急傾斜煤層開采防水煤柱支承壓力分布特征研究

徐宏偉

（中國煤炭科工集團武漢設計研究院，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

（中國煤炭科工集團武漢設計研究院，湖北省武漢市，430064）

為了研究急傾斜煤層開采防水煤柱的穩定性，基于龍湖煤礦南二采區急傾斜煤層的水文工程地質條件，采用離散元數值計算，分析了急傾斜煤層開采防水煤柱尺寸及充填開采對防水煤柱支承壓力的影響。結果表明：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”分布轉變；切向應力集中在防水煤柱底板界面形成滑移錯動裂隙，是水體滲流發生透水的優勢涌水途徑；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

當急傾斜煤層開采上方有地表水體和松散含水層等水體時，不允許導水裂隙帶波及到水體，通常留設一定尺寸的防水煤巖柱。目前，防水煤巖柱留設主要依據導水裂隙高度，而較少考慮防水煤柱自身的穩定性。礦井開采留設的防水煤柱，一般均處于兩側采空狀態，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，防水煤柱的塑性區破壞范圍將明顯增大，防水煤柱失穩更易導致急傾斜煤層開采突水事故的發生。目前，相關的研究相對較少。防水煤柱的穩定性受煤柱尺寸影響及煤柱支承壓力分布形態的影響。本文采用數值計算分析急傾斜薄煤層和厚煤層開采時，防水煤柱尺寸及充填開采對煤柱支承壓力分布形態、塑性區分布的影響。

1 急傾斜煤層賦存條件和數值計算模型

黑龍江龍煤集團七臺河分公司龍湖煤礦南二采區有8層可采急斜薄煤層，傾角最大73°，平均為60°。其中，48＃煤層為南二采區首采煤層，埋深320～400m，平均傾角63°，煤厚平均0.7m，頂板為堅硬砂巖。以48＃煤層工作面地質條件和開采技術條件為依據，采用離散元數值計算軟件Udec2D3.10進行模擬研究。數值模型范圍120m×160m（長×高），采用的圍巖本構關系為莫爾－庫侖準則，應力－位移混合邊界，上表面施加均勻的垂直壓應力和水體壓力，數值計算模型如圖1所示。

圖1 數值計算力學模型

2 急傾斜煤層開采防水煤柱應力分布特征

2.1 急傾斜薄煤層防水煤柱應力分布特征

急傾斜薄煤層不同防水煤柱尺寸30m、20m和1 0m時應力分布、塑性區如圖2所示。從圖中可知，急傾斜薄煤層不同防水煤柱尺寸應力分布和塑性區具有以下特征：

（1）當防水煤柱寬度為30m和20m時，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，支承壓力呈現“單峰值”分布特征；同時，防水煤柱超前支承壓力法向應力和應力集中系數，均隨防水煤柱尺寸的降低均呈增大趨勢，不同防水煤柱寬度30m、20m和10m時，法向應力分別為16.82MPa、18.91MPa和21.26MPa，應力集中系數分別為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。當防水煤柱寬度30m、20m和10m時，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（包括破裂抽冒區）的范圍也隨防水煤柱寬度的降低呈減小趨勢，防水煤柱寬度30m、20m和10m時，塑性區范圍分別是13.74m、9.28m和7.54m。

（3）急傾斜煤層防水煤柱中部彈性區的寬度，隨防水煤柱尺寸的減小呈降低趨勢。當防水煤柱寬度30m和20m時，彈性區寬度分別為11m和5.5m，而當防水煤柱寬度10m時，急傾斜薄煤層防水煤柱中部基本無彈性區。此時，上覆水體極易沿防水煤柱塑性破壞區進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力分布和塑性區

2.2 急傾斜厚煤層防水煤柱應力分布特征

急傾斜煤層開采防水煤柱的穩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應力分布和塑性區特征分別如圖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力分布和塑性區具有以下特征：

