淺埋深蹬空底板煤柱群動(dòng)態(tài)失穩(wěn)機(jī)理及防治

馮國(guó)瑞，朱衛(wèi)兵，李 竹，白錦文，羅澤強(qiáng)

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國(guó)中西部礦區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，開(kāi)采初期限于開(kāi)采技術(shù)和采掘設(shè)備水平，采煤方法多為房柱式開(kāi)采，且呈現(xiàn)出采厚棄薄、采肥丟瘦、采優(yōu)棄劣和采易棄難特點(diǎn)。隨著礦井煤炭資源日益枯竭，殘煤復(fù)采成為提升礦井資源采出率和實(shí)現(xiàn)“精細(xì)化采煤”的重要手段，解放受老采空區(qū)遺留煤柱影響的整層棄煤逐步成為研究重點(diǎn)。研究層間巖層采動(dòng)穩(wěn)定性判別方法、煤柱失穩(wěn)機(jī)理、煤柱群中各煤柱“多米諾骨牌式”鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)特征及其動(dòng)態(tài)失穩(wěn)時(shí)序，探索科學(xué)開(kāi)采方法并構(gòu)建安全復(fù)采技術(shù)體系是殘煤復(fù)采的關(guān)鍵所在。

針對(duì)該領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)單個(gè)煤柱的力學(xué)性能開(kāi)展研究，提出了評(píng)價(jià)煤柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式和評(píng)估煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)的確定方法，促進(jìn)了對(duì)煤柱失穩(wěn)模式和加固方法領(lǐng)域的研究與實(shí)踐。事實(shí)上，煤柱作為多孔且裂隙發(fā)育介質(zhì)，因膠結(jié)弱面、礦井水侵蝕以及采動(dòng)影響的作用，其承載能力逐步劣化并最終破壞失穩(wěn)，國(guó)內(nèi)外許多煤礦深受煤柱群下如何安全開(kāi)采的困擾，一旦煤柱群大面積失穩(wěn)，易造成下煤層工作面壓架和地面大范圍塌陷。周子龍等分析了循環(huán)載荷作用下煤柱群體系的承載特性及疲勞損傷機(jī)理，提出了煤柱群穩(wěn)定性判別方法及降低煤柱群失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。朱德福等等采用重整化群的方法，研究揭示了采動(dòng)影響下煤柱群應(yīng)力集中區(qū)和釋放區(qū)的位置及范圍。朱衛(wèi)兵等通過(guò)高清攝像機(jī)取幀技術(shù)，分析了相似模擬中近距離下煤層開(kāi)采上覆煤柱群的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程，再現(xiàn)了煤柱群中各個(gè)煤柱破壞形式及其“多米諾骨牌式”鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)時(shí)序特征。筆者等提出了遺留煤柱群鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的“關(guān)鍵柱”理論，認(rèn)為遺留煤柱群的整體失穩(wěn)的根本原因是遺留煤柱群中“關(guān)鍵柱”的失穩(wěn)，進(jìn)而引起覆巖載荷轉(zhuǎn)移誘發(fā)鄰近煤柱聯(lián)動(dòng)失穩(wěn)。白錦文等提出了關(guān)鍵柱柱旁充填巖層控制的技術(shù)方法,并揭示了關(guān)鍵柱柱旁充填巖層控制的核心機(jī)理。

縱觀已有研究成果，有關(guān)底板煤柱群安全復(fù)采工程技術(shù)方面的研究鮮有報(bào)道。筆者結(jié)合山西元寶灣煤礦淺埋深工作面蹬空復(fù)采案例，綜合實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、物理模擬、相似模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，研究底板煤柱群應(yīng)力分布及其破壞特征，提出柱式采空區(qū)封閉灌漿充填方法，確定底板蹬空安全復(fù)采的臨界充填高度，為類似條件下殘留煤柱資源的安全開(kāi)采提供借鑒。

