煤柱上部邊緣位置，而底板界面在煤柱上部位置和下部位置均形成了切向應(yīng)力集中，更易導(dǎo)致防水煤柱底板界面形成導(dǎo)水裂隙。

相似模擬試驗(yàn)也表明，急傾斜厚煤層防水煤柱底板交界面在切向集中應(yīng)力的作用下形成了剪切滑移裂隙，此時(shí)，上覆水體易沿底板界面形成的剪切滑移裂隙進(jìn)入急傾斜煤層工作面空間。

圖4 防水煤柱頂?shù)捉缑媲邢驊?yīng)力分布特征

3 急傾斜煤層充填開采防水煤柱應(yīng)力分布特征

充填開采是水體下煤炭資源安全回采的有效措施，也是煤礦綠色開采的發(fā)展方向之一。急傾斜煤層充填開采影響防水煤柱的應(yīng)力分布特征，進(jìn)而影響防水煤柱的穩(wěn)定性。當(dāng)防水煤柱為30m時(shí)，急傾斜薄煤層開采不同充填體強(qiáng)度防水煤柱的應(yīng)力分布特征如圖5所示，不同頂板控制方式防水煤柱超前支承壓力和應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)比如圖6所示。

圖5 急傾斜薄煤層充填開采超前支承壓力分布特征

圖6 急傾斜薄煤層充填開采超前支承壓力分布對(duì)比

從圖6可知，急傾斜煤層開采采空區(qū)不充填時(shí)，防水煤柱上超前支承壓力的峰值應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)最大，分別為12.39MPa和2.89。隨著采空區(qū)充填體強(qiáng)度的增大，急傾斜煤層充填開采防水煤柱上超前支承壓力的峰值應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)均呈降低趨勢(shì)，當(dāng)充填體強(qiáng)度分別為0.1GPa、0.5GPa和1GPa時(shí)，峰值應(yīng)力分別為11.76 MPa、10.84MPa和9.77MPa，峰值應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.72、2.51和2.26。

同時(shí)，當(dāng)急傾斜煤層開采采空區(qū)不進(jìn)行充填時(shí)，防水煤柱上超前支承壓力峰值位于距防水煤柱下邊緣10m處，超過采空區(qū)充填開采時(shí)超前支承壓力峰值距防水煤柱下邊緣距離8m。

因此，急傾斜煤層充填開采，可以有效降低防水煤柱超前支承壓力峰值應(yīng)力的大小、應(yīng)力集中程度以及降低超前支承壓力的范圍，從而降低防水煤柱塑性破壞區(qū)的范圍。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

由于龍湖煤礦南二采區(qū)急傾斜煤層上方廢舊老窯井巷中充滿大量積水，并與地表水體形成水力聯(lián)系，導(dǎo)致急斜煤層開采存在安全生產(chǎn)隱患。為了確保水體下急傾斜煤層的安全回采，現(xiàn)場設(shè)計(jì)了分帶仰斜開采方法，同時(shí)，確定了采空區(qū)矸石自溜充填并注漿膠結(jié)充填體的頂板控制技術(shù)，相鄰分帶回采時(shí)對(duì)已采分帶及時(shí)進(jìn)行矸石充填，當(dāng)矸石充填結(jié)束后，采用水泥－水玻璃漿液進(jìn)行注漿膠結(jié)，提高矸石充填體強(qiáng)度。

現(xiàn)場采用KSE－Ⅱ－1型鉆孔應(yīng)力計(jì)，對(duì)48＃急傾斜煤層防水煤柱上的超前支承壓力分布進(jìn)行了實(shí)測(cè)。在工作面回風(fēng)平巷防水煤柱側(cè)沿煤層仰斜方向布置5個(gè)鉆孔，深度依次為3m、6m、9m、12和15m，每組測(cè)線走向方向相距2m，鉆孔高度距底板1.8m。48＃煤層首采分帶采空區(qū)充填前后超前支承壓力對(duì)比如圖7所示。

圖7 防水煤柱超前支承壓力特征

從圖7可知，48＃急傾斜薄煤層首采分帶回采結(jié)束采空區(qū)未充填時(shí)，防水煤柱上超前支承壓力峰值位置在9m左右，峰值應(yīng)力大小為10.5MPa。當(dāng)急傾斜煤層采空區(qū)進(jìn)行充填后，超前支承壓力峰值位置6.2m，峰值應(yīng)力降低為9.5MPa。因此，急傾斜煤層分帶仰斜充填開采，可以有效降低上覆巖層作用于防水煤柱的超前支承壓力，從而提高了防水煤柱自身的穩(wěn)定性。

5 小結(jié)

急傾斜煤層開采防水煤柱的穩(wěn)定性與防水煤柱尺寸及其支承壓力分布特征密切相關(guān)，隨著防水煤柱尺寸的降低，峰值應(yīng)力集中程度增大，防水煤柱中部彈性核范圍逐漸減小，防水煤柱抽冒失穩(wěn)和塑性破壞的范圍增大，導(dǎo)致礦井發(fā)生透水事故的可能性增大。急傾斜煤層充填開采可以有效降低防水煤柱的支承壓力集中程度，有利于防水煤柱的穩(wěn)定，進(jìn)而確保了水體下急傾斜煤層的安全回采。

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Research of bearing pressure distribution characteristics of waterproof coal pillar in steep seam mining

Xu Hongwei
（Wuhan Design and Research Institute of China Coal Technology ＆Engineering Group，Wuhan，Hubei 430064，China）

In order to study the stability of waterproof coal pillar in steep seam mining，based on the hydrological engineering geological conditions of the steep seam in southⅡmining area in Longhu Mine，the paper adopts the discrete element numerical calculation to analyze the waterproof coal pillar size in steep seam mining and the impact of filling mining on bearing pressure of waterproof coal pillar.The results show that with the decreasing of waterproof coal pillar size in steep seam mining，its bearing pressure distribution changes from"saddle－type"to"single－peak"；tangential stress concentrates on the base plate interface of waterproof coal pillar resulting in the slip dislocation cracks which are the dominant gushing ways of water inrush from seepage；steep seam filling mining can effectively reduce the bearing pressure concentration of waterproof coal pillar and thereby the caving range of waterproof coal pillar is reduced，which is beneficial to the safe steep seam stoping under water.

steep coal seam，waterproof coal pillar，filling mining，bearing pressure

TD 823.213

A

徐宏偉（1976－），男，工程師，2002年畢業(yè)于焦作工學(xué)院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在中國煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院從事采礦、礦建和瓦斯治理等研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）