急倾斜煤层开采防水煤柱支承压力分布特征研究

徐宏伟

（中国煤炭科工集团武汉设计研究院，湖北省武汉市，430064）

急倾斜煤层开采防水煤柱支承压力分布特征研究

徐宏伟

（中国煤炭科工集团武汉设计研究院，湖北省武汉市，430064）

为了研究急倾斜煤层开采防水煤柱的稳定性，基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的水文工程地质条件，采用离散元数值计算，分析了急倾斜煤层开采防水煤柱尺寸及充填开采对防水煤柱支承压力的影响。结果表明：急倾斜煤层开采随着防水煤柱尺寸的减小，支承压力分布由“马鞍型”向“单峰值”分布转变；切向应力集中在防水煤柱底板界面形成滑移错动裂隙，是水体渗流发生透水的优势涌水途径；急倾斜煤层充填开采能有效降低防水煤柱的支承压力集中程度，进而减小防水煤柱的抽冒范围，有利于水体下急倾斜煤层的安全回采。

急倾斜煤层 防水煤柱 充填开采 支承压力

当急倾斜煤层开采上方有地表水体和松散含水层等水体时，不允许导水裂隙带波及到水体，通常留设一定尺寸的防水煤岩柱。目前，防水煤岩柱留设主要依据导水裂隙高度，而较少考虑防水煤柱自身的稳定性。矿井开采留设的防水煤柱，一般均处于两侧采空状态，防水煤柱长期承受上覆岩层支承压力的作用，在矿山压力和上覆水体压力的共同作用下，防水煤柱的塑性区破坏范围将明显增大，防水煤柱失稳更易导致急倾斜煤层开采突水事故的发生。目前，相关的研究相对较少。防水煤柱的稳定性受煤柱尺寸影响及煤柱支承压力分布形态的影响。本文采用数值计算分析急倾斜薄煤层和厚煤层开采时，防水煤柱尺寸及充填开采对煤柱支承压力分布形态、塑性区分布的影响。

1 急倾斜煤层赋存条件和数值计算模型

黑龙江龙煤集团七台河分公司龙湖煤矿南二采区有8层可采急斜薄煤层，倾角最大73°，平均为60°。其中，48＃煤层为南二采区首采煤层，埋深320～400m，平均倾角63°，煤厚平均0.7m，顶板为坚硬砂岩。以48＃煤层工作面地质条件和开采技术条件为依据，采用离散元数值计算软件Udec2D3.10进行模拟研究。数值模型范围120m×160m（长×高），采用的围岩本构关系为莫尔－库仑准则，应力－位移混合边界，上表面施加均匀的垂直压应力和水体压力，数值计算模型如图1所示。

图1 数值计算力学模型

2 急倾斜煤层开采防水煤柱应力分布特征

2.1 急倾斜薄煤层防水煤柱应力分布特征

急倾斜薄煤层不同防水煤柱尺寸30m、20m和1 0m时应力分布、塑性区如图2所示。从图中可知，急倾斜薄煤层不同防水煤柱尺寸应力分布和塑性区具有以下特征：

（1）当防水煤柱宽度为30m和20m时，急倾斜煤层开采防水煤柱中部支承压力相互叠加，形成了“马鞍型”分布特征，而防水煤柱宽度10m时，支承压力呈现“单峰值”分布特征；同时，防水煤柱超前支承压力法向应力和应力集中系数，均随防水煤柱尺寸的降低均呈增大趋势，不同防水煤柱宽度30m、20m和10m时，法向应力分别为16.82MPa、18.91MPa和21.26MPa，应力集中系数分别为4.16、4.88和4.9。

（2）急倾斜煤层防水煤柱的破裂抽冒范围，随防水煤柱宽度的降低呈增大趋势。当防水煤柱宽度30m、20m和10m时，防水煤柱的抽冒范围分别为2.4m、2.6m和3.2m；防水煤柱塑性区（包括破裂抽冒区）的范围也随防水煤柱宽度的降低呈减小趋势，防水煤柱宽度30m、20m和10m时，塑性区范围分别是13.74m、9.28m和7.54m。

