上分层遗留煤柱影响下工作面安全回采研究_马宁.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 近年来，许多矿井因早期开采布局不合理而在 井田内形成遗留煤柱，使附近区域应力集中明显， 覆 岩空间结构复杂， 给煤炭资源回收和冲击矿压防治 提出了新的挑战[1-3]。随着开采深度的增加， 遗留孤 岛煤柱冲击事故发生的频度和烈度也随之增加[4-6]。 实践表明，上分层遗留煤柱应力集中区域异常， 对 下分层工作面的安全回采造成很大威胁。因此， 研 究上分层遗留煤柱影响下工作面回采前后的时空演 化规律，对煤矿工作面的安全回采具有重要意义。 王方田等[7]对浅埋煤层遗留煤柱突变失稳机理进行 研究，指出煤柱单侧屈服带宽度介于煤柱宽 0.33～ 0.43 倍时将发生突变失稳，并提出相应的防治措 施； 赵维生等[8]采用数值模拟方法， 研究了遗留煤柱 下伏煤岩体的强度系数和应力影响规律，优化了该 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.043 上分层遗留煤柱影响下工作面安全回采研究 马宁 1， 2， 张 臣 1， 2， 贾江锋1， 2， 丁 楠 1， 2， 李小裕1， 2， 束佳明1， 2 （1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地， 山东 泰安 271000； 2.山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要 为研究上分层遗留煤柱对下分层工作面回采的影响， 以山东金桥煤矿 1304 工作面为工 程背景， 采用 FLAC3D模拟软件， 研究了煤柱塑性区和支承压力分布及下分层工作面分步回采期 间的支承压力演化规律。研究表明 当下分层工作面未采时， 两采空区侧向支承压力叠加， 在煤 柱体边缘形成 2 个应力集中区， 应力集中系数分别为 2.2 和 2.8。煤柱体发生全部塑性破坏形成 屈服煤柱， 能够支撑覆岩施加的载荷， 不易诱发失稳动力灾害。当下分层工作面开采时， 煤柱体 由两面采空变为三面采空状态， 应力集中系数由 3.8 增至 4.5， 在强支承压力作用下可能诱发煤 柱 “蠕-突变” 失稳型冲击地压。因此， 回采期间应加强煤柱冲击危险监测， 并采取大直径钻孔预 卸压解危措施。 关键词 遗留煤柱； 支承压力； FLAC3D软件； 数值模拟； 塑性区 中图分类号 TD323文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0192-05 Study on Safe Mining of Working Face Under the Influence of Upper Stratified Coal Pillar MA Ning1,2, ZHANG Chen1,2, JIA Jiangfeng1,2, DING Nan1,2, LI Xiaoyu1,2, SU Jiaming1,2 （1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Tai an 271000, China；2.College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China） Abstract In order to study the influence of the upper stratified residual coal pillars on the mining of the lower stratified working face, the 1304 working face of Shandong Jinqiao Coal Mine was taken as the engineering background. FLAC3Dsimulation software was used to study the plastic zone and bearing pressure distribution of coal pillars and the evolution of bearing pressure during the step-by-step mining of the lower layer working face. The research shows that when the stratified working face is not mined, the lateral bearing pressures of the two goafs are superimposed, and