1 工作面概況

山西省元寶灣煤礦6107工作面寬度240 m，推進(jìn)長(zhǎng)度500 m，主采6號(hào)煤層，平均厚度3 m，傾角4°～8°，埋深150 m。6107工作面下方為9號(hào)煤層房采區(qū)，實(shí)測(cè)底板蹬空區(qū)長(zhǎng)度普遍為25～50 m，寬度5～15 m，高度5～8 m，9號(hào)煤層巷道寬度2.5～5.0 m，高度2.2～4.0 m，6107工作面上方的4號(hào)煤層同樣為房采區(qū)，遺留柱采區(qū)寬度7～30 m，高度3～6 m，長(zhǎng)度30～60 m，物探發(fā)現(xiàn)遺留柱采區(qū)頂板較為完整，僅部分區(qū)域出現(xiàn)垮落，6107工作面頂?shù)装宀删蚯闆r，如圖1所示，如何實(shí)現(xiàn)6107工作面蹬空階段的安全復(fù)采是亟待解決的重大技術(shù)難題。

圖1 6107工作面上下柱采區(qū)對(duì)照Fig.1 Pillar and goaf area overlying and underlying 6107 working face comparison diagram

2 蹬空開(kāi)采底板煤柱承載及變形特征

2.1 力學(xué)模型

根據(jù)6107工作面開(kāi)采現(xiàn)狀，將蹬空階段地質(zhì)條件簡(jiǎn)化，如圖2所示。其中，為上煤層工作面采高，m；為下煤層工作面采高，m；為底板煤柱寬度，m；為煤柱間距，m。層間巖層厚度取15 m，下煤層殘留工作面采高為8 m，各煤柱間距30 m，煤柱寬度為10 m。根據(jù)類似開(kāi)采條件下工作面超前影響范圍的研究成果，結(jié)合6107工作面采高及巖層柱狀，推測(cè)該工作面超前影響最大范圍為60 m。因此，圖2所示工作面超前應(yīng)力增高區(qū)波及底板2個(gè)煤柱，即2,3號(hào)煤柱處于超前應(yīng)力增高區(qū)，4號(hào)處于過(guò)渡區(qū)，而5～7號(hào)煤柱處于原巖應(yīng)力區(qū)。

圖2 試驗(yàn)工作面蹬空開(kāi)采示意Fig.2 Schematic diagram of kick-off mining in test working face

鑒于圖2試驗(yàn)工作面蹬空開(kāi)采模型屬于“多跨連續(xù)梁”的超靜定結(jié)構(gòu)，包含了7個(gè)殘采房式煤柱和2個(gè)半無(wú)限邊界煤柱。為了便于分析計(jì)算，將圖2中的蹬空開(kāi)采覆巖結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為左右邊界為固支，中間均勻布設(shè)7個(gè)彈簧支撐結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中，為煤壁處支承應(yīng)力，MPa；為工作面支承應(yīng)力峰值，MPa；為原巖應(yīng)力，MPa。每個(gè)彈簧代表圖2中對(duì)應(yīng)位置的底板煤柱。

圖3 多跨連續(xù)梁示意Fig.3 Schematic diagram of multi-span continuous beam

認(rèn)清底板煤柱的載荷分布規(guī)律是評(píng)價(jià)底板煤柱穩(wěn)定的先決條件。通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SMSolver，首先，求解各個(gè)彈簧支撐的壓縮量；其次，彈簧支撐點(diǎn)作為煤柱的中心支撐點(diǎn)，考慮到煤柱寬度為10 m，間隔1 m提取中心支撐點(diǎn)左、右兩側(cè)各5 m的下沉數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，考慮到6107工作面開(kāi)采前底板煤柱彈性核區(qū)占比較大且仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，將底板煤柱頂界面下沉數(shù)據(jù)除以煤柱高度獲得煤柱壓縮應(yīng)變，該應(yīng)變乘以彈性模量，獲得煤柱頂界面垂直壓應(yīng)力。結(jié)果表明，底板各煤柱頂界面垂直壓應(yīng)力分布近似呈線性非均勻分布狀態(tài)，以6107工作面下伏柱采區(qū)1，2，3號(hào)煤柱為例，3者頂界面垂直載荷分布形式如圖4所示。

圖4 底板煤柱頂界面垂直壓應(yīng)力分布形態(tài)Fig.4 Stress distribution of floor coal pillar top interface

