太平煤矿煤层开采覆岩压分布与裂隙带预测

魏克敏，雍章弟，文泽康

太平煤矿煤层开采覆岩压分布与裂隙带预测

魏克敏1，雍章弟2，文泽康1

（1.攀枝花煤业（集团）公司地测处，四川 攀枝花617066；2.攀枝花市国土资源局，四川 攀枝花617000）

运用求解非线性大变形问题有限差分法(FLAC)，对攀枝花宝鼎矿区太平煤矿第二水平1#、3#和5#急倾斜多煤层开采采场围岩压分布、裂隙带特征进行了究研。结果表明：①在进行三个煤层回采工作过程中，采空区附近的围岩应力不断变化；②保护煤柱附近的煤层回采时，在煤柱附近会形成应力集中区域，当回采工作继续向下进行时，采空区又对保护煤柱产生类似于“解放”的效果，煤柱附近的应力集中现象得到缓解；③在煤层回采完后，上部保护煤柱发生塑性破坏，形成了导水通道。

太平煤矿；覆岩压力；裂隙带；攀枝花

由于倾角的影响，采场围岩的变形、破坏形式不同于缓倾斜煤层[3-5]。急倾斜煤层开采将引起覆岩的移动、变形和非连续破坏，对矿井安全生产带来了严重影响。国内外学者在急倾斜煤层开采方面作了一定的工作。高明中（2004）[6]针对新集三矿急倾斜煤层开采复杂的采矿地质条件，运用实验室相似模型试验方法，对西三采区煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积层岩体移动基本特征和地表沉陷的相关参数。王金安（2008）[7]采用分形几何学对离散元计算得出的急倾斜煤层开采覆岩裂隙发育进行了分析。张春华（2010）[8]针对煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点及变形破裂过程中透气性的非线性变化特性，应用基于含瓦斯煤岩破裂过程固-气耦合动力学模型开发的RFPA2D-Flow软件，系统模拟了石门对掘揭开急倾斜煤层煤与瓦斯突出动力灾害演化过程，从细观的角度分析了突出过程中的应力演变、裂隙发展和瓦斯运移规律。温彦良（2011）[9]以长沟峪矿15槽煤层为例，用RFPA2D软件模拟了急倾斜煤层顶板随工作面推进的垮落过程。研究结果表明，工作面顶板岩体支承压力随顶板冒落范围增大而降低；急倾斜煤层顶板垮落过程中，存在初次来压和周期来压现象，但周期来压期间矿压显现不明显。同时，随采深加大，煤层底板开始出现相应破坏，但破坏深度较小。伍永平（2012）[10]针对急倾斜煤层巷道围岩在开挖支护后所表现的非对称变形破坏现象，采用工程地质调查，数值模拟、理论分析等手段，分析了急倾斜煤层巷道的变形破坏具有非对称性，呈现"顶板下滑，底板鼓起"的相互错动变形特征，导致支护结构承受围岩的载荷也具有明显的非对称性。并提出了"锚网索非对称耦合支护技术"，通过非对称布置且相互间工作性能耦合的锚网索支护方式来控制巷道的稳定性，达到对围岩变形破坏有效控制的目的。徐宏伟（2012）[11]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。

攀煤集团宝鼎矿区太平煤矿矿井设计生产能力为75万吨/年，2006年矿井生产能力核定为81万吨/年，最高达92．88万吨/年(1982年)。太平煤矿采用平硐+斜井多水平开拓。第二水平(+1 100m～+900m水平)，主井为斜井，副斜井为暗斜井开拓，分南北两翼开采，各有4个采区，南一、北一采区已开采完毕；南二、南三、北三、北四采区正开采，南四采区正在进行开拓准备。煤层倾角：南翼采区一般在40°～75°，北翼采区一般在25°～45°之间，局部地段达50°～65°左右。作为研究对象的太平煤矿第二水平的1#、3#和5#煤层，煤层平均倾角为67°，属于急倾斜煤层范畴，且上部可能存在老空水，对煤层的安全开采影响非常大。

