太平煤礦煤層開采覆巖壓分布與裂隙帶預測

魏克敏，雍章弟，文澤康

太平煤礦煤層開采覆巖壓分布與裂隙帶預測

魏克敏1，雍章弟2，文澤康1

（1.攀枝花煤業（集團）公司地測處，四川 攀枝花617066；2.攀枝花市國土資源局，四川 攀枝花617000）

運用求解非線性大變形問題有限差分法(FLAC)，對攀枝花寶鼎礦區太平煤礦第二水平1#、3#和5#急傾斜多煤層開采采場圍巖壓分布、裂隙帶特征進行了究研。結果表明：①在進行三個煤層回采工作過程中，采空區附近的圍巖應力不斷變化；②保護煤柱附近的煤層回采時，在煤柱附近會形成應力集中區域，當回采工作繼續向下進行時，采空區又對保護煤柱產生類似于“解放”的效果，煤柱附近的應力集中現象得到緩解；③在煤層回采完后，上部保護煤柱發生塑性破壞，形成了導水通道。

太平煤礦；覆巖壓力；裂隙帶；攀枝花

由于傾角的影響，采場圍巖的變形、破壞形式不同于緩傾斜煤層[3-5]。急傾斜煤層開采將引起覆巖的移動、變形和非連續破壞，對礦井安全生產帶來了嚴重影響。國內外學者在急傾斜煤層開采方面作了一定的工作。高明中（2004）[6]針對新集三礦急傾斜煤層開采復雜的采礦地質條件，運用實驗室相似模型試驗方法，對西三采區煤層開采引起的巖體移動和地表沉陷的基本規律進行了研究，總結出了新集三礦急傾斜煤層開采重復采動所引起的厚沖積層巖體移動基本特征和地表沉陷的相關參數。王金安（2008）[7]采用分形幾何學對離散元計算得出的急傾斜煤層開采覆巖裂隙發育進行了分析。張春華（2010）[8]針對煤巖介質材料力學性質的非均勻性特點及變形破裂過程中透氣性的非線性變化特性，應用基于含瓦斯煤巖破裂過程固-氣耦合動力學模型開發的RFPA2D-Flow軟件，系統模擬了石門對掘揭開急傾斜煤層煤與瓦斯突出動力災害演化過程，從細觀的角度分析了突出過程中的應力演變、裂隙發展和瓦斯運移規律。溫彥良（2011）[9]以長溝峪礦15槽煤層為例，用RFPA2D軟件模擬了急傾斜煤層頂板隨工作面推進的垮落過程。研究結果表明，工作面頂板巖體支承壓力隨頂板冒落范圍增大而降低；急傾斜煤層頂板垮落過程中，存在初次來壓和周期來壓現象，但周期來壓期間礦壓顯現不明顯。同時，隨采深加大，煤層底板開始出現相應破壞，但破壞深度較小。伍永平（2012）[10]針對急傾斜煤層巷道圍巖在開挖支護后所表現的非對稱變形破壞現象，采用工程地質調查，數值模擬、理論分析等手段，分析了急傾斜煤層巷道的變形破壞具有非對稱性，呈現"頂板下滑，底板鼓起"的相互錯動變形特征，導致支護結構承受圍巖的載荷也具有明顯的非對稱性。并提出了"錨網索非對稱耦合支護技術"，通過非對稱布置且相互間工作性能耦合的錨網索支護方式來控制巷道的穩定性，達到對圍巖變形破壞有效控制的目的。徐宏偉（2012）[11]基于龍湖煤礦南二采區急傾斜煤層的水文工程地質條件，采用離散元數值計算，分析了急傾斜煤層開采防水煤柱尺寸及充填開采對防水煤柱支承壓力的影響。

攀煤集團寶鼎礦區太平煤礦礦井設計生產能力為75萬噸/年，2006年礦井生產能力核定為81萬噸/年，最高達92．88萬噸/年(1982年)。太平煤礦采用平硐+斜井多水平開拓。第二水平(+1 100m～+900m水平)，主井為斜井，副斜井為暗斜井開拓，分南北兩翼開采，各有4個采區，南一、北一采區已開采完畢；南二、南三、北三、北四采區正開采，南四采區正在進行開拓準備。煤層傾角：南翼采區一般在40°～75°，北翼采區一般在25°～45°之間，局部地段達50°～65°左右。作為研究對象的太平煤礦第二水平的1#、3#和5#煤層，煤層平均傾角為67°，屬于急傾斜煤層范疇，且上部可能存在老空水，對煤層的安全開采影響非常大。