（3）急倾斜煤层防水煤柱中部弹性区的宽度，随防水煤柱尺寸的减小呈降低趋势。当防水煤柱宽度30m和20m时，弹性区宽度分别为11m和5.5m，而当防水煤柱宽度10m时，急倾斜薄煤层防水煤柱中部基本无弹性区。此时，上覆水体极易沿防水煤柱塑性破坏区进入矿井形成透水事故。

图2 急倾斜薄煤层不同防水煤柱尺寸应力分布和塑性区

2.2 急倾斜厚煤层防水煤柱应力分布特征

急倾斜煤层开采防水煤柱的稳定性和支承压力分布特征受煤层采厚的影响。急倾斜厚煤层开采不同防水煤柱宽度40m、30m和20m应力分布和塑性区特征分别如图3所示。

从图中可知，急倾斜厚煤层开采不同宽度防水煤柱应力分布和塑性区具有以下特征：

（1）当急倾斜厚煤层防水煤柱宽度为40m和30m时，防水煤柱中部支承压力相互叠加，形成了“马鞍型”分布特征，而当防水煤柱宽度20m时，支承压力呈现“单峰值”分布特征；急倾斜厚煤层防水煤柱超前支承压力的峰值应力和应力集中系数，随着防水煤柱尺寸的降低均呈增加趋势，防水煤柱宽度40m、30m和20m时，峰值应力分别为20.81MPa、21.01MPa和21.26MPa，应力集中系数分别为4.85、5.1和5.13。

（2）急倾斜厚煤层防水煤柱的抽冒范围，随着防水煤柱宽度的降低呈增大趋势。当防水煤柱宽度40m、30m和20m时，防水煤柱的抽冒范围分别为8.4m、7.9m和7.2m；防水煤柱下部塑性区（包括破裂抽冒区）的范围也随着防水煤柱宽度的降低呈减小趋势，当防水煤柱宽度为40m、30m和20m时，塑性区的范围分别是18.3m、16.49 m和16m。

图3 急倾斜厚煤层不同防水煤柱尺寸应力分布和塑性区

（3）急倾斜厚煤层防水煤柱中部弹性区的宽度，随着防水煤柱尺寸的降低呈降低趋势。当防水煤柱尺寸40m和30m时，弹性区的宽度分别为16.49m和8.25m；当防水煤柱宽度20m时，防水煤柱中央基本没有弹性区，完全处于塑性破坏状态，此时，上覆水体易沿防水煤柱塑性破坏区进入急倾斜厚煤层工作面空间。

2.3 急倾斜煤层防水煤柱切向应力分布特征

急倾斜煤层开采防水煤柱上不仅垂直于煤层层面的法向应力产生应力集中，沿煤层层面的切向应力也产生应力集中。图4为急倾斜厚煤层开采防水煤柱宽度20m，急倾斜煤层防水煤柱顶、底板界面切向应力的分布特征。

从图4可知，急倾斜煤层开采防水煤柱顶板界面和底板界面的切向应力分布特征有明显的区别，顶板界面的切向应力呈“单峰值”分布，顶板界面的切向应力峰值位于距防水煤柱下边缘16m处，即在距防水煤柱上边缘4m时达到最大，切向应力峰值为14.56MPa，切向应力集中系数为2.66，如图4（a）所示。急倾斜煤层防水煤柱底板界面切向应力近似呈“马鞍型”分布，防水煤柱下部切向应力峰值位于距防水煤柱下边缘6m处，切向应力峰值为10.26MPa，切向应力集中系数为1.83，如图4（b）所示。防水煤柱上部切向应力峰值位于距防水煤柱上边缘7m处，切向峰值应力大小8.82MPa，切向应力集中系数1.61。

因此，急倾斜煤层防水煤柱顶板界面切向应力集中主要发生在防水煤柱上部边缘位置，而底板界面在煤柱上部位置和下部位置均形成了切向应力集中，更易导致防水煤柱底板界面形成导水裂隙。