煤层覆岩破坏区域的确定目前有多种方法，可以通过现场实测获得，也可以通过经验公式来预计，还可以通过数值模拟来获得。由于煤层采场条件的复杂多变，由经验公式得到的覆岩破坏区域往往与实际情况有较大的出入，甚至公式不再适用。现场实测则可以获得特定地质条件下的真实资料，结果定量、直观，准确度高；但其工程量大，工期长，耗资多。而通过数值模拟的方法，使用符合实际的模拟参数，对类似地质条件下的煤层开采覆岩破坏区域进行模拟预测[12-13]，则可得到较为准确可靠的模拟资料，同时也可以节省费用。因此本文通过FLAC有限差分数值软件，对其开采过程中采场围岩矿压分布规律与裂隙带发育特征进行数值模拟研究，从而预测采场覆岩破坏区域，判定采场突水可能。研究成果对现场类似条件下煤层的安全高效开采具有重要指导意义。

表1　岩层力学参数

1　计算模型与计算参数

1.1模型建立

一般情况下，煤层回采方面的问题，可简化为平面应变问题(ετ=0)。为了详细分析煤层回采过程对顶底板围岩的影响规律，根据采矿工程问题特点，将围岩视为分层各向同性弹性介质，建立相应的数值力学分析模型。为了研究采动影响下的围岩稳定性，分析采动应力场的大小及规律，建立了相应的力学分析模型，该模型左右两边与底边均为法向约束，在模型顶端布置法向的均布载荷作用来模拟上覆岩层。

1.2模型边界条件

计算模型边界条件如下：

位移边界条件：模型的左右及下部边界为位移边界，左右边界限制X方向的位移；下部边界限制Y方向的位移。在计算模型的上施加竖向均布载荷来模拟计算区域上部岩层的重量。

1.3物理力学参数

莫尔-库仑屈服准则所揭示的岩石力学特性己被众多的岩石力学试验所证实，由于其参数较少且较容易获得，在工程中得到了广泛的应用。本次数值模拟选取莫尔一库仑塑性模型。模型中将巷道围岩视为服从莫尔库仑准则，围岩物理力学性质参照试验开采区域实际岩体力学特性和岩体力学参数确定，见表1。

1.4模拟步骤

由于煤层上方存在原始老空区，故在煤层开采之前首先计算形成老空区后的初始应力场，然后在逐步开采煤层。数值计算采用如下技术路线依次进行：

1）在煤层开挖前进行老空区应力场的平衡；

2）待应力场形成后，进行煤层的依次回采，计算剖面模型的回采顺序如图1所示；

图1　模型中各煤层的回采顺序图

图2　上部形成老空区后的垂直应力分布图

2　计算结果与分析

2.1初始应力场的计算结果

由于该区受构造应力场影响较弱，煤层开挖前的模拟区原始地应力场可取为岩体自重应力场。由于煤层上方存在老空区，且时间较长，应力已经平衡。故形成老空区后的地应力场计算结果如图2所示。

2.2计算结果分析

在计算保护煤层上部形成老空区后的应力分布基础上，按照预先设计的开挖方案逐步进行煤层回采。1#、3#和5#煤层在分步开挖过程中得到了计算区域关于垂直方向位移、垂直应力分布等结果，计算结果详见图3～图7所示。