煤層覆巖破壞區域的確定目前有多種方法，可以通過現場實測獲得，也可以通過經驗公式來預計，還可以通過數值模擬來獲得。由于煤層采場條件的復雜多變，由經驗公式得到的覆巖破壞區域往往與實際情況有較大的出入，甚至公式不再適用。現場實測則可以獲得特定地質條件下的真實資料，結果定量、直觀，準確度高；但其工程量大，工期長，耗資多。而通過數值模擬的方法，使用符合實際的模擬參數，對類似地質條件下的煤層開采覆巖破壞區域進行模擬預測[12-13]，則可得到較為準確可靠的模擬資料，同時也可以節省費用。因此本文通過FLAC有限差分數值軟件，對其開采過程中采場圍巖礦壓分布規律與裂隙帶發育特征進行數值模擬研究，從而預測采場覆巖破壞區域，判定采場突水可能。研究成果對現場類似條件下煤層的安全高效開采具有重要指導意義。

表1　巖層力學參數

1　計算模型與計算參數

1.1模型建立

一般情況下，煤層回采方面的問題，可簡化為平面應變問題(ετ=0)。為了詳細分析煤層回采過程對頂底板圍巖的影響規律，根據采礦工程問題特點，將圍巖視為分層各向同性彈性介質，建立相應的數值力學分析模型。為了研究采動影響下的圍巖穩定性，分析采動應力場的大小及規律，建立了相應的力學分析模型，該模型左右兩邊與底邊均為法向約束，在模型頂端布置法向的均布載荷作用來模擬上覆巖層。

1.2模型邊界條件

計算模型邊界條件如下：

位移邊界條件：模型的左右及下部邊界為位移邊界，左右邊界限制X方向的位移；下部邊界限制Y方向的位移。在計算模型的上施加豎向均布載荷來模擬計算區域上部巖層的重量。

1.3物理力學參數

莫爾-庫侖屈服準則所揭示的巖石力學特性己被眾多的巖石力學試驗所證實，由于其參數較少且較容易獲得，在工程中得到了廣泛的應用。本次數值模擬選取莫爾一庫侖塑性模型。模型中將巷道圍巖視為服從莫爾庫侖準則，圍巖物理力學性質參照試驗開采區域實際巖體力學特性和巖體力學參數確定，見表1。

1.4模擬步驟

由于煤層上方存在原始老空區，故在煤層開采之前首先計算形成老空區后的初始應力場，然后在逐步開采煤層。數值計算采用如下技術路線依次進行：

1）在煤層開挖前進行老空區應力場的平衡；

2）待應力場形成后，進行煤層的依次回采，計算剖面模型的回采順序如圖1所示；

圖1　模型中各煤層的回采順序圖

圖2　上部形成老空區后的垂直應力分布圖

2　計算結果與分析

2.1初始應力場的計算結果

由于該區受構造應力場影響較弱，煤層開挖前的模擬區原始地應力場可取為巖體自重應力場。由于煤層上方存在老空區，且時間較長，應力已經平衡。故形成老空區后的地應力場計算結果如圖2所示。

2.2計算結果分析

在計算保護煤層上部形成老空區后的應力分布基礎上，按照預先設計的開挖方案逐步進行煤層回采。1#、3#和5#煤層在分步開挖過程中得到了計算區域關于垂直方向位移、垂直應力分布等結果，計算結果詳見圖3～圖7所示。

