何　團，薛吉勝

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 北京開采研究院，北京 100013)

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開發(fā)技術(shù)與裝備

淺埋深近距離煤層上行安全開采技術(shù)研究

何團1,2，薛吉勝1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 北京開采研究院，北京 100013)

[摘要]丁家梁煤礦進行Ⅲ-2號煤長壁開采，其埋藏深度50m，下部35m位置處為Ⅳ-2號煤房柱式采空區(qū)，結(jié)合其具體開采技術(shù)條件，分析Ⅲ-2號煤為淺埋深、近距離煤層房柱式采空區(qū)復(fù)雜組合地質(zhì)條件下上行開采。針對這一特殊地質(zhì)條件下上行開采技術(shù)進行研究，理論計算靜載條件下采空區(qū)煤柱載荷、煤柱強度，運用FLAC數(shù)值模擬軟件研究煤柱在上行開采動力擾動作用下失穩(wěn)破壞機理，運用UDEC數(shù)值模擬軟件研究采動影響下煤柱穩(wěn)定性及層間巖層承載變形特性。結(jié)果表明：高初始應(yīng)力條件下，動力擾動易導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)；在采動影響下，煤柱變形可控，并未發(fā)生壓裂式破壞，最終進入穩(wěn)定流變變形階段，房柱式采空區(qū)煤柱不會出現(xiàn)大面積失穩(wěn)或壓垮現(xiàn)象；層間巖層能夠穩(wěn)定承載，且層間巖層同步穩(wěn)定下沉，不可能發(fā)生“整體切落”。針對上行開采風(fēng)險因素，提出砌筑封堵礦井颶風(fēng)災(zāi)害的密閉墻、加強地質(zhì)保障工作、縮短Ⅳ-2號煤長壁工作面長度的針對性措施，確保了上行安全開采。

[關(guān)鍵詞]淺埋深；近距離；上行開采；煤柱穩(wěn)定性；層間巖層

上行開采過程中，開采煤層底板巖(煤)層也會產(chǎn)生一定的卸壓變形和破壞，導(dǎo)致采場圍巖中發(fā)生應(yīng)力重新分布，形成采場圍巖的高應(yīng)力和低應(yīng)力區(qū)[1-3]。這些區(qū)域不僅在該開采煤層內(nèi)形成，而且按一定規(guī)律向上、下巖(煤)層中傳遞和擴散，以致衰減。這均依賴于下層煤層頂板垮落的特性以及兩層煤層的間距及其間的巖性。當(dāng)兩層煤層層間距達到一定厚度，同時其間巖性的強度滿足一定的條件時，下層煤層開采后可能對上層煤層的開采影響不大[4-8]。但上行開采時可能產(chǎn)生其他不利的礦壓顯現(xiàn)，如：工作面底板出現(xiàn)臺階下沉；工作面進出采空區(qū)時礦山壓力的變化較大；工作面的礦山壓力顯現(xiàn)異于常規(guī)下行式工作面等[9-11]。

尤其丁家梁煤礦Ⅲ-2號煤層在房柱式采空區(qū)上方進行開采，下部Ⅳ-2號煤層開采后采空區(qū)殘留的諸多煤柱支撐上部煤層的底板，煤柱的穩(wěn)定性對上部煤層工作面的正?；夭善鹬陵P(guān)重要的作用，面臨的未知因素更多：煤柱有可能“多米諾”大面積垮落，造成颶風(fēng)災(zāi)害；上下采空區(qū)采動裂縫帶貫通，有害氣體涌出造成窒息事故；下煤層采空區(qū)頂板沿上煤層工作面煤壁整體切落，對上方工作面造成沖擊；雖然在開采過程中煤柱處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，然而隨著時間的流逝，煤柱強度的流變，在某時刻煤柱會發(fā)生突然垮塌，致使頂板也大面積垮落；Ⅲ-2號煤埋藏淺、基巖薄，可能發(fā)生頂板整體切落，造成地表突然塌陷，對下部Ⅳ-2號煤房柱式采空區(qū)煤柱形成沖擊載荷。

1礦井概況

Ⅲ-2號煤煤層平均厚度3m，傾角0～3°，埋深約50m，屬于典型的淺埋深煤層，布置長壁式工作面。直接頂為泥巖，厚度6～13m，平均9m；基本頂以砂質(zhì)泥巖為主，厚度15～30m，平均24m；基本頂上覆為松散黃土層，厚度9～19m，平均15m。

Ⅳ-2號煤煤層厚度2.34～3.16m，平均2.75m，傾角1～3°。Ⅳ-2號煤上距Ⅲ-2號煤34.18～38.06m，平均35m。直接頂為泥巖，厚度3～5m，平均4.2m；基本頂為細砂巖，厚度15～20m，平均17m，厚而堅硬。

