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淺埋深近距離煤層上行安全開采技術研究

文檔作者：何團1.2 薛吉勝1.2 文檔來源：１天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部２煤炭科學研究總院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月19日
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開采技術與裝備淺埋深近距離煤層上行安全開采技術研究
何　團１，２，薛吉勝１，２
（１天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京１０００１３；２煤炭科學研究總院北京開采研究院，北京１０００１３）
［摘　要］　丁家梁煤礦進行Ⅲ－２號煤長壁開采，其埋藏深度５０ｍ，下部３５ｍ位置處為Ⅳ－２號
煤房柱式采空區(qū)，結合其具體開采技術條件，分析Ⅲ－２號煤為淺埋深、近距離煤層房柱式采空區(qū)復
雜組合地質條件下上行開采。針對這一特殊地質條件下上行開采技術進行研究，理論計算靜載條件下
采空區(qū)煤柱載荷、煤柱強度，運用ＦＬＡＣ數(shù)值模擬軟件研究煤柱在上行開采動力擾動作用下失穩(wěn)破壞
機理，運用ＵＤＥＣ數(shù)值模擬軟件研究采動影響下煤柱穩(wěn)定性及層間巖層承載變形特性。結果表明：高
初始應力條件下，動力擾動易導致煤柱失穩(wěn)；在采動影響下，煤柱變形可控，并未發(fā)生壓裂式破壞，
最終進入穩(wěn)定流變變形階段，房柱式采空區(qū)煤柱不會出現(xiàn)大面積失穩(wěn)或壓垮現(xiàn)象；層間巖層能夠穩(wěn)定
承載，且層間巖層同步穩(wěn)定下沉，不可能發(fā)生“整體切落”。針對上行開采風險因素，提出砌筑封堵
礦井颶風災害的密閉墻、加強地質保障工作、縮短Ⅳ－２號煤長壁工作面長度的針對性措施，確保了
上行安全開采。
［關鍵詞］　淺埋深；近距離；上行開采；煤柱穩(wěn)定性；層間巖層
［中圖分類號］ＴＤ８２３４１?。畚墨I標識碼］Ａ　［文章編號］１００６６２２５（２０１６）０１００２８０５
ＡｓｃｅｎｄｉｎｇＳａｆｅｔｙＭｉｎｉｎｇｉｎＣｏｎｔｉｇｕｏｕｓＣｏａｌＳｅａｍ ｗｉｔｈＳｈａｌｌｏｗＥｍｂｅｄｄｅｄＤｅｐｔｈ
ＨＥＴｕａｎ１，２，ＸＵＥＪｉｓｈｅｎｇ１，２
（１ＣｏａｌＭｉｎｉｎｇ＆ＤｅｓｉｇｎｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＴｉａｎｄｉＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３，Ｃｈｉｎａ；
２ＢｅｉｊｉｎｇＭｉｎｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤｉｎｇｊｉａｌｉａｎｇｃｏａｌｍｉｎｅｗａｓｕｓｉｎｇｌｏｎｇｗａｌｌｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎⅢ２ｃｏａｌｓｅａｍａｔｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙａｂｏｕｔ５０ｍ，ｔｈｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｌｏｗｅｒａｂｏｕｔ３５ｍｗａｓｔｈｅｒｏｏｍａｎｄｐｉｌｌａｒｇｏａｆｏｆⅣ２ｃｏａｌｓｅａｍＢａｓｅｏｎｍｉｎｉｎｇｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆⅢ２ｃｏａｌ
ｓｅａｍｗａｓｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄａｓａｓｃｅｎｄｉｎｇｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｓｈａｌｌｏｗｄｅｐｔｈａｎｄｒｏｏｍａｎｄｐｉｌｌａｒｇｏａｆｉｎｃｏｎｔｉｇｕｏｕｓｃｏａｌｓｅａｍＴｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅａｓ
ｃｅｎｄｉｎｇｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｎｄｅｒｓｐｅｃｉａｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｇｏａｆｃｏａｌｐｉｌｌａｒｌｏａｄｉｎｇｕｎｄｅｒｓｔａｔｉｃｌｏａｄｉｎｇａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，
ｄｅｔａｉｌｅｄＦＬＡＣｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｏａｌｐｉｌｌａｒ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｕｃｅｄｂｙａｓｃｅｎｄｉｎｇ
ｍｉｎｉｎｇｗａｙ，ａｎｄｄｅｔａｉｌｅｄＵＤＥＣｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｐｉｌｌａｒｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｌｏａｄｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｉｎｔｅｒ
ｌａｙｅｒｓｔｒａｔａｓｔｒａｔｕｍＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｃｏａｌｐｉｌｌａｒｗｏｕｌｄｂｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｓｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｉｎｈｉｇｈｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅｄｅ
ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｐｉｌｌａｒｕｎｄｅｒｍｉｎｉｎｇｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｏｕｌｄｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｅａｓｉｌｙ，ｗｉｔｈｏｕｔｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｄａｍａｇｅｐｈｅｎｏｍｅｎａ，ｓｔａｂｌｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｅ
ｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｈａｓｅｗｏｕｌｄａｐｐｅａｒｅｄａｔｔｈｅｅｎｄ，ｗｉｔｈｏｕｔｌａｒｇｅａｒｅａｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｌｌａｐｓｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎａｒｏｕｎｄｇｏａｆｕｎｄｅｒｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆ
ｒｏｏｍａｎｄｐｉｌｌａｒ，ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓｔｒａｔａｗａｓｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，‘ｗｈｏｌｅｃｕｔｔｉｎｇ’ｗｏｕｌｄｎｏｔｈａｐｐｅｎＴｏｔｈｅｒｉｓｋｏｆａｓ
ｃｅｎｄｉｎｇｍｉｎｉｎｇ，ｓｏｍｅｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｄｍａｓｏｎｒｙｅｎｃｌｏｓｅａｉｒｓｔｏｐｐｉｎｇ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄ
ｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｌｏｎｇｗａｌｌｆａｃｅｉｎⅣ２ｃｏａｌｓｅａｍ，ａｌｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｅｎｓｕｒｅｄａｓｃｅｎｄｉｎｇｍｉｎｉｎｇｓａｆｅｔｙ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｌｌｏｗｅｍｂｅｄｄｅｄｄｅｐｔｈ；ｃｏｎｔｉｇｕｏｕｓ；ａｓｃｅｎｄｉｎｇｍｉｎｉｎｇ；ｃｏａｌｐｉｌｌａｒｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓｔｒａｔａｓｔｒａｔｕｍ
［收稿日期］２０１５－０６－０４ ［ＤＯＩ］１０１３５３２／ｊｃｎｋｉｃｎ１１－３６７７／ｔｄ２０１６０１００７
［基金項目］ 國家科技支撐計劃資助項目（５１３０４１１８）；天地科技股份有限公司“公司研發(fā)”項目（ＫＪ－２０１３－ＴＤＫＣ－０３１）
［作者簡介］ 何　團（１９８７－），男，河北保定人，在讀博士研究生，主要從事礦山壓力及巖層控制方面的研究。
［引用格式］ 何　團，薛吉勝淺埋深近距離煤層上行安全開采技術研究［Ｊ］．煤礦開采，２０１６，２１（１）：２８－３２
　　上行開采過程中，開采煤層底板巖（煤） 層
也會產(chǎn)生一定的卸壓變形和破壞，導致采場圍巖中
發(fā)生應力重新分布，形成采場圍巖的高應力和低應
力區(qū)［１－３］。這些區(qū)域不僅在該開采煤層內(nèi)形成，而
且按一定規(guī)律向上、下巖（煤） 層中傳遞和擴散，
以致衰減。這均依賴于下層煤層頂板垮落的特性以
及兩層煤層的間距及其間的巖性。當兩層煤層層間
距達到一定厚度，同時其間巖性的強度滿足一定的
條件時，下層煤層開采后可能對上層煤層的開采影
響不大［４－８］。但上行開采時可能產(chǎn)生其他不利的礦
壓顯現(xiàn)，如：工作面底板出現(xiàn)臺階下沉；工作面進
出采空區(qū)時礦山壓力的變化較大；工作面的礦山壓
力顯現(xiàn)異于常規(guī)下行式工作面等［９－１１］。
尤其丁家梁煤礦Ⅲ－２號煤層在房柱式采空區(qū)
上方進行開采，下部Ⅳ－２號煤層開采后采空區(qū)殘
留的諸多煤柱支撐上部煤層的底板，煤柱的穩(wěn)定性
２８
第２１卷第１期（總第１２８期）
２０１６年２月
煤　礦　開　采
ＣＯＡＬＭＩＮＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ２１Ｎｏ１（ＳｅｒｉｅｓＮｏ１２８）
Ｆｅｂｒｕａｒｙ?。玻埃保?
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對上部煤層工作面的正常回采起著至關重要的作
用，面臨的未知因素更多：煤柱有可能“多米諾”
大面積垮落，造成颶風災害；上下采空區(qū)采動裂縫
帶貫通，有害氣體涌出造成窒息事故；下煤層采空
區(qū)頂板沿上煤層工作面煤壁整體切落，對上方工作
面造成沖擊；雖然在開采過程中煤柱處于暫時穩(wěn)定
狀態(tài)，然而隨著時間的流逝，煤柱強度的流變，在
某時刻煤柱會發(fā)生突然垮塌，致使頂板也大面積垮
落；Ⅲ－２號煤埋藏淺、基巖薄，可能發(fā)生頂板整
體切落，造成地表突然塌陷，對下部Ⅳ－２號煤房
柱式采空區(qū)煤柱形成沖擊載荷。
１　礦井概況
Ⅲ－２號煤　煤層平均厚度３ｍ，傾角０～３°，
埋深約５０ｍ，屬于典型的淺埋深