（1）當急傾斜厚煤層防水煤柱寬度為40m和30m時，防水煤柱中部支承壓力相互疊加，形成了“馬鞍型”分布特征，而當防水煤柱寬度20m時，支承壓力呈現“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力和應力集中系數，隨著防水煤柱尺寸的降低均呈增加趨勢，防水煤柱寬度40m、30m和20m時，峰值應力分別為20.81MPa、21.01MPa和21.26MPa，應力集中系數分別為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。當防水煤柱寬度40m、30m和20m時，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（包括破裂抽冒區）的范圍也隨著防水煤柱寬度的降低呈減小趨勢，當防水煤柱寬度為40m、30m和20m時，塑性區的范圍分別是18.3m、16.49 m和16m。

圖3 急傾斜厚煤層不同防水煤柱尺寸應力分布和塑性區

（3）急傾斜厚煤層防水煤柱中部彈性區的寬度，隨著防水煤柱尺寸的降低呈降低趨勢。當防水煤柱尺寸40m和30m時，彈性區的寬度分別為16.49m和8.25m；當防水煤柱寬度20m時，防水煤柱中央基本沒有彈性區，完全處于塑性破壞狀態，此時，上覆水體易沿防水煤柱塑性破壞區進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力產生應力集中，沿煤層層面的切向應力也產生應力集中。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力分布特征有明顯的區別，頂板界面的切向應力呈“單峰值”分布，頂板界面的切向應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時達到最大，切向應力峰值為14.56MPa，切向應力集中系數為2.66，如圖4（a）所示。急傾斜煤層防水煤柱底板界面切向應力近似呈“馬鞍型”分布，防水煤柱下部切向應力峰值位于距防水煤柱下邊緣6m處，切向應力峰值為10.26MPa，切向應力集中系數為1.83，如圖4（b）所示。防水煤柱上部切向應力峰值位于距防水煤柱上邊緣7m處，切向峰值應力大小8.82MPa，切向應力集中系數1.61。

因此，急傾斜煤層防水煤柱頂板界面切向應力集中主要發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力集中，更易導致防水煤柱底板界面形成導水裂隙。

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

圖4 防水煤柱頂底界面切向應力分布特征

3 急傾斜煤層充填開采防水煤柱應力分布特征

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展方向之一。急傾斜煤層充填開采影響防水煤柱的應力分布特征，進而影響防水煤柱的穩定性。當防水煤柱為30m時，急傾斜薄煤層開采不同充填體強度防水煤柱的應力分布特征如圖5所示，不同頂板控制方式防水煤柱超前支承壓力和應力集中系數對比如圖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比

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

同時，當急傾斜煤層開采采空區不進行充填時，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，超過采空區充填開采時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力的大小、應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的范圍。

4 現場應用

由于龍湖煤礦南二采區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系，導致急斜煤層開采存在安全生產隱患。為了確保水體下急傾斜煤層的安全回采，現場設計了分帶仰斜開采方法，同時，確定了采空區矸石自溜充填并注漿膠結充填體的頂板控制技術，相鄰分帶回采時對已采分帶及時進行矸石充填，當矸石充填結束后，采用水泥－水玻璃漿液進行注漿膠結，提高矸石充填體強度。

現場采用KSE－Ⅱ－1型鉆孔應力計，對48＃急傾斜煤層防水煤柱上的超前支承壓力分布進行了實測。在工作面回風平巷防水煤柱側沿煤層仰斜方向布置5個鉆孔，深度依次為3m、6m、9m、12和15m，每組測線走向方向相距2m，鉆孔高度距底板1.8m。48＃煤層首采分帶采空區充填前后超前支承壓力對比如圖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束采空區未充填時，防水煤柱上超前支承壓力峰值位置在9m左右，峰值應力大小為10.5MPa。當急傾斜煤層采空區進行充填后，超前支承壓力峰值位置6.2m，峰值應力降低為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定性。

5 小結

急傾斜煤層開采防水煤柱的穩定性與防水煤柱尺寸及其支承壓力分布特征密切相關，隨著防水煤柱尺寸的降低，峰值應力集中程度增大，防水煤柱中部彈性核范圍逐漸減小，防水煤柱抽冒失穩和塑性破壞的范圍增大，導致礦井發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定，進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年畢業于焦作工學院采礦工程專業，現在中國煤炭科工集團武漢設計研究院從事采礦、礦建和瓦斯治理等研究工作。

（責任編輯 張毅玲）