太平煤礦煤層開采覆巖壓分布與裂隙帶預(yù)測

魏克敏，雍章弟，文澤康

太平煤礦煤層開采覆巖壓分布與裂隙帶預(yù)測

魏克敏1，雍章弟2，文澤康1

（1.攀枝花煤業(yè)（集團(tuán)）公司地測處，四川 攀枝花617066；2.攀枝花市國土資源局，四川 攀枝花617000）

運(yùn)用求解非線性大變形問題有限差分法(FLAC)，對攀枝花寶鼎礦區(qū)太平煤礦第二水平1#、3#和5#急傾斜多煤層開采采場圍巖壓分布、裂隙帶特征進(jìn)行了究研。結(jié)果表明：①在進(jìn)行三個煤層回采工作過程中，采空區(qū)附近的圍巖應(yīng)力不斷變化；②保護(hù)煤柱附近的煤層回采時，在煤柱附近會形成應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)回采工作繼續(xù)向下進(jìn)行時，采空區(qū)又對保護(hù)煤柱產(chǎn)生類似于“解放”的效果，煤柱附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解；③在煤層回采完后，上部保護(hù)煤柱發(fā)生塑性破壞，形成了導(dǎo)水通道。

太平煤礦；覆巖壓力；裂隙帶；攀枝花

由于傾角的影響，采場圍巖的變形、破壞形式不同于緩傾斜煤層[3-5]。急傾斜煤層開采將引起覆巖的移動、變形和非連續(xù)破壞，對礦井安全生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響。國內(nèi)外學(xué)者在急傾斜煤層開采方面作了一定的工作。高明中（2004）[6]針對新集三礦急傾斜煤層開采復(fù)雜的采礦地質(zhì)條件，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)方法，對西三采區(qū)煤層開采引起的巖體移動和地表沉陷的基本規(guī)律進(jìn)行了研究，總結(jié)出了新集三礦急傾斜煤層開采重復(fù)采動所引起的厚沖積層巖體移動基本特征和地表沉陷的相關(guān)參數(shù)。王金安（2008）[7]采用分形幾何學(xué)對離散元計(jì)算得出的急傾斜煤層開采覆巖裂隙發(fā)育進(jìn)行了分析。張春華（2010）[8]針對煤巖介質(zhì)材料力學(xué)性質(zhì)的非均勻性特點(diǎn)及變形破裂過程中透氣性的非線性變化特性，應(yīng)用基于含瓦斯煤巖破裂過程固-氣耦合動力學(xué)模型開發(fā)的RFPA2D-Flow軟件，系統(tǒng)模擬了石門對掘揭開急傾斜煤層煤與瓦斯突出動力災(zāi)害演化過程，從細(xì)觀的角度分析了突出過程中的應(yīng)力演變、裂隙發(fā)展和瓦斯運(yùn)移規(guī)律。溫彥良（2011）[9]以長溝峪礦15槽煤層為例，用RFPA2D軟件模擬了急傾斜煤層頂板隨工作面推進(jìn)的垮落過程。研究結(jié)果表明，工作面頂板巖體支承壓力隨頂板冒落范圍增大而降低；急傾斜煤層頂板垮落過程中，存在初次來壓和周期來壓現(xiàn)象，但周期來壓期間礦壓顯現(xiàn)不明顯。同時，隨采深加大，煤層底板開始出現(xiàn)相應(yīng)破壞，但破壞深度較小。伍永平（2012）[10]針對急傾斜煤層巷道圍巖在開挖支護(hù)后所表現(xiàn)的非對稱變形破壞現(xiàn)象，采用工程地質(zhì)調(diào)查，數(shù)值模擬、理論分析等手段，分析了急傾斜煤層巷道的變形破壞具有非對稱性，呈現(xiàn)"頂板下滑，底板鼓起"的相互錯動變形特征，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受圍巖的載荷也具有明顯的非對稱性。并提出了"錨網(wǎng)索非對稱耦合支護(hù)技術(shù)"，通過非對稱布置且相互間工作性能耦合的錨網(wǎng)索支護(hù)方式來控制巷道的穩(wěn)定性，達(dá)到對圍巖變形破壞有效控制的目的。徐宏偉（2012）[11]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防水煤柱支承壓力的影響。