基于此，建立頂界面載荷非均勻分布條件下煤柱內(nèi)應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型，依據(jù)各煤柱內(nèi)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合第四強(qiáng)度理論，深入探究各煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律。如圖5所示，其中，為底板煤柱頂界面左端應(yīng)力，MPa；為底板煤柱頂界面右端應(yīng)力，MPa；為煤柱內(nèi)任一點(diǎn)正應(yīng)力，MPa；為煤柱內(nèi)任一點(diǎn)切應(yīng)力，MPa。

圖5 煤柱頂界面應(yīng)力分布示意Fig.5 Stress distribution diagram of coal pillar top interface

設(shè)圖5中煤柱內(nèi)Airy應(yīng)力函數(shù)為

=+++

(1)

可得各應(yīng)力分量為

(2)

式中，，，，為待定系數(shù)。

根據(jù)上述邊界條件，可得待定系數(shù)，，，計(jì)算結(jié)果為

(3)

2.2 內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律

房采煤柱因上覆頂板巖層不均勻下沉而呈現(xiàn)偏心壓縮現(xiàn)象，斜切變形是導(dǎo)致煤柱發(fā)生屈服及破壞的主要形式。依據(jù)第四強(qiáng)度理論，由主應(yīng)力求解煤柱內(nèi)部各點(diǎn)Mises等效應(yīng)力可更為準(zhǔn)確地表征煤柱是否發(fā)生塑性破壞，相關(guān)參數(shù)取值中超前應(yīng)力集中系數(shù)為2，工作面埋深為150 m，地層巖石容重取25 000 N/m，故=3.75 MPa，=7.00 MPa；峰值距煤壁距離為10 m。煤柱彈性模量2 GPa，層間巖層彈性模量25 GPa，層間巖梁厚度取平均值15 m且為單位寬度，煤柱寬度10 m，煤柱高度8 m，以2，3號(hào)煤柱和5，6號(hào)煤柱為例，其內(nèi)應(yīng)力分布形態(tài)如圖6所示。

(4)

式中，為等效應(yīng)力，MPa；，，分別為第1、第2、第3主應(yīng)力，MPa。

圖6 底板各煤柱Mises等效應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of Mises equivalent stress of coal pillars in floor and the division of dangerous areas

如圖6所示，在超前支承壓力作用下，2，3，5，6號(hào)各煤柱的左上角和右上角均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，但2，3號(hào)煤柱應(yīng)力集中差異程度更大，2號(hào)煤柱的右上角以及3號(hào)煤柱的左上角是易發(fā)生破壞的危險(xiǎn)區(qū)域，其斜切破壞趨勢(shì)更為明顯；而5，6號(hào)煤柱左上角和右上角應(yīng)力集中程度基本一致，表明5，6號(hào)煤柱趨近于均勻壓縮狀態(tài)，煤柱內(nèi)部各點(diǎn)等效應(yīng)力基本保持一致，處于尚未破壞的狀態(tài)。

3 煤柱破壞形式及柱群失穩(wěn)擴(kuò)展規(guī)律

3.1 相似材料物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

在掌握底板煤柱因頂板非均勻下沉和載荷非均勻分布導(dǎo)致斜切破壞的基礎(chǔ)上，通過(guò)相似模擬研究，進(jìn)一步探究底板煤柱群的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)次序。根據(jù)試驗(yàn)工作面覆巖關(guān)鍵層判別結(jié)果，將全部地層簡(jiǎn)化為關(guān)鍵層1，2，3、煤層及軟巖5種巖層。針對(duì)這5種巖性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得符合要求的實(shí)驗(yàn)材料配比。制作的標(biāo)準(zhǔn)試件如圖7(a)所示。不同配比對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)1∶160的應(yīng)力相似比要求，配比1最為合適。

3.2 物理模擬方案

通過(guò)物理模擬研究近距離煤層開(kāi)采上、下煤柱采區(qū)條件下層間巖層運(yùn)動(dòng)特征、柱群破壞失穩(wěn)先后次序及其擴(kuò)展規(guī)律，模型長(zhǎng)度130 cm，寬度12 cm，高度63 cm。基于地層柱狀及相似材料強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，各巖層厚度及材料配比見(jiàn)表1。模型的幾何相似比1∶100，密度相似比1.0∶1.6，應(yīng)力相似比1∶160。模型頂部采用鐵塊加載的方式對(duì)模型進(jìn)行載荷補(bǔ)償，用以模擬150 m埋深。