图3　第一次回采后垂直应力分布图

图4　第二次回采后垂直应力分布图

图5　第九次回采后垂直应力分布图

图6　第九次回采后垂直位移分布图

从图3～图7分析可知：

1）计算中，在得到形成上部采空后的应力分布规律之后，进行三个煤层的回采工作，采空区附近的围岩在煤层的不断回采过程中，其应力是不断变化着的。

图7　第九次回采后保护煤柱垂直应力分布

图8　第九次回采后塑形区域分布图

2）从应力的结果来看，当形成上部采空区后，在隔离煤柱附近形成了一定范围的应力集中区域，在3#煤层进行第一次回采以后，应力集中区域的范围得到了扩大，由于1#与3#煤层间距较小，因此，这两个煤层的保护煤柱附近的应力集中区域相互被贯通，在第四、五及六次煤层回采过程中，1#和3#煤层保护煤柱的应力集中区域及应力集中系数在回采的过程中逐渐减小，当1#和3#煤层的回采工作结束，进行了第七次煤层的煤层，即5#煤层的回采时，保护煤柱附近的应力突然增大，而当继续进行5#煤层的回采（第八次和第九次回采）时，保护煤柱附近的应力又开始逐渐的减小。由煤层回采过程中的应力变化规律可以看出，当进行保护煤柱附近的煤层回采时，在煤柱附近会形成较大范围的应力集中区域，而当回采工作继续向下进行时，采空区又对保护煤柱产生类似于“解放”的效果，煤柱附近的应力集中现象得到缓解。

3）从煤层回采过程中保护煤柱的垂直应力分布图以及保护煤柱垂直应力分布情况来看，在前四次煤层的回采中，1#、3#及5#煤层保护煤柱的最大垂直应力大约为8MPa、10MPa和9.5MPa，在进行第五及第六次煤层回采后，1#煤层保护煤柱的最大垂直应力逐渐减小至7.5MPa，而3#煤层保护煤柱的最大垂直应力逐渐增大至12MPa，5#煤层保护煤柱最大垂直应力基本保持不变，之后进行了5#煤层的三次回采，在5#煤层回采过后，1#煤层保护煤柱的最大垂直应力逐渐增大至9MPa，3#煤层保护煤柱的最大垂直应力逐渐增大至13.5MPa，而5#煤层保护煤柱的最大垂直应力逐渐增大至16.8MPa。

2.3导水裂隙带高度分析

从煤层回采过程中塑性区的分布范围来看，从上部采空区回采过后，各煤层就开始进入塑性状态，由于最终计算结果仍能保持收敛，因此，煤柱并为发生破坏，从第九次煤层回采所得到的塑性区分布图，可以看出，尽管保护煤柱发生了塑性变形，但是当年采空区的顶板基本保持了稳定，顶板围岩能有效的保护当前采空区不受上部采空区及老空水的影响，从而不至于诱发突水事故。

弹塑性分析：以塑性破坏区范围判定最大导水裂隙带高度。开采最终的塑性区分布见图8所示。从煤层回采过程中塑性区的分布范围来看，在煤层第九次回采后，上部保护煤柱发生了塑性变形。根据弹塑性分析理论可知，保护煤柱已经发生了破坏，形成了导水裂隙带，上部老空水极易形成透水事故。因此，应采取适当安全防护措施，以防止煤层上部老空水透水。

2.4讨论

由于采掘工作面上部存在老空水，存在突水灾害发生的可能性，因此，必须把握“有疑必探，先探后掘”的基本原则，充分探明上部老空区积水情况。采用探放水方法，查明采区前方的水情，并将水有控制地放出，以保证采掘工作面生产的安全。同时，在本次煤层回采过程中顶板未采取任何支护措施，也未留保护煤柱，因此计算结果相对保守，建议在煤层开采过程中采取相应支护措施，并布设保护煤柱，以控制煤层上部煤柱的完整性，防止上部老空水发生透水事故。

3　结论

1）在进行三个煤层回采工作过程中，采空区附近的围岩应力不断变化。由于1#与3#煤层间距较小，在地三步开挖时，这两个煤层的保护煤柱附近的应力集中区域相互贯通。

2）由煤层回采过程中的水平应力变化规律可以看出，当进行保护煤柱附近的煤层回采时，在煤柱附近会形成较大范围的应力集中区域，而当回采工作继续向下进行时，采空区又对保护煤柱产生类似于“解放”的效果，煤柱附近的应力集中现象得到缓解。

3）根据弹塑性分析理论可知，在煤层第九次回采后，上部保护煤柱已经发生了塑性破坏，形成了导水通道，上部老空水极易发生透水事故。建议采用支护和预留保护煤柱，以保证煤层上部原保护煤柱的完好性，防止煤层上部老空水透水。

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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，四川资阳人，教授级高级工程师，主要从事煤矿地质研究