攀煤集團(tuán)寶鼎礦區(qū)太平煤礦礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為75萬噸/年，2006年礦井生產(chǎn)能力核定為81萬噸/年，最高達(dá)92．88萬噸/年(1982年)。太平煤礦采用平硐+斜井多水平開拓。第二水平(+1 100m～+900m水平)，主井為斜井，副斜井為暗斜井開拓，分南北兩翼開采，各有4個采區(qū)，南一、北一采區(qū)已開采完畢；南二、南三、北三、北四采區(qū)正開采，南四采區(qū)正在進(jìn)行開拓準(zhǔn)備。煤層傾角：南翼采區(qū)一般在40°～75°，北翼采區(qū)一般在25°～45°之間，局部地段達(dá)50°～65°左右。作為研究對象的太平煤礦第二水平的1#、3#和5#煤層，煤層平均傾角為67°，屬于急傾斜煤層范疇，且上部可能存在老空水，對煤層的安全開采影響非常大。

煤層覆巖破壞區(qū)域的確定目前有多種方法，可以通過現(xiàn)場實(shí)測獲得，也可以通過經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)計(jì)，還可以通過數(shù)值模擬來獲得。由于煤層采場條件的復(fù)雜多變，由經(jīng)驗(yàn)公式得到的覆巖破壞區(qū)域往往與實(shí)際情況有較大的出入，甚至公式不再適用。現(xiàn)場實(shí)測則可以獲得特定地質(zhì)條件下的真實(shí)資料，結(jié)果定量、直觀，準(zhǔn)確度高；但其工程量大，工期長，耗資多。而通過數(shù)值模擬的方法，使用符合實(shí)際的模擬參數(shù)，對類似地質(zhì)條件下的煤層開采覆巖破壞區(qū)域進(jìn)行模擬預(yù)測[12-13]，則可得到較為準(zhǔn)確可靠的模擬資料，同時也可以節(jié)省費(fèi)用。因此本文通過FLAC有限差分?jǐn)?shù)值軟件，對其開采過程中采場圍巖礦壓分布規(guī)律與裂隙帶發(fā)育特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從而預(yù)測采場覆巖破壞區(qū)域，判定采場突水可能。研究成果對現(xiàn)場類似條件下煤層的安全高效開采具有重要指導(dǎo)意義。

表1　巖層力學(xué)參數(shù)

1　計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

1.1模型建立

一般情況下，煤層回采方面的問題，可簡化為平面應(yīng)變問題(ετ=0)。為了詳細(xì)分析煤層回采過程對頂?shù)装鍑鷰r的影響規(guī)律，根據(jù)采礦工程問題特點(diǎn)，將圍巖視為分層各向同性彈性介質(zhì)，建立相應(yīng)的數(shù)值力學(xué)分析模型。為了研究采動影響下的圍巖穩(wěn)定性，分析采動應(yīng)力場的大小及規(guī)律，建立了相應(yīng)的力學(xué)分析模型，該模型左右兩邊與底邊均為法向約束，在模型頂端布置法向的均布載荷作用來模擬上覆巖層。

1.2模型邊界條件

計(jì)算模型邊界條件如下：

位移邊界條件：模型的左右及下部邊界為位移邊界，左右邊界限制X方向的位移；下部邊界限制Y方向的位移。在計(jì)算模型的上施加豎向均布載荷來模擬計(jì)算區(qū)域上部巖層的重量。

1.3物理力學(xué)參數(shù)

莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則所揭示的巖石力學(xué)特性己被眾多的巖石力學(xué)試驗(yàn)所證實(shí)，由于其參數(shù)較少且較容易獲得，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。本次數(shù)值模擬選取莫爾一庫侖塑性模型。模型中將巷道圍巖視為服從莫爾庫侖準(zhǔn)則，圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參照試驗(yàn)開采區(qū)域?qū)嶋H巖體力學(xué)特性和巖體力學(xué)參數(shù)確定，見表1。

1.4模擬步驟

由于煤層上方存在原始老空區(qū)，故在煤層開采之前首先計(jì)算形成老空區(qū)后的初始應(yīng)力場，然后在逐步開采煤層。數(shù)值計(jì)算采用如下技術(shù)路線依次進(jìn)行：