圖7 實(shí)驗(yàn)材料配比試件參數(shù)測(cè)定Fig.7 Experimental material proportioning specimen and parameter measurement

表1 相似模擬材料基本物理力學(xué)參數(shù)

6107工作面煤層開(kāi)采前，先采4號(hào)煤層，煤柱寬度為5 cm，間距為5 cm；而后開(kāi)采9號(hào)煤層，煤柱寬度為2 cm，間距為7 cm，如圖8所示。6號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)，兩側(cè)各留寬度為10 cm的煤柱，工作面每間隔10 min向前開(kāi)采5 cm，模型開(kāi)采過(guò)程中通過(guò)高速攝影技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，以準(zhǔn)確捕捉和再現(xiàn)煤柱破裂、失穩(wěn)及巖層破斷運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程。

圖8 物理模擬實(shí)驗(yàn)方案Fig.8 Scheme diagram of physical simulation experiment

3.3 底板煤柱破壞形式及失穩(wěn)時(shí)序

6107工作面回采過(guò)程中，物理相似模擬實(shí)驗(yàn)很好地揭示了底板煤柱的破壞形式及底板煤柱群中“關(guān)鍵柱”的位置，對(duì)文獻(xiàn)[18]提出的關(guān)鍵柱理論起到重要支撐。當(dāng)6107工作面推進(jìn)距小于30 cm時(shí)，頂、底板煤柱群均能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)6107工作面推進(jìn)60 cm時(shí)，基本頂懸空段中部產(chǎn)生張拉裂隙，此時(shí)煤柱出現(xiàn)較大變形，但仍能保持完好和穩(wěn)定。通過(guò)高速攝像機(jī)逐幀分析，可以發(fā)現(xiàn)頂板巖層產(chǎn)生了明顯的非均勻下沉特征，且層間巖層的非均勻下沉對(duì)9號(hào)煤層柱采區(qū)中遺留煤柱產(chǎn)生了顯著的斜切作用，使底板煤柱剝落體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)下落的現(xiàn)象，如圖9所示。6107工作面開(kāi)采過(guò)程中，上、下煤柱群失穩(wěn)及覆巖破斷運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖10所示。

結(jié)果表明，煤柱裂隙發(fā)育、剝落至整個(gè)煤柱群失穩(wěn)可分為5個(gè)階段：

(1)煤柱均勻承載壓密階段。中層遺煤開(kāi)采前，層間巖層基本處于未采動(dòng)狀態(tài)，呈現(xiàn)整體彎曲下沉的現(xiàn)象，各煤柱頂界面載荷近似于均勻分布，如圖10(a)所示。

(2)煤柱非均勻承載階段。伴隨著中層遺煤工作面向前推進(jìn)，底板煤柱逐步過(guò)渡為非均勻承載狀態(tài)，且非均勻承載隨工作面推進(jìn)愈發(fā)顯著，如圖10(b)所示。

(3)關(guān)鍵柱破壞失穩(wěn)階段。當(dāng)工作面推進(jìn)至60 cm時(shí)，超前支承壓力影響下底板煤柱非均勻承載達(dá)最大化，此時(shí)距工作面最近的底板煤柱率先失穩(wěn)，如圖10(c)，(d)所示。

(4)失穩(wěn)載荷雙向傳遞階段。關(guān)鍵柱失穩(wěn)后，上覆載荷快速向前、后鄰近煤柱傳遞，誘發(fā)鄰近煤柱的破壞及失穩(wěn)，覆巖載荷雙向傳遞特征如圖10(e)所示。

(5)煤柱群整體失穩(wěn)階段。伴隨著覆巖載荷急速地在底板煤柱群中雙向傳遞，整個(gè)煤柱群形成以“關(guān)鍵柱”為中心“多米諾骨牌式”鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)特征，如圖10(f)所示。