two stress concentration zones are ed at the edge of the coal pillar, and the stress concentration factors are 2.2 and 2.8 respectively. The coal column undergoes all plastic failure to a yielding coal pillar, which can support the load applied by the overburden and is not easy to induce a destabilizing dynamic disaster. When the lower stratified working face is mined, the coal pillars are changed from two-sided mining to three-sided emptying. The stress concentration factor is increased from 3.8 to 4.5, which may induce the “creep-mutation”instability type rock burst of coal pillar under the action of strong supporting pressure. Therefore, during the mining period, the coal pillar impact hazard monitoring should be strengthened, and the large-diameter borehole pre-relieving pressure measures should be taken. Key words remaining coal pillar； bearing pressure； FLAC3Dsoftware； numerical simulation； plastic zone 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51704185， 51704182） ； 山 东省自然科学基金资助项目 （ZR2017BEE045） 192 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 2三维数值模型 表 1模型煤岩物理力学参数表 图 11304 工作面位置图 矿巷道布置方式。杨伟利等[9]通过理论计算和数值 模拟方法研究了遗留煤柱诱发冲击地压机理，得出 回采期间的应力集中造成冲击力大于阻抗力，据此 划分了危险区及危险等级。综上所述，专家学者采 用理论计算和数值模拟等方法，在遗留煤柱影响下 工作面的安全性和巷道维护等方面进行了较为深入 的研究，并取得了丰富的研究结果。但对同一煤层 分层开采条件下，上分层遗留煤柱对下分层工作面 安全回采研究相对较少。因此，在前人研究的基础 上， 考虑了金桥煤矿的特殊开采地质条件， 以 1304 综放工作面为研究对象，利用 FLAC3D有限差分软 件[10-11]， 建立三维数值模型， 研究了上分层遗留煤柱 的塑性区和支承压力演化规律以及下分层 1304 综 放工作面不同开采时期的支承压力演化规律，为同 类条件煤矿工作面的安全生产提供理论依据。 1工程背景 1304 工作面东侧相邻 1302下工作面采空区和 1302上工作面采空区， 西侧为 1316上工作面采空区， 南侧为上山巷道和南翼采空区。1304 工作面上方的 1304上工作面采空区与 1316上工作面采空区之间遗 留 46 m 煤柱。 1304 工作面主采煤层为 3煤层， 地层 总体为一宽缓的向斜构造， 中间低， 两头略高， 煤层 倾角 3～12， 平均 10， 平均厚度为 4 m。煤层埋深 为 436.5～477.2 m， 平均埋深为 456.9 m。 煤层煤质较 好， 属低灰、 特低硫、 特低磷、 高发热量煤层， 煤层硬 度系数 f1～2,属中硬煤。 1304 工作面位置图如图 1。 2数值模拟方法和模型的建立 2.1FLAC3D数值模拟方法 利用 FLAC3D数值模拟软件， 根据现场实际情况 进行建模与赋值。模型尺寸 480 m长330 m宽 106 m 高，共划分 439 296 个网格， 462 537 个单 元， 模型左右前后边界施加水平约束， 使边界水平位 移量为 0； 底部边界固定， 使底部边界水平、 垂直位 移量均为 0； 采用摩尔-库伦模型[12-13]， 垮落带采用双 屈服模型处理 [14-15]。