防沖煤柱對(duì)高位巨厚巖層下開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害的防治研究

武泉林 李文婷 呂 康

(濟(jì)寧學(xué)院安全工程技術(shù)中心，山東省濟(jì)寧市，273155)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采★

防沖煤柱對(duì)高位巨厚巖層下開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害的防治研究

武泉林 李文婷 呂 康

(濟(jì)寧學(xué)院安全工程技術(shù)中心，山東省濟(jì)寧市，273155)

高位巨厚關(guān)鍵層下開(kāi)采，采動(dòng)應(yīng)力異常集中，極易誘發(fā)沖擊地壓、礦震等動(dòng)力災(zāi)害。采用三維數(shù)值模擬，研究了防沖煤柱對(duì)巨厚巖層的控制作用和抑災(zāi)效果。結(jié)果表明，與完全垮落法相比，留設(shè)防沖煤柱可大幅度降低回采期間工作面的支承壓力，使工作面整體處于較低的靜載水平。留設(shè)防沖煤柱時(shí)，上覆巨厚關(guān)鍵層可保持穩(wěn)定，避免巨厚關(guān)鍵層大范圍破斷運(yùn)移對(duì)工作面造成沖擊，減少工作面動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

防沖煤柱 巨厚巖層 動(dòng)力災(zāi)害 支承壓力

高位巨厚關(guān)鍵層下開(kāi)采易形成大面積懸頂，造成工作面應(yīng)力異常集中。一旦巨厚關(guān)鍵層發(fā)生破斷，將對(duì)工作面造成強(qiáng)烈沖擊作用，引發(fā)動(dòng)靜組合型沖擊地壓。因此必須采取有效的控制措施，避免巨厚高位關(guān)鍵層大面積破斷運(yùn)移。由于巨厚關(guān)鍵層賦存層位較高，深孔斷頂措施難以實(shí)現(xiàn)。留設(shè)防沖煤柱、充填開(kāi)采為控制巨厚關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)提供了新的途徑，進(jìn)而降低或消除工作面動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的概率。隨著煤炭經(jīng)濟(jì)效益的日益下滑，充填開(kāi)采的噸煤成本較高，不利于工作面經(jīng)濟(jì)效益的提高，因此留設(shè)防沖煤柱成為了當(dāng)前巨厚關(guān)鍵層下開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害防治的較好選擇。本文采用數(shù)值模擬的方法，研究防沖煤柱對(duì)巨厚關(guān)鍵層的控制作用和對(duì)工作面回采期間支承壓力分布的影響。

1 開(kāi)采方案與數(shù)值模型建立

1.1 模型建立

淮北礦業(yè)集團(tuán)海孜煤礦II102采區(qū)位于礦井二水平西部，可采煤層為10號(hào)煤層，煤層厚度為2.67 m，埋深640 m，煤層上方180 m處受巖漿巖侵入，巖漿巖平均厚度為120 m。以海孜煤礦II102采區(qū)巨厚巖漿巖賦存條件及力學(xué)參數(shù)工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立巨厚巖漿巖賦存狀態(tài)的數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模型尺寸為700 m×760 m×440 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型中煤層厚度為3 m，巖漿巖厚度為120 m，距離開(kāi)采煤層180 m，工作面寬度為160 m，模擬埋深640 m。計(jì)算模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，模型巖層組成及力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 開(kāi)采方案

(1)完全垮落法開(kāi)采。模擬3個(gè)工作面完全垮落法開(kāi)采，分析不同開(kāi)采階段硬厚巖層底部、工作面支承壓力及彈性能的變化以及硬厚巖層底部位移變化特征。

表1 模型巖層及力學(xué)參數(shù)

(2)留設(shè)條帶煤柱開(kāi)采。模擬3個(gè)工作面開(kāi)采，第1個(gè)、第2個(gè)工作面采用完全垮落法，在第2個(gè)工作面與第3個(gè)工作面之間留設(shè)防沖煤柱，第3個(gè)工作面采用完全垮落法，研究不同開(kāi)采階段巨厚巖層底部、工作面支承壓力及彈性能分布以及巨厚巖層底部位移變化特征。

2 不同開(kāi)采方案下采動(dòng)應(yīng)力及煤巖彈性能分布

2.1 完全垮落法開(kāi)采

第1個(gè)、第2個(gè)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為600 m，設(shè)定開(kāi)挖步距為50 m，第3個(gè)工作面開(kāi)挖步距同樣為50 m，每一次開(kāi)挖平衡后再進(jìn)行下一步開(kāi)挖。在每個(gè)工作面中部及對(duì)應(yīng)的位置的巨厚巖層底部設(shè)置監(jiān)測(cè)線，記錄回采過(guò)程中巨厚巖層運(yùn)動(dòng)、工作面支承壓力分布情況。

2.1.1 巨厚關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)特征

第1個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后，上覆巨厚關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)下沉情況如圖1所示。由圖1可知，第1個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后，采空區(qū)上方巨厚關(guān)鍵層僅發(fā)生小幅度的下沉，最大下沉量?jī)H為0.23 m，說(shuō)明第1個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后，巨厚關(guān)鍵層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

