多煤層開采合理煤柱尺寸留設研究

董春亮，趙光明，趙華安(安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

多煤層開采合理煤柱尺寸留設研究

董春亮，趙光明，趙華安
(安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

針對潘三礦多煤層回采受F24大型逆斷層影響，利用FLAC3D研究11煤和13煤留設不同尺寸斷層煤柱情況下，采場應力和塑性區演化規律，從而提出合理的斷層煤柱留設尺寸。研究發現，隨著11煤回采留設煤柱的減小，應力集中逐漸向斷層上盤轉移，而13煤回采受11煤回采的影響，煤柱的減小使采空區左側應力集中區域逐漸增大；同時，斷層附近塑性區范圍逐漸增大并最終與采場塑性區導通，為防止突水事故，確定煤柱留設尺寸分別為40m、60m；現場工程驗證該留設尺寸是合理的。

斷層煤柱；應力場；塑性區；數值模擬

礦井生產過程中，斷層是影響煤炭開采的重要地質因素，在采動影響下易發生斷層突水。對于斷層突水，許多專家學者進行了大量研究[1-5]。吳基文等[6]研究發現:當煤柱減小到一定數值后將造成斷層上、下盤巖體發生相對位移，引發斷層導水。彭蘇平等[7]研究發現斷層突水容易在下列情況中出現：一是存在切割底板隔水巖層的導水斷層；二是斷層帶存在水壓影響的擴展效應，水壓破壞向上擴展而與采動破壞相溝通，引發底板突水。對于斷層煤柱的留設，以往的研究都是工作面向斷層方向推進，對于沿著斷層方向推進的工作面，研究甚少。

在前人研究基礎上，利用FLAC3D軟件研究在留設不同尺寸的斷層煤柱的情況下，采場圍巖應力和塑性區演化規律。為臨近斷層工作面布置合理留設斷層煤柱提供科學依據。

1 工程背景

圖1所示為F24斷層和煤層賦存情況，開采煤層位于斷層下盤。由于13煤瓦斯含量比較高，先開采11煤作為保護層開采，然后開采13煤。工作面走向長壁布置，位于斷層下盤，沿煤層走向推進，即沿斷層走向推進，全部垮落法處理采空區。11煤工作面長200m，采高2m；13煤工作面長200m，采高4m。煤層傾角2～10°，平均傾角5°，為近水平煤層。F24斷層傾角40～60°，落差40～60m。對煤層回采產生影響的主要含水層是第四系松散砂層孔隙含水層，該含水層直接覆蓋煤系地層之上，水量豐富，并且和F24大型逆斷層溝通。由于工作面臨近該斷層開采，易發生斷層突水事故。

2 模型建立

根據工程背景，建立如圖2數值模型，模型長600m，寬400m，高315m。各巖層按照礦井鉆孔柱狀圖確定，力學參數按照礦井實際資料確定。巖層屬性參數見表1，斷層的模擬通過在上下盤間添加接觸面實現，主要參數為法向剛度0.2GN/m，剪切剛度0.5GN/m，摩擦角20°，內聚力0.5MPa。模型中x方向和z方向為水平方向，y方向為垂直方向。工作面沿z方向推進。模型共157680個網格，169002個節點。

圖1 工程背景圖

圖2 數值模型

表1 巖層屬性參數

邊界條件：模型四周為滾動支撐，即限定水平位移；底面固支，限定x，y，z三個方向位移。頂面為自由面，施加10MPa垂直壓力模擬上覆巖層的自重載荷。

計算：先采用elastic本構模型計算平衡后，將模型的速度和位移清零，得到初始應力場，然后采用mohr-coulomb本構進行開挖模擬。先開挖11煤，11煤回采完畢后再開挖13煤。為消除邊界影響，開挖從z=75開始。工作面長度保持不變，分別模擬留設不同煤柱情況下應力和塑性區演化規律。

3 11煤回采煤柱留設

圖3為11煤回采留設不同尺寸煤柱垂直應力云圖。從圖3中可以看出，煤層回采后采空區應力得到釋放，形成低應力區，上覆巖層重量轉移到未開采的煤體上，在煤柱形成應力集中。隨著煤柱尺寸的減小，工作面逐漸向斷層靠近，靠近斷層一側煤柱的應力集中區域逐漸減小。同時，斷層上盤垂直應力逐漸增大。也就是說，減小煤柱尺寸的過程中，應力集中逐漸向斷層上盤轉移。

對于布置在斷層下盤的工作面，由斷層引發的突水主要來自于頂板。當開采引起的頂板破壞帶與斷層導通時，就會引發突水事故。留設合理斷層煤柱問題就是尋找一個臨界煤柱尺寸，該煤柱是頂板破壞帶與斷層帶導通的臨界值。圖4為11煤回采留設不同煤柱的情況下圍巖塑性區圖。

從圖4中可以看出，當留設40m及以上煤柱時，塑性區沒有與斷層導通，并且留設40m煤柱時，斷層附近開始出現新生塑性區，有和采場圍巖塑性區導通的趨勢；當留設30m煤柱時，圍巖塑性區范圍增大，并與斷層導通。說明留設30m煤柱時，頂板破壞帶與斷層導通，導水通道形成。因此，在此工況下，為防止發生斷層突水事故，11煤回采煤柱尺寸應為40m。