Ⅳ-2號煤采用房柱式采煤法，目前已采空，房柱寬度都為6m，煤柱理論尺寸為長×寬×高=6m×6m×3m。

2房柱式開采后煤柱受力狀況

2.1煤柱承載力的計算

在房柱式開采過程中，當(dāng)部分煤體開挖出去以后，遺留下來的煤柱要承擔(dān)未開挖前上覆巖層總體的載荷，以達到新的力學(xué)平衡狀態(tài)。

由于煤柱內(nèi)應(yīng)力分布比較復(fù)雜，在一般工程設(shè)計中只需考慮煤柱所受的平均應(yīng)力，下面利用從屬面積法求解煤柱所受應(yīng)力大小，采面的幾何要素如圖1所示。

圖1　從屬面積法的幾何要素

總荷載計算公式為

P總=(a+c)(a+b)×rH

(1)

平均應(yīng)力計算公式為

(2)

將式(1)代入式(2)，得

(3)

式中，a為煤房的寬度，取6m；b為煤柱的長度，取6m；c為煤柱的寬度，取6m；X0為塑性破裂區(qū)寬度，取0.5m；r為巖層的密度，取2.0t/m3；H為開采深度，取85m。

Ⅳ-2號煤在采用“采6留6”房式開采方法，開采深度為85m的條件下，遺留煤柱上的平均應(yīng)力為σ=9.79MPa，而煤柱上的載荷為P總=2.48×105kN。

2.2煤柱強度的計算

Obert，Duvall于1946和1947年通過實驗室研究，提出了煤柱強度計算式(4)。

σP=[σc]·[0.778+0.222c/h]

(4)

式中，σP為煤柱強度，MPa；[σc]為煤樣單軸抗壓強度，MPa；h為煤柱的高度，m。

丁家梁煤礦Ⅳ-2號煤層單軸抗壓強度為24.2MPa，煤柱理論尺寸為：長×寬×高=6m×6m×3m。由于現(xiàn)場煤柱凸凹不平，煤柱表面剝離比較嚴重，現(xiàn)場實際考慮煤柱尺寸為：長×寬×高=5m×5m×3m，根據(jù)Obert-Duvall公式，煤柱強度計算如下：

在Ⅲ-2號煤層開采前，經(jīng)計算，遺留煤柱上的平均應(yīng)力為：σ=9.79MPa。而按照上述理論公式計算的煤柱強度大于該值。該結(jié)果表明，如果不考慮Ⅲ-2號煤層開采動載荷的影響，只考慮Ⅳ-2號煤層房柱式采空區(qū)煤柱承受靜載荷作用的情況，煤柱能夠保持自身穩(wěn)定，不會出現(xiàn)大面積垮落現(xiàn)象。

3動載下煤柱失穩(wěn)破壞機理研究

煤房開挖后，煤柱承受頂板的靜壓力，設(shè)初始靜壓力為P靜。隨著Ⅲ-2號煤長壁工作面的推進，將在前方一定范圍內(nèi)煤柱上產(chǎn)生動載P動，煤柱開始處于一維動靜組合受載狀態(tài)。根據(jù)Ⅳ-2號煤物理力學(xué)參數(shù)，運用FLAC數(shù)值模擬軟件將煤柱簡化為頂、底部兩端固定的等截面柱體進行研究，建立數(shù)值計算模型。

為了分析動力擾動對承受不同高應(yīng)力煤柱的影響，煤柱靜載P靜分別取5MPa，10MPa和15MPa計算。為了分析動載峰值對承受高應(yīng)力煤柱穩(wěn)定性的影響，在計算中Pmax分別取10MPa，15MPa和20MPa。

圖2～圖4分別給出了靜載P靜=5MPa，10MPa和15MPa時不同動力擾動峰值下煤柱中心剖面塑性區(qū)分布隨擾動應(yīng)力變化情況。

圖2　靜載P靜=5MPa時不同動力擾動峰值下煤柱中心剖面塑性區(qū)分布

圖3　靜載P靜=10MPa時不同動力擾動峰值下煤柱中心剖面塑性區(qū)分布

圖4　靜載P靜=15MPa時不同動力擾動峰值下煤柱中心剖面塑性區(qū)分布

圖2中，煤柱承受靜載P靜=5MPa，當(dāng)擾動應(yīng)力峰值從10MPa向20MPa增大時，煤柱中心各監(jiān)測單元在應(yīng)力波作用下都表現(xiàn)為明顯的彈性狀態(tài)，說明這種情況下煤柱沒有發(fā)生破壞，煤柱絕大部分都沒有進入到塑性屈服狀態(tài)，只有煤柱頂部極少部分單元在受力過程中發(fā)生了拉伸破壞。