1）在煤層開挖前進(jìn)行老空區(qū)應(yīng)力場的平衡；

2）待應(yīng)力場形成后，進(jìn)行煤層的依次回采，計(jì)算剖面模型的回采順序如圖1所示；

圖1　模型中各煤層的回采順序圖

圖2　上部形成老空區(qū)后的垂直應(yīng)力分布圖

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1初始應(yīng)力場的計(jì)算結(jié)果

由于該區(qū)受構(gòu)造應(yīng)力場影響較弱，煤層開挖前的模擬區(qū)原始地應(yīng)力場可取為巖體自重應(yīng)力場。由于煤層上方存在老空區(qū)，且時間較長，應(yīng)力已經(jīng)平衡。故形成老空區(qū)后的地應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

2.2計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算保護(hù)煤層上部形成老空區(qū)后的應(yīng)力分布基礎(chǔ)上，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的開挖方案逐步進(jìn)行煤層回采。1#、3#和5#煤層在分步開挖過程中得到了計(jì)算區(qū)域關(guān)于垂直方向位移、垂直應(yīng)力分布等結(jié)果，計(jì)算結(jié)果詳見圖3～圖7所示。

圖3　第一次回采后垂直應(yīng)力分布圖

圖4　第二次回采后垂直應(yīng)力分布圖

圖5　第九次回采后垂直應(yīng)力分布圖

圖6　第九次回采后垂直位移分布圖

從圖3～圖7分析可知：

1）計(jì)算中，在得到形成上部采空后的應(yīng)力分布規(guī)律之后，進(jìn)行三個煤層的回采工作，采空區(qū)附近的圍巖在煤層的不斷回采過程中，其應(yīng)力是不斷變化著的。

圖7　第九次回采后保護(hù)煤柱垂直應(yīng)力分布

圖8　第九次回采后塑形區(qū)域分布圖

2）從應(yīng)力的結(jié)果來看，當(dāng)形成上部采空區(qū)后，在隔離煤柱附近形成了一定范圍的應(yīng)力集中區(qū)域，在3#煤層進(jìn)行第一次回采以后，應(yīng)力集中區(qū)域的范圍得到了擴(kuò)大，由于1#與3#煤層間距較小，因此，這兩個煤層的保護(hù)煤柱附近的應(yīng)力集中區(qū)域相互被貫通，在第四、五及六次煤層回采過程中，1#和3#煤層保護(hù)煤柱的應(yīng)力集中區(qū)域及應(yīng)力集中系數(shù)在回采的過程中逐漸減小，當(dāng)1#和3#煤層的回采工作結(jié)束，進(jìn)行了第七次煤層的煤層，即5#煤層的回采時，保護(hù)煤柱附近的應(yīng)力突然增大，而當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行5#煤層的回采（第八次和第九次回采）時，保護(hù)煤柱附近的應(yīng)力又開始逐漸的減小。由煤層回采過程中的應(yīng)力變化規(guī)律可以看出，當(dāng)進(jìn)行保護(hù)煤柱附近的煤層回采時，在煤柱附近會形成較大范圍的應(yīng)力集中區(qū)域，而當(dāng)回采工作繼續(xù)向下進(jìn)行時，采空區(qū)又對保護(hù)煤柱產(chǎn)生類似于“解放”的效果，煤柱附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解。

3）從煤層回采過程中保護(hù)煤柱的垂直應(yīng)力分布圖以及保護(hù)煤柱垂直應(yīng)力分布情況來看，在前四次煤層的回采中，1#、3#及5#煤層保護(hù)煤柱的最大垂直應(yīng)力大約為8MPa、10MPa和9.5MPa，在進(jìn)行第五及第六次煤層回采后，1#煤層保護(hù)煤柱的最大垂直應(yīng)力逐漸減小至7.5MPa，而3#煤層保護(hù)煤柱的最大垂直應(yīng)力逐漸增大至12MPa，5#煤層保護(hù)煤柱最大垂直應(yīng)力基本保持不變，之后進(jìn)行了5#煤層的三次回采，在5#煤層回采過后，1#煤層保護(hù)煤柱的最大垂直應(yīng)力逐漸增大至9MPa，3#煤層保護(hù)煤柱的最大垂直應(yīng)力逐漸增大至13.5MPa，而5#煤層保護(hù)煤柱的最大垂直應(yīng)力逐漸增大至16.8MPa。