4 13煤回采煤柱留設

以上分析確定11煤開采留設40m斷層煤柱，根據先開采11煤保護層后開采13煤的順序，13煤斷層煤柱的留設的模擬應在11煤留設40m煤柱回采完畢后，分別對13煤留設不同煤柱回采進行模擬分析。圖5所示為13煤回采留設不同煤柱情況下垂直應力云圖。

從圖5中可以看出，在下方11煤已經回采完畢的情況下，13煤回采受11煤回采產生的卸壓區和斷層的雙重影響。采空區右側應力集中程度明顯高于左側。隨著煤柱尺寸減小，工作面逐漸向斷層靠近，采空區右側應力集中區域逐漸縮小，采空區左側應力集中區域逐漸增大。

圖6所示為13煤回采留設不同尺寸煤柱情況下，圍巖塑性區圖。從圖6中可以看出，隨著煤柱尺寸減小，工作面逐漸向斷層靠近，斷層附近新生成塑性區，該塑性區范圍逐漸擴大最終和采場圍巖塑性區導通。如圖6(b)所示，當留設70m煤柱時，斷層附近開始出現塑性區，如圖6(c)所示；當留設60m煤柱時，斷層附近塑性區范圍擴大，有和采場塑性區導通趨勢；如圖6(d)所示，當留設50m煤柱時，斷層附近塑性區進一步擴展，最終和采場塑性區導通，導水通道形成。

由以上分析結果確定兩煤層開采斷層防水煤柱尺寸是：11煤留設40m煤柱，13煤留設60m煤柱。

5 工程驗證

在11煤工作面1642(1) 巷內分別布置表面位移觀測站和深部位移觀測站，如圖7、圖8所示。在工作面煤壁前方100m每隔5m布置一個表面位移觀測站，共布置5個觀測站。每個測站采用“十”字法測量巷道表面位移。深部位移觀測站，每隔10m布置一個，共3個觀測站，對巷道深部巖層位移觀測采用KDW-1機械式多點位移計，分別安裝在巷道頂板和左幫，測量最大深度8m。隨著工作面的推進，對每個測站實時進行測量。

圖3 各煤柱下垂直應力圖

圖4 各煤柱下塑性區分布圖

圖5 各煤柱下垂直應力圖

圖9、圖10顯示，本次數值模擬結果和現場實測的巷道位移結果一致。本次數值模擬確定的合理煤柱尺寸是40m，潘三礦1642(1)臨近F24大型逆斷層工作面開采留設了最小40m煤柱，現在工作面已收作，沒有發生突水事故，完成安全高效生產的任務。說明了本次數值模擬的可靠性。

圖6 各煤柱下塑性區分布圖

圖7 巷道表面位移觀測布置

圖8 巷道深部位移觀測布置

圖9 巷道表面位移

圖10 巷道頂板深部位移

6 結 論

1)對于布置在斷層下盤的工作面，隨著煤柱尺寸的減小，斷層上盤應力集中愈發明顯，靠近斷層一側煤柱的應力集中逐漸向斷層上盤轉移。

2)隨著煤柱尺寸減小，斷層附近新產生塑性區并逐步擴展，最終和采場塑性區導通。逐步減小斷層煤柱尺寸，會導致斷層的導水區域增大，當留設的煤柱尺寸小于一定值后，斷層水通過采空區頂板進入工作面，發生突水事故。

3)對于沿斷層走向推進工作面的斷層煤柱留設，提出一種斷層煤柱留設方法，并最終確定留設煤柱的合理尺寸。

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Study on rational pillar of multi seam mining

DONG Chun-liang，ZHAO Guang-ming，ZHAO Hua-an

(The Key Lab of Safe and High-Efficiency Mining of Ministry of Education，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

According to the effect of F24large reverse fault on multi seams mining in Pansan mine，the evolution of stress and plastic zone at the different size of preserving fault pillar in 11 coal seam and 13 coal seam were studied by using FLAC3D，and then the rational size of safe coal pillar was put forward.With the decrease of 11 coal pillar，it was found that stress concentration transfer to the hanging wall of the fault，and the stress concentration zone at left goaf increases gradually because of the influence of 11 coal seam mining to 13 coal seam mining.At the same time，the plastic zone near fault gradually increases and is connected with the stope at last.To prevent water inrush，the pillar of 40 meter and 60 meter are determined respectively.It is proved that the sizes of pillar are rational on field engineering.

fault pillar；stress field；plastic zone；numerical simulation

2014-12-27

國家自然科學基金項目資助(編號： 51404011)；安徽省學術和技術帶頭人科研活動項目資助(編號：DG073)；高等學校博士學科點專項科研基金項目資助(編號：20133415110006； 20123415130001)

董春亮(1975-)，女，河北秦皇島人，講師，博士研究生，主要從事礦山巖石力學等方面的研究。E-mail:dongchunliang@163.com。

TD324

A

1004-4051(2015)12-0094-05