圖3中，煤柱承受靜載P靜=10MPa，動載作用后，當(dāng)Pmax=10MPa，15MPa時，煤柱只有頂部少數(shù)單元曾發(fā)生拉伸或剪切破壞；當(dāng)Pmax=20MPa時，煤柱中已有 60%以上單元曾在受載過程中發(fā)生拉伸或剪切破壞(以壓剪破壞為主)，說明承受較高靜載應(yīng)力的煤柱在高動力擾動幅值作用下，煤柱會進入塑性破壞階段，但如果動力擾動幅值較小則煤柱不會受到明顯的塑性破壞。

圖4中，煤柱承受靜載P靜=15MPa，無論Pmax取10MPa，15MPa還是取20MPa，煤柱剖面的塑性區(qū)分布圖顯示煤柱已大部分進入塑性屈服狀態(tài)，說明煤柱在承受高靜載應(yīng)力時，動力擾動使煤柱更快進入塑性破壞階段(主要為壓剪破壞，局部出現(xiàn)了拉伸破壞)。由此可見，在煤柱承受初始靜載很大時，煤柱即使是在較小的擾動應(yīng)力峰值作用下，都會導(dǎo)致煤柱發(fā)生塑性破壞，而且擾動應(yīng)力峰值增加時，煤柱的應(yīng)力并不再隨之增加，而是進入到塑性狀態(tài)，發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

綜合以上分析，得到在不同動力擾動峰值下煤柱狀態(tài)，見表1。

表1　不同擾動峰值下煤柱狀態(tài)

4采動影響下煤柱穩(wěn)定性及層間巖層承載變形特性研究

4.1UDEC數(shù)值模型建立及測線布置方案

運用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值計算模型，模擬Ⅲ-2號煤長壁工作面推進過程，分別在采空區(qū)煤柱及Ⅲ-2號煤與Ⅳ-2號煤層間巖層中布置測線(模型建立及測線布置見圖5，其中A，B，C測點分別代表煤柱頂部、煤柱中心、煤柱底部)，監(jiān)測采動過程中測線上垂直位移及垂直應(yīng)力變化，分析采動影響下采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性及層間巖層承載變形特性。模型選用莫爾-庫侖本構(gòu)模型，煤、巖層的物理力學(xué)參數(shù)選取見表2。

圖5　數(shù)值模型及測線布置

巖層厚度/m抗拉強度/MPa彈性模量/GPa體積力/(kN·m-3)黃土15.01.760.307.25粉砂質(zhì)泥巖24.01.942.5221.01泥巖9.00.681.1718.00Ⅲ-2號煤3.01.760.187.25泥巖3.00.681.1718.00粉砂巖1.32.6510.0324.36泥巖2.60.681.1718.00粉砂質(zhì)泥巖7.61.942.5221.01細砂巖17.02.212.1322.41粉砂質(zhì)泥巖4.21.942.5221.01Ⅳ-2號煤3.01.760.187.25粉砂質(zhì)泥巖20.01.942.5221.01

4.2煤柱穩(wěn)定性研究

圖6為長壁工作面推進過程中煤柱垂直應(yīng)力變化曲線圖。從圖中可以看出，工作面超前支承壓力在煤柱的影響范圍為超前工作面30m至滯后工作面10m范圍內(nèi)。煤柱中心位置受采動影響最大，垂直應(yīng)力峰值達到12.5MPa，靜壓為7MPa左右，根據(jù)表1不同擾動峰值下煤柱狀態(tài)表，得到在上方長壁工作面動載影響下，煤柱能夠保持穩(wěn)定。

圖6　采動過程中垂直應(yīng)力變化曲線

圖7　采動過程中煤柱及層間巖層垂直位移變化曲線

4.3層間巖層承載變形特性研究

圖7為長壁工作面推進過程中煤柱及層間巖層垂直位移變化曲線，圖中分別記錄了煤柱中心和煤柱上方7m，17m，23m，30m處垂直位移變化情況。

從圖7中可以看出，隨工作面推進，不同高度位置處，位移變化趨勢基本一致，層間巖層并未出現(xiàn)明顯離層，層間巖層基本同步下沉，最大下沉量達到690mm，煤柱壓縮量較大，達到700mm左右，但仍能夠有效承載。

垂直位移變化基本可以分為3個階段：采動下沉?xí)r期(超前工作面煤壁40m)，垂直位移持續(xù)穩(wěn)定上升，達到520mm；采動影響穩(wěn)定時期(滯后工作面30m),垂直位移基本穩(wěn)定，并未出現(xiàn)明顯變化；采動后頂板彎曲下沉?xí)r期(滯后工作面30～80m),層間巖層進一步彎曲下沉，并最終趨于穩(wěn)定，最大下沉量達到690mm，煤柱壓縮量達到700mm左右，煤柱處于穩(wěn)定流變變形階段。