第2個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后上覆巨厚關(guān)鍵層位移情況如圖2所示。由圖2可知，第2個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后，巨厚關(guān)鍵層的下沉運(yùn)動(dòng)得到進(jìn)一步發(fā)展，最大下沉量為0.68 m，表明巨厚關(guān)鍵層下方存在大量離層空間，巨厚關(guān)鍵層仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 第1個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后上覆巨厚關(guān)鍵層位移情況

圖2 第2個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后上覆巨厚關(guān)鍵層位移情況

第3個(gè)工作面回采結(jié)束后上覆巨厚關(guān)鍵層位移變化情況如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)?shù)?個(gè)工作

面推進(jìn)370 m時(shí)，采空區(qū)上方巨厚關(guān)鍵層發(fā)生整體性大幅度下沉，工作面上方巨厚關(guān)鍵層最大下沉量達(dá)到2.25 m，第2個(gè)工作面上方巨厚關(guān)鍵層底部離層基本閉合，表明上覆巨厚關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷。

圖3 第3個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后上覆巨厚關(guān)鍵層位移情況

2.1.2 工作面支承壓力變化特征

不同回采階段工作面支承壓力分布特征模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，工作面一側(cè)采空條件下，工作面沿空端頭附近存在高應(yīng)力疊加區(qū)，且隨采空區(qū)范圍的增加，疊加區(qū)應(yīng)力集中程度逐漸增加。在第2個(gè)工作面回采350 m時(shí)，疊加區(qū)最大支承壓力為55.05 MPa；當(dāng)?shù)?個(gè)工作面回采至350 m時(shí)，應(yīng)力疊加區(qū)最大支承壓力為63.71 MPa，達(dá)到了工作面回采期間應(yīng)力最大值。當(dāng)?shù)?個(gè)工作面回采370 m時(shí)，上覆巨厚關(guān)鍵層發(fā)生破斷，工作面前方支承壓力峰值急劇減小，由于第3個(gè)工作面采空側(cè)前方巨厚關(guān)鍵層仍有部分處于懸跨狀態(tài)，導(dǎo)致沿空側(cè)仍處于高應(yīng)力集中狀態(tài)，應(yīng)力峰值為55 MPa。

圖4 不同回采階段工作面支承壓力分布特征

不同回采階段工作面中部前方支承壓力峰值變化曲線如圖5所示。由圖5可知，巨厚關(guān)鍵層破斷前，工作面中部支承壓力峰值隨推進(jìn)距離的增加而不斷加大。在工作面開(kāi)采初期，應(yīng)力峰值以線性方式快速增長(zhǎng)，當(dāng)推進(jìn)距離大于100 m時(shí)，增速放緩。此外，在相同推進(jìn)長(zhǎng)度下，隨著一側(cè)采空范圍的增大，支承壓力峰值逐漸增加。關(guān)鍵層破斷后，應(yīng)力峰值急劇降低，由破斷前的46.7 MPa降至40.79 MPa，下降幅度達(dá)到12.7%。

圖5 不同回采階段工作面中部前方支承壓力峰值變化曲線

2.2 留設(shè)防沖煤柱開(kāi)采

第1個(gè)、第2個(gè)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為600 m，設(shè)定開(kāi)挖步距50 m，每一次開(kāi)挖平衡后再進(jìn)行下一步開(kāi)挖。第2個(gè)工作面回采結(jié)束后，在第2個(gè)和第3個(gè)工作面之間留設(shè)70 m寬的煤柱，然后進(jìn)行第3個(gè)工作面回采，第3個(gè)工作面采用垮落法開(kāi)采。在每個(gè)工作面中部及對(duì)應(yīng)的位置的巨厚巖層底部設(shè)置監(jiān)測(cè)線，記錄回采過(guò)程中巨厚巖層運(yùn)動(dòng)、工作面支承壓力分布情況。

2.2.1 巨厚關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)特征

采用留設(shè)防沖煤柱開(kāi)采時(shí)，第3個(gè)工作面回采結(jié)束后上覆巨厚關(guān)鍵層位移變化情況如圖6所示。

由圖6可知，留設(shè)防沖煤柱開(kāi)采可有效減少上覆巨厚關(guān)鍵層的下沉運(yùn)動(dòng)。第3個(gè)工作面回采結(jié)束后，巨厚關(guān)鍵層的最大下沉量?jī)H為0.21 m，表明第3個(gè)工作面回采結(jié)束后巨厚關(guān)鍵層仍然保持穩(wěn)定。