圖9 物理模擬中破壞失穩(wěn)煤柱剝落體運(yùn)動(dòng)特征Fig.9 Movement characteristics of failure pillar fractured bodies in physical simulation

圖10 中層遺煤頂?shù)装逯蓞^(qū)煤柱動(dòng)態(tài)失穩(wěn)過(guò)程Fig.10 Dynamic collapse process of coal pillars in middle residual coal roof and floor

4 充填率對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響規(guī)律

上述研究結(jié)果表明，6107工作面蹬空開(kāi)采過(guò)程中，若不對(duì)底板煤柱進(jìn)行加固，勢(shì)必導(dǎo)致工作面及超前煤巖體塌陷事故。為此，提出對(duì)底板柱采區(qū)進(jìn)行注漿充填，注漿固結(jié)體對(duì)底板煤柱形成側(cè)向夾持作用，抑制底板煤柱塑性區(qū)擴(kuò)展并提高煤柱承載能力，以此確保6107工作面安全回采。

4.1 充填體對(duì)煤柱彈塑性擴(kuò)展的抑制效應(yīng)

根據(jù)文獻(xiàn)[17]統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)煤柱彈性核區(qū)占比達(dá)35%～40%時(shí)，可認(rèn)為煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。為確保6107工作面安全復(fù)采，以40%作為煤柱臨界失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)。借助9號(hào)煤層煤柱煤樣應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試結(jié)果對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，如圖11(a)，(b)所示。以4號(hào)煤柱為例，充填體高度對(duì)底板煤柱彈塑性擴(kuò)展的影響規(guī)律如圖11(c)～(h)所示。

圖11 煤體模擬參數(shù)標(biāo)定及充填體高度對(duì)煤柱塑性區(qū)擴(kuò)展的抑制效應(yīng)Fig.11 Inhibition effect on plastic zone expansion due to calibration of coal simulation parameters and backfilling body height

由圖11可知，在9號(hào)煤層柱采區(qū)未充填時(shí)，4號(hào)底板煤柱塑性區(qū)完全貫通，其破壞失穩(wěn)勢(shì)必導(dǎo)致整個(gè)煤柱群失穩(wěn)及工作面人員、采掘設(shè)備及超前煤巖體的大面積塌陷。隨著充填體高度的增加，受充填體的側(cè)向夾持作用，底板煤柱彈性核區(qū)占比快速提升。當(dāng)充填體高度達(dá)到6 m時(shí)，煤柱彈性核區(qū)占比達(dá)60%。表明隨著充填體高度的增加，充填體對(duì)煤柱塑性區(qū)擴(kuò)展形成強(qiáng)力的抑制效應(yīng)，提高了底板煤柱的承載能力。

4.2 臨界充填高度及蹬空開(kāi)采安全評(píng)價(jià)

當(dāng)充填體高度為6 m，即不接頂高度為2 m時(shí)，可確保6107工作面安全復(fù)采。為此，通過(guò)相似模擬研究不接頂高度2 m時(shí)底板煤柱穩(wěn)定性，以佐證數(shù)值模擬結(jié)果。為確保充填效果，充填材料被制作成類牙膏稠度狀態(tài)，以避免漿液漏失及浸泡弱化底板煤柱，在柱式采空區(qū)前后安裝擋板，隨之在柱采區(qū)中進(jìn)行了注漿充填，待充填材料固結(jié)后撤去擋板，如圖12所示。

結(jié)果表明，雖然仍有2 m不接頂高度，但下煤層煤柱與充填體膠結(jié)良好，充填部分的煤柱從單軸受力變成二軸受力，減小了底板煤柱承載高度，極大提升了煤柱的穩(wěn)定性。這意味著當(dāng)充填體高度為6 m時(shí)，可有效確保6107工作面中層遺煤的安全復(fù)采。

圖12 下煤層柱采區(qū)充填后巖層運(yùn)動(dòng)及煤柱穩(wěn)定性Fig.12 Strata movement and pillar stability after backfilling of underlying pillar mining area

5 蹬空段充填效果實(shí)測(cè)及評(píng)價(jià)

5.1 充填效果觀測(cè)