相似模拟试验也表明，急倾斜厚煤层防水煤柱底板交界面在切向集中应力的作用下形成了剪切滑移裂隙，此时，上覆水体易沿底板界面形成的剪切滑移裂隙进入急倾斜煤层工作面空间。

图4 防水煤柱顶底界面切向应力分布特征

3 急倾斜煤层充填开采防水煤柱应力分布特征

充填开采是水体下煤炭资源安全回采的有效措施，也是煤矿绿色开采的发展方向之一。急倾斜煤层充填开采影响防水煤柱的应力分布特征，进而影响防水煤柱的稳定性。当防水煤柱为30m时，急倾斜薄煤层开采不同充填体强度防水煤柱的应力分布特征如图5所示，不同顶板控制方式防水煤柱超前支承压力和应力集中系数对比如图6所示。

图5 急倾斜薄煤层充填开采超前支承压力分布特征

图6 急倾斜薄煤层充填开采超前支承压力分布对比

从图6可知，急倾斜煤层开采采空区不充填时，防水煤柱上超前支承压力的峰值应力和应力集中系数最大，分别为12.39MPa和2.89。随着采空区充填体强度的增大，急倾斜煤层充填开采防水煤柱上超前支承压力的峰值应力和应力集中系数均呈降低趋势，当充填体强度分别为0.1GPa、0.5GPa和1GPa时，峰值应力分别为11.76 MPa、10.84MPa和9.77MPa，峰值应力集中系数分别为2.72、2.51和2.26。

同时，当急倾斜煤层开采采空区不进行充填时，防水煤柱上超前支承压力峰值位于距防水煤柱下边缘10m处，超过采空区充填开采时超前支承压力峰值距防水煤柱下边缘距离8m。

因此，急倾斜煤层充填开采，可以有效降低防水煤柱超前支承压力峰值应力的大小、应力集中程度以及降低超前支承压力的范围，从而降低防水煤柱塑性破坏区的范围。

4 现场应用

由于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层上方废旧老窑井巷中充满大量积水，并与地表水体形成水力联系，导致急斜煤层开采存在安全生产隐患。为了确保水体下急倾斜煤层的安全回采，现场设计了分带仰斜开采方法，同时，确定了采空区矸石自溜充填并注浆胶结充填体的顶板控制技术，相邻分带回采时对已采分带及时进行矸石充填，当矸石充填结束后，采用水泥－水玻璃浆液进行注浆胶结，提高矸石充填体强度。

现场采用KSE－Ⅱ－1型钻孔应力计，对48＃急倾斜煤层防水煤柱上的超前支承压力分布进行了实测。在工作面回风平巷防水煤柱侧沿煤层仰斜方向布置5个钻孔，深度依次为3m、6m、9m、12和15m，每组测线走向方向相距2m，钻孔高度距底板1.8m。48＃煤层首采分带采空区充填前后超前支承压力对比如图7所示。

图7 防水煤柱超前支承压力特征

从图7可知，48＃急倾斜薄煤层首采分带回采结束采空区未充填时，防水煤柱上超前支承压力峰值位置在9m左右，峰值应力大小为10.5MPa。当急倾斜煤层采空区进行充填后，超前支承压力峰值位置6.2m，峰值应力降低为9.5MPa。因此，急倾斜煤层分带仰斜充填开采，可以有效降低上覆岩层作用于防水煤柱的超前支承压力，从而提高了防水煤柱自身的稳定性。

5 小结

急倾斜煤层开采防水煤柱的稳定性与防水煤柱尺寸及其支承压力分布特征密切相关，随着防水煤柱尺寸的降低，峰值应力集中程度增大，防水煤柱中部弹性核范围逐渐减小，防水煤柱抽冒失稳和塑性破坏的范围增大，导致矿井发生透水事故的可能性增大。急倾斜煤层充填开采可以有效降低防水煤柱的支承压力集中程度，有利于防水煤柱的稳定，进而确保了水体下急倾斜煤层的安全回采。

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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

徐宏伟（1976－），男，工程师，2002年毕业于焦作工学院采矿工程专业，现在中国煤炭科工集团武汉设计研究院从事采矿、矿建和瓦斯治理等研究工作。

（责任编辑 张毅玲）