模型顶部施加垂直应力 9.85 MPa，水平应力施加均布载荷，为垂直方向应力的 0.5 倍。模型的岩石力学参数见表 1。三维数值计算 模型， 如图 2。 2.2模拟方案 先模拟回采 1316上工作面和 1304上工作面以及 1302 上下分层工作面， 形成采空区。然后分步回采 1304 综放工作面。通过数值模拟结果， 分析了 1316上 工作面和 1304上工作面之间的 46 m 宽煤柱支承演 化和塑性区分布规律， 以及 1304 工作面分步回采期 间的支承压力演化规律。 3遗留煤柱理论及数值模拟分析 煤柱设计不仅要保证巷道的支护稳定性和人员 设备安全， 在鉴定具有冲击地压危险的矿井， 还要能 够降低煤矿工作面回采期间的冲击危险性。煤柱宽 高比 W/H 与承载特性关系如图 3。从图 3 中可以看 出，屈服煤柱和支撑煤柱都能够有效的保证工作 面巷道的稳定性， 支撑煤柱的弹性核区较宽， 能够 岩性 密度/ （kg m-3） 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 内摩擦 角/ （ ） 中砂岩 泥岩 粉砂岩 煤 细砂岩 粗砂岩 2 640 2 440 2 570 1 300 2 540 2 540 14.7 5.7 8.1 4.2 19.2 14.7 8.10 5.50 7.30 0.51 17.30 8.10 6.11 2.30 3.68 2.68 3.30 10.00 7.00 4.01 5.00 1.50 5.98 11.55 26 25 28 20 30 26 193 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 546 m 煤柱支承压力分布曲线 图 4两侧工作面开采后煤柱支承压力演化云图 图 3煤柱宽高比 W/H 与承载特性关系 支撑住上覆岩层所施加的载荷，煤柱不易发生突然 失稳破坏。同样屈服煤柱在现场的应用表明，该技 术也能够有效减少冲击地压次数，降低工作面巷道 的底鼓严重程度，相比支撑煤柱可节省大量的煤 炭。屈服煤柱方法容许巷道和煤柱在侧向支撑压力 作用下产生一定的变形，从而把大量的载荷转移到 周围的实体煤中，降低自身的应力集中程度，防止 大量弹性能积聚后的突然释放造成煤柱型冲击地压 的发生。 3.1上分层遗留煤柱塑性区和支承压力演化规律 根据采区开采设计， 1316上工作面和 1304上工 作面上分层开采后， 两工作面之间存在 46 m 煤柱。 两相邻采空区的侧向支承压力作用在煤柱上，形成 支承压力叠加影响区，两侧工作面开采后煤柱支承 压力演化云图如图 4。 煤柱形成后，两侧向支承压力在煤柱边缘形成 2 个应力集中区， 靠近 1316上工作面， 侧向支承压力 峰值约为 32 MPa， 原岩应力为 11.5 MPa， 应力集中 系数为 2.8； 靠近 1304上工作面上分层采空区， 侧向 支承压力峰值约为 35 MPa， 应力集中系数为 3。46 m 煤柱支承压力分布曲线如图 5。由此可见， 煤柱靠 近 1304上工作面上分层采空区应力集中程度略大于 1316上工作面采空区侧， 主要由于 1304 工作面一侧 上覆岩层悬顶结构面积大，导致岩层结构转移到煤 柱上的载荷略大。煤柱中部支承压力为 25 MPa， 应 力集中系数为 2.2， 高于原岩应力。因此， 煤柱两侧 的侧向支承压力在煤柱中部已经产生应力叠加， 使 煤柱体弹性能积聚后处于承压状态。 在两相邻采空区侧向支承压力作用下，煤柱体 处于承压状态， 由于金桥煤矿 3煤单轴抗压强度仅 达到 7.63 MPa，因此在叠加支承压力的作用下， 46 m 宽的煤柱体发生全部塑性破坏， 两侧工作面开采 后煤柱塑性分布区图如图 6。考虑到煤柱体内形成 应力集中，说明煤柱体虽然处于塑性破坏状态， 但 其残余强度仍然具有一定的承载能力。因此该煤柱 体形成了屈服煤柱，能够支撑住上覆岩层所施加的 载荷，此时煤柱不易发生突然失稳破坏诱发强动力 灾害，有利于降低煤柱冲击危险性。但由于煤柱体 发生了全塑性破坏， 1304 工作面下分层开采时， 会 产生新的应力扰动，使煤柱体的承压状态再次发生 变化， 应加强监测和预防工作， 确保安全生产。 3.21304 工作面回采期间支承压力演化规律 1304 工作面下分层开采时， 应力分布云图如图 7， 当 1304 工作面推进至 160 m 时， 煤柱受 1304上工 作面侧向支承压力和 1304 工作面超前支承压力 2 个因素的叠加影响， 煤柱处于两面采空状态， 在工作 面前方形成 1 个应力集中区。通过应力监测线 1 提 取的数据可知，煤柱所承受的支承压力最大值约为 43.5 MPa， 应力集中系数达到 3.8， 应力集中程度较 高。 