基于前述研究成果，在開(kāi)采前對(duì)9號(hào)煤層柱采區(qū)進(jìn)行地面鉆孔注漿充填，注漿完成后鉆孔并未封閉，利用鉆孔電視設(shè)備在未封閉的5，13號(hào)鉆孔內(nèi)對(duì)9煤層柱采區(qū)的充填情況進(jìn)行窺視，鉆孔窺視方案如圖13所示。

鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)：5號(hào)鉆孔電視下探至-161 m到達(dá)9號(hào)煤層柱采區(qū)，如圖14(a)所示，繼續(xù)下探至-163 m見(jiàn)充填區(qū)積水面，如圖14(b)所示，此處柱采區(qū)充填未接頂高度約為2 m，充填效果較好；13號(hào)鉆孔電視下探至-164 m見(jiàn)鉆孔坍塌位置，如圖14(c)所示，繼續(xù)下探至-168 m見(jiàn)充填區(qū)積水面，如圖14(d)所示，表明此處尚存在高度約4 m的未充實(shí)區(qū)域，推測(cè)13號(hào)孔附近柱采區(qū)充填效果一般，近4 m的充填未接頂空洞將對(duì)6107工作面的安全回采造成影響。

5.2 柱采區(qū)充填未接頂防治對(duì)策

在6107工作面推進(jìn)至5號(hào)鉆孔對(duì)應(yīng)位置時(shí)，鑒于充填體高度已達(dá)6 m，未接頂高度僅為2 m，底板煤柱承載能力較強(qiáng)，6107工作面未采取任何措施得以安全推過(guò)。而在6107工作面推進(jìn)至13號(hào)鉆孔對(duì)應(yīng)位置時(shí)，在工作面前方發(fā)現(xiàn)由于9號(hào)煤層柱采區(qū)充填不接頂及頂板垮落形成的空洞區(qū)域，其長(zhǎng)度約10 m，寬度5～6 m，高度1～3 m，空洞垮塌范圍貫穿9號(hào)煤層與6號(hào)煤層的層間巖層，且6號(hào)煤層也發(fā)生局部垮落，迫使6107工作面短暫停止回采。針對(duì)上述情況，采用工作面采煤機(jī)割落的煤塊，再填上少量廢舊工字鋼對(duì)工作面前方空洞區(qū)域進(jìn)行充填，最終確保工作面液壓支架安全移架，安全采出后續(xù)煤炭資源。

圖13 窺視孔位置及鉆孔窺視方案Fig.13 Borehole location and borehole peeping scheme diagram

圖14 鉆孔窺視結(jié)果Fig.14 Borehole peeping result diagram

6 結(jié) 論

(1)揭示了底板煤柱偏心壓縮條件下破壞形式及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，9號(hào)煤層柱采區(qū)若在未充填情況下，蹬空開(kāi)采階段的底板煤柱將成為承載地基，導(dǎo)致其內(nèi)應(yīng)力急劇增大，且由于層間巖層的非均勻下沉，易導(dǎo)致底板煤柱產(chǎn)生偏心壓縮現(xiàn)象，使得煤柱剝落體呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)下沉的運(yùn)動(dòng)特征，最終會(huì)造成底板煤柱發(fā)生斜切破壞。

(2)揭示了底板煤柱群破壞失穩(wěn)次序，底板煤柱群失穩(wěn)次序呈現(xiàn)出“關(guān)鍵柱”率先失穩(wěn)，覆巖載荷雙向傳遞，煤柱群“多米諾骨牌式”雙向鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)特征。整個(gè)底板房柱式采空區(qū)中，則呈現(xiàn)出以“關(guān)鍵柱”為輻射中心，由內(nèi)向外多向輻射的波狀失穩(wěn)現(xiàn)象。

(3)研究確定6107工作面蹬空段安全復(fù)采底板煤柱群臨界充填高度為6 m，并得到了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的驗(yàn)證。5號(hào)鉆孔區(qū)域充填體達(dá)到6 m，不接頂高度為2 m，工作面實(shí)現(xiàn)了安全回采；13號(hào)鉆孔區(qū)域充填不接頂高度為4 m，工作面蹬空開(kāi)采存在塌陷風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)采用局部強(qiáng)化充填底板空洞的方法，確保了6107工作面的安全回采。

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