圖3　第一次回采后垂直應力分布圖

圖4　第二次回采后垂直應力分布圖

圖5　第九次回采后垂直應力分布圖

圖6　第九次回采后垂直位移分布圖

從圖3～圖7分析可知：

1）計算中，在得到形成上部采空后的應力分布規律之后，進行三個煤層的回采工作，采空區附近的圍巖在煤層的不斷回采過程中，其應力是不斷變化著的。

圖7　第九次回采后保護煤柱垂直應力分布

圖8　第九次回采后塑形區域分布圖

2）從應力的結果來看，當形成上部采空區后，在隔離煤柱附近形成了一定范圍的應力集中區域，在3#煤層進行第一次回采以后，應力集中區域的范圍得到了擴大，由于1#與3#煤層間距較小，因此，這兩個煤層的保護煤柱附近的應力集中區域相互被貫通，在第四、五及六次煤層回采過程中，1#和3#煤層保護煤柱的應力集中區域及應力集中系數在回采的過程中逐漸減小，當1#和3#煤層的回采工作結束，進行了第七次煤層的煤層，即5#煤層的回采時，保護煤柱附近的應力突然增大，而當繼續進行5#煤層的回采（第八次和第九次回采）時，保護煤柱附近的應力又開始逐漸的減小。由煤層回采過程中的應力變化規律可以看出，當進行保護煤柱附近的煤層回采時，在煤柱附近會形成較大范圍的應力集中區域，而當回采工作繼續向下進行時，采空區又對保護煤柱產生類似于“解放”的效果，煤柱附近的應力集中現象得到緩解。

3）從煤層回采過程中保護煤柱的垂直應力分布圖以及保護煤柱垂直應力分布情況來看，在前四次煤層的回采中，1#、3#及5#煤層保護煤柱的最大垂直應力大約為8MPa、10MPa和9.5MPa，在進行第五及第六次煤層回采后，1#煤層保護煤柱的最大垂直應力逐漸減小至7.5MPa，而3#煤層保護煤柱的最大垂直應力逐漸增大至12MPa，5#煤層保護煤柱最大垂直應力基本保持不變，之后進行了5#煤層的三次回采，在5#煤層回采過后，1#煤層保護煤柱的最大垂直應力逐漸增大至9MPa，3#煤層保護煤柱的最大垂直應力逐漸增大至13.5MPa，而5#煤層保護煤柱的最大垂直應力逐漸增大至16.8MPa。

2.3導水裂隙帶高度分析

從煤層回采過程中塑性區的分布范圍來看，從上部采空區回采過后，各煤層就開始進入塑性狀態，由于最終計算結果仍能保持收斂，因此，煤柱并為發生破壞，從第九次煤層回采所得到的塑性區分布圖，可以看出，盡管保護煤柱發生了塑性變形，但是當年采空區的頂板基本保持了穩定，頂板圍巖能有效的保護當前采空區不受上部采空區及老空水的影響，從而不至于誘發突水事故。

彈塑性分析：以塑性破壞區范圍判定最大導水裂隙帶高度。開采最終的塑性區分布見圖8所示。從煤層回采過程中塑性區的分布范圍來看，在煤層第九次回采后，上部保護煤柱發生了塑性變形。根據彈塑性分析理論可知，保護煤柱已經發生了破壞，形成了導水裂隙帶，上部老空水極易形成透水事故。因此，應采取適當安全防護措施，以防止煤層上部老空水透水。

2.4討論

由于采掘工作面上部存在老空水，存在突水災害發生的可能性，因此，必須把握“有疑必探，先探后掘”的基本原則，充分探明上部老空區積水情況。采用探放水方法，查明采區前方的水情，并將水有控制地放出，以保證采掘工作面生產的安全。同時，在本次煤層回采過程中頂板未采取任何支護措施，也未留保護煤柱，因此計算結果相對保守，建議在煤層開采過程中采取相應支護措施，并布設保護煤柱，以控制煤層上部煤柱的完整性，防止上部老空水發生透水事故。

3　結論

1）在進行三個煤層回采工作過程中，采空區附近的圍巖應力不斷變化。由于1#與3#煤層間距較小，在地三步開挖時，這兩個煤層的保護煤柱附近的應力集中區域相互貫通。

2）由煤層回采過程中的水平應力變化規律可以看出，當進行保護煤柱附近的煤層回采時，在煤柱附近會形成較大范圍的應力集中區域，而當回采工作繼續向下進行時，采空區又對保護煤柱產生類似于“解放”的效果，煤柱附近的應力集中現象得到緩解。

3）根據彈塑性分析理論可知，在煤層第九次回采后，上部保護煤柱已經發生了塑性破壞，形成了導水通道，上部老空水極易發生透水事故。建議采用支護和預留保護煤柱，以保證煤層上部原保護煤柱的完好性，防止煤層上部老空水透水。

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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，四川資陽人，教授級高級工程師，主要從事煤礦地質研究