2.3導(dǎo)水裂隙帶高度分析

從煤層回采過程中塑性區(qū)的分布范圍來看，從上部采空區(qū)回采過后，各煤層就開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，由于最終計(jì)算結(jié)果仍能保持收斂，因此，煤柱并為發(fā)生破壞，從第九次煤層回采所得到的塑性區(qū)分布圖，可以看出，盡管保護(hù)煤柱發(fā)生了塑性變形，但是當(dāng)年采空區(qū)的頂板基本保持了穩(wěn)定，頂板圍巖能有效的保護(hù)當(dāng)前采空區(qū)不受上部采空區(qū)及老空水的影響，從而不至于誘發(fā)突水事故。

彈塑性分析：以塑性破壞區(qū)范圍判定最大導(dǎo)水裂隙帶高度。開采最終的塑性區(qū)分布見圖8所示。從煤層回采過程中塑性區(qū)的分布范圍來看，在煤層第九次回采后，上部保護(hù)煤柱發(fā)生了塑性變形。根據(jù)彈塑性分析理論可知，保護(hù)煤柱已經(jīng)發(fā)生了破壞，形成了導(dǎo)水裂隙帶，上部老空水極易形成透水事故。因此，應(yīng)采取適當(dāng)安全防護(hù)措施，以防止煤層上部老空水透水。

2.4討論

由于采掘工作面上部存在老空水，存在突水災(zāi)害發(fā)生的可能性，因此，必須把握“有疑必探，先探后掘”的基本原則，充分探明上部老空區(qū)積水情況。采用探放水方法，查明采區(qū)前方的水情，并將水有控制地放出，以保證采掘工作面生產(chǎn)的安全。同時，在本次煤層回采過程中頂板未采取任何支護(hù)措施，也未留保護(hù)煤柱，因此計(jì)算結(jié)果相對保守，建議在煤層開采過程中采取相應(yīng)支護(hù)措施，并布設(shè)保護(hù)煤柱，以控制煤層上部煤柱的完整性，防止上部老空水發(fā)生透水事故。

3　結(jié)論

1）在進(jìn)行三個煤層回采工作過程中，采空區(qū)附近的圍巖應(yīng)力不斷變化。由于1#與3#煤層間距較小，在地三步開挖時，這兩個煤層的保護(hù)煤柱附近的應(yīng)力集中區(qū)域相互貫通。

2）由煤層回采過程中的水平應(yīng)力變化規(guī)律可以看出，當(dāng)進(jìn)行保護(hù)煤柱附近的煤層回采時，在煤柱附近會形成較大范圍的應(yīng)力集中區(qū)域，而當(dāng)回采工作繼續(xù)向下進(jìn)行時，采空區(qū)又對保護(hù)煤柱產(chǎn)生類似于“解放”的效果，煤柱附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解。

3）根據(jù)彈塑性分析理論可知，在煤層第九次回采后，上部保護(hù)煤柱已經(jīng)發(fā)生了塑性破壞，形成了導(dǎo)水通道，上部老空水極易發(fā)生透水事故。建議采用支護(hù)和預(yù)留保護(hù)煤柱，以保證煤層上部原保護(hù)煤柱的完好性，防止煤層上部老空水透水。

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Distribution of Overlying Strata Pressure in Seam Mining and Fissure Zone Prediction in the Taiping Coal Mine

WEI Ke-min1YONG Zhang-di2WEN Ze-kang1
（1-Panzhihua Coal Mining Group， Panzhihua， Sichuan617066； 2-Panzhihua Bureau of Land and Resources，Panzhihua， Sichuan617000）

This paper deals with distribution of overlying strata pressure in seam mining in the Taiping Coal Mine by use of FLAC. The results indicate that stress of wall rock near by mined-out area changes with stoping，stress near by safely pillar changes with stoping， and transmission fissure zone results from plastic deformation of upper safely pillar when coal is mined-out.

Taiping Coal Mine； overlying strata pressure； fissure zone； Panzhihua

P618.11；TD311

A

1006-0995（2015）03-0347-004

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.03.007

2014-06-17

魏克敏（1969-），男，四川資陽人，教授級高級工程師，主要從事煤礦地質(zhì)研究