圖6 第3個(gè)工作面開(kāi)挖結(jié)束后上覆巨厚關(guān)鍵層位移情況

2.2.2 工作面支承壓力變化特征

第3個(gè)工作面回采期間支承壓力分布特征如圖7所示。由圖7可以看出，工作面一側(cè)留設(shè)寬煤柱時(shí)，回采期間煤柱處于應(yīng)力集中狀態(tài)。由圖7(a)可知，工作面推進(jìn)100 m時(shí)，煤柱最大支承壓力為38.46 MPa；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，煤柱應(yīng)力集中程度繼續(xù)增加，如圖7(b)、(c)所示，應(yīng)力分別達(dá)到了46.7 MPa、47.69 MPa，說(shuō)明煤柱有效承擔(dān)了上覆巖層重量，分擔(dān)了工作面的承重負(fù)擔(dān)。而工作面前方支承壓力顯著小于完全垮落法開(kāi)采。當(dāng)工作面推進(jìn)350 m時(shí)，工作面前方最大支承壓力為42.13 MPa，遠(yuǎn)小于使用完全垮落法時(shí)的63.71 MPa，有效降低了工作面的支護(hù)壓力。

采用防沖煤柱開(kāi)采時(shí)，第3個(gè)工作面中部支承壓力峰值變化曲線如圖8所示。由圖8可知，工作面回采期間，隨著開(kāi)采范圍的增加應(yīng)力峰值不斷加大，但是顯著小于全部垮落法時(shí)的峰值狀態(tài)，工作面開(kāi)采結(jié)束時(shí)支承壓力峰值僅為45.91 MPa，說(shuō)明防沖開(kāi)采對(duì)降低工作面支承壓力有顯著效果。

與完全垮落法相比，留設(shè)防沖煤柱開(kāi)采可大幅度降低回采期間工作面支承壓力，使工作面整體處于較低的靜載水平。留設(shè)防沖煤柱開(kāi)采時(shí)，上覆巨厚關(guān)鍵層可保持穩(wěn)定，避免巨厚關(guān)鍵層大范圍破斷運(yùn)移對(duì)工作面造成沖擊，可減少工作面動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)采用完全垮落法開(kāi)采時(shí)，第1個(gè)、第2個(gè)工作面回采結(jié)束后，巨厚關(guān)鍵層最大下沉量?jī)H為0.68 m，表明第2個(gè)工作面回采結(jié)束后上覆高位巨厚關(guān)鍵層仍保持穩(wěn)定。

(2)采用安全垮落法開(kāi)采時(shí)，第3個(gè)工作面回采期間，上覆巨厚關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷，破斷后在動(dòng)載的作用下易發(fā)生沖擊地壓、壓架、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害。破斷前沿空順槽端頭支承壓力達(dá)到最大值，破斷后由于上覆部分巨厚關(guān)鍵層的懸跨影響，沿空端頭的應(yīng)力最集中程度仍較高。破斷前在開(kāi)采初期工作面中部支承壓力峰值以線性方式增加，隨后逐步放緩，破斷后支承壓力峰值急劇減小。

圖7 第3個(gè)工作面回采期間支承壓力分布特征

圖8 第3個(gè)工作面回采期間中部支承壓力峰值變化曲線

(3)采用留設(shè)防沖煤柱開(kāi)采時(shí)，上覆巨厚關(guān)鍵層最大下沉量為0.21 m，巨厚關(guān)鍵層保持穩(wěn)定。回采期間工作面前方支承壓力集中程度顯著低于全部垮落法。防沖煤柱處于高應(yīng)力狀態(tài)，表明煤柱起到了明顯的頂板支撐作用，分擔(dān)了工作面的承壓作用。因此采用防沖煤柱開(kāi)采可以避免巨厚關(guān)鍵層大范圍破斷運(yùn)移對(duì)工作面造成的沖擊作用，減少工作面動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

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[2] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林等.巖層控制的關(guān)鍵層理論 [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000

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Studyonthepreventionandcontrolusingcoalpillarforthedynamicminingdisasterunderhigh-positionandultra-thickhardoverlyingstrata

Wu Quanlin, Li Wenting, Lv Kang

(Safety Engineering Technology Center, Jining University, Jining, Shandong 273155, China)

When mining under ultra-thick and critical rock strta, abnormal concentration of mining stress could easily induce rock burst, mine earthquake and other dynamic disasters. The control and mitigation effect of coal pillar on the ultra-thick rock formation were studied by using 3D numerical simulation. The results showed that setting up coal pillar, compared with fully caving method, could greatly reduce the abutment pressure of work face during the mining period, so as to keep work face at a low level of static load. When setting up coal pillar, the key rock strata could be stable and avoid the impact of large-scale movement of critical rock strata on work face, which reduce the occurrence of dynamic disaster at work face.

rock burst prevention coal pillar, ultra-thick rock strata, dynamic disaster, abutment pressure

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374139，51574155)，山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2013EEM018)

武泉林，李文婷，呂康. 防沖煤柱對(duì)高位巨厚巖層下開(kāi)采動(dòng)力災(zāi)害的防治研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(10)：50-54.

Wu Quanlin, Li Wenting, Lv Kang. Study on the prevention and control using coal pillar for the dynamic mining disaster under high-position and ultra-thick hard overlying strata [J]. China Coal，2017,43(10)：50-54.

TD325

A

武泉林(1988-)，男，山東魚臺(tái)人，博士，從事礦山壓力與巖層控制、安全評(píng)價(jià)等方面的研究。

(責(zé)任編輯 陶 賽)