1304 工作面回采 260 m 时应力分布云图如图 8， 194 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 81304 工作面回采 260 m 时应力分布云图 图 91304 工作面超前支承压力曲线图 图 71304 工作面回采 160 m 时应力分布云图 图 6两侧工作面开采后煤柱塑性分布区图 当 1304 工作面推进至 260 m 时， 煤柱处于三面采空 状态，煤柱两相邻工作面采空区侧向支承压力和 1304 工作面超前支承压力在煤柱形成叠加应力。在 工作面前方形成 2 处应力集中区， 其中靠近 1304 工 作面侧的应力集中程度更高。1304 工作面超前支承 压力曲线图如图 9，通过应力监测线 2 提取的数据 可知， 应力曲线呈 “马鞍” 形， 超前支承压力最大值 约为 52.3 MPa， 应力集中系数达到 4.5， 应力集中程 度较之前又有所提高。随着距离工作面煤壁越来越 远，煤柱所承受的支承压力峰值有所降低，但是应 力集中程度仍然较高。 因此， 1304 工作面回采期间，虽然煤柱处于屈 服状态，但是由于自身残余强度的支撑能力，在强 支承压力作用下可能会发生煤柱的整体性失稳破 坏。因此， 为防治煤柱发生 “蠕-突变” 失稳型冲击地 压，回采期间应加强煤柱冲击危险监测，并采取大 直径钻孔预卸压解危措施。 4结论 1） 1304 工作面下分层未开采时， 两采空区的侧 向支承压力在煤柱边缘形成 2 个应力集中区。由于 1304 工作面覆岩悬顶面积较大， 导致岩层结构转移 到煤柱上的载荷略大， 煤柱靠近 1304 工作面上分层 采空区应力集中程度略大于 1316 工作面采空区侧， 应力集中系数分别为 2.2 和 2.8。 在叠加支承压力作 用下， 煤柱体发生全部塑性破坏， 形成煤柱形成了屈 服煤柱， 能够支撑上覆岩层施加的载荷， 煤柱不易诱 发失稳动力灾害。 2） 1304 工作面下分层开采时， 煤柱由两面采空 进入三面采空状态，应力集中程度进一步升高。处 于屈服状态的煤柱， 虽然自身有一定残余支撑能力， 但在强支承压力作用下可能会发生煤柱的整体性失 稳破坏。因此， 为防治煤柱发生 “蠕-突变” 失稳型冲 击地压， 回采期间应加强煤柱冲击危险监测， 并采取 195 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 大直径钻孔预卸压解危措施。 参考文献 ［1］ 朱广安， 窦林名， 刘阳， 等．深埋复杂不规则孤岛工作 面冲击矿压机制研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （4） 630－635． ［2］ 赵国栋， 康立军．孤岛煤柱综放面矿压显现特征浅析 ［J］ ．西安科技学院学报， 2000， 20 （增刊 2） 39－42． ［3］ 张炜， 张东升， 陈建本， 等．孤岛工作面窄煤柱沿空掘 巷围岩变形控制 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2014， 43 （1） 36－42， 55． ［4］ 杨光宇， 姜福兴， 王存文．大采深厚表土复杂空间结构 孤岛工作面冲击地压防治技术研究 ［J］ ．岩土工程学 报， 2014， 36 （1） 189－194． ［5］ 卢文斌， 杨永杰， 郝以瑞．深部孤岛工作面沿空掘巷小 煤柱留设及巷道支护设计 ［J］ ．煤矿安全， 2015， 46 （5） 208－211． ［6］ 王爱文， 潘一山， 李忠华．深部孤岛工作面区段煤柱冲 击地压的试验研究 ［J］ ．安全与环境学报， 2017， 17 （3） 907－911． ［7］ 王方田， 屠世浩， 李召鑫， 等．浅埋煤层房式开采遗留 煤柱突变失稳机理研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2012， 29 （6） 770－775． ［8］ 赵维生， 梁维， 金志远， 等．遗留煤柱下伏近距煤层巷 道布置及围岩稳定性 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （7） 40. ［9］ 杨伟利， 姜福兴， 温经林， 等．遗留煤柱诱发冲击地压 机理及其防治技术研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2014， 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2013， 45 （9） 1－3． 作者简介 吕晓波 （1987） ， 男， 辽宁朝阳人， 助理研究 员， 主要从事矿井安全研究工作。 （收稿日期 2019-03-01； 责任编辑 朱蕾） （上接第 191 页） 196 ChaoXing