圖8為長壁工作面推進過程垂直應(yīng)力在層間巖層垂向影響范圍曲線圖。從圖中可以看出，隨工作面推進，在層間巖層不同垂深位置處，超前支承壓力影響范圍基本可以分為3個區(qū)域：層間下部采動影響區(qū)(煤柱上方0～8m范圍)，煤柱上方5m左右處，出現(xiàn)垂直應(yīng)力峰值，說明采動影響壓力在煤柱上方產(chǎn)生一定程度應(yīng)力集中，影響范圍為8m；層間中部存在厚而堅硬的細砂巖，應(yīng)力狀態(tài)良好，存在中部穩(wěn)定承載區(qū)(煤柱上方10～25m范圍)，層間并未發(fā)生貫通式破壞。層間上部采動影響區(qū)(煤柱上方25～36m范圍)，出現(xiàn)垂直應(yīng)力峰值，采動應(yīng)力造成Ⅲ-2號煤底板(34～3m)處在應(yīng)力降低區(qū)，說明采動影響導(dǎo)致Ⅲ-2號煤底板范圍內(nèi)一定程度破壞，破壞深度達到3m。

圖8　采動過程中層間巖層影響范圍

5結(jié)論及措施

根據(jù)上述研究，可得出如下結(jié)論：煤柱的初始應(yīng)力越高，在動載擾動作用下越容易失穩(wěn)；在采動影響下，煤柱變形可控，并未發(fā)生壓裂式破壞，最終進入穩(wěn)定流變變形階段，房柱式采空區(qū)煤柱不會出現(xiàn)大面積失穩(wěn)或壓垮現(xiàn)象；層間巖層能夠穩(wěn)定承載，且層間巖層同步穩(wěn)定下沉，不可能發(fā)生“整體切落”。

根據(jù)以上研究成果，結(jié)合上行開采風(fēng)險因素，在上行開采過程中，采取以下針對性措施，成功實現(xiàn)了上行安全開采：Ⅲ-2號煤長壁工作面開采時，完全封閉Ⅳ-2號煤采空區(qū)，在Ⅳ-2號煤采空區(qū)的出口位置，砌筑封堵礦井颶風(fēng)災(zāi)害的密閉墻；加強地質(zhì)保障工作，在Ⅲ-2號煤層工作面推進過程中，對工作面底板和前方煤體進行鉆孔探測，實時掌握工作面和下部采空區(qū)之間的基巖厚度，保障工作面的順利推進，避免工作面和采空區(qū)貫通，導(dǎo)致透水或窒息事故發(fā)生；為防止Ⅲ-2號煤頂板整體切落及減小采動擾動程度 ，縮短Ⅳ-2號煤長壁工作面的長度，控制在100m以內(nèi)。

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[責(zé)任編輯：于海湧]

Ascending Safety Mining in Contiguous Coal Seam with Shallow Embedded Depth

HE Tuan1,2，XUE Ji-sheng1,2

(1.Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Abstract：Dingjialiang coal mine was using long wall mining method in Ⅲ-2 coal seam at the depth of approximately about 50m，the position of lower about 35m was the room and pillar goaf of Ⅳ-2 coal seam.Base on mining situation，the mining method of Ⅲ-2 coal seam was identified as ascending mining with shallow depth and room and pillar goaf in contiguous coal seam.The paper studied the ascending mining method under special geological situation，goaf coal pillar loading under static loading and strength were calculated，detailed FLAC numerical model was conducted to evaluate the instability failure mechanism of coal pillar，which induced by ascending mining way，and detailed UDEC numerical model was conducted to evaluate pillar stability and loading deformation characters of interlayer strata stratum.The results showed that coal pillar would be instability as dynamic pressure influence in high initial stress，the deformation of coal pillar under mining influence could be controlled easily，without fracturing damage phenomena，stable rheological deformation phase would appeared at the end，without large area instability and collapse phenomenon around goaf under mining method of room and pillar，interlayer strata was stability and subsidence at the same time，‘whole cutting’ would not happen.To the risk of ascending mining，some measures were put forward，which included masonry enclose air stopping，reinforce geological investment and shorten the length of long wall face in Ⅳ-2 coal seam，all measurements ensured ascending mining safety.

Keywords：shallow embedded depth；contiguous；ascending mining；coal pillar stability；interlayer strata stratum

[中圖分類號]TD823.4 1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)01-0028-05

[作者簡介]何團(1987-)，男，河北保定人，在讀博士研究生，主要從事礦山壓力及巖層控制方面的研究。

[基金項目]國家科技支撐計劃資助項目(51304118)；天地科技股份有限公司“公司研發(fā)”項目 (KJ-2013-TDKC-031)

[收稿日期]2015-06-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.007

[引用格式]何團，薛吉勝.淺埋深近距離煤層上行安全開采技術(shù)研究[J].煤礦開采，2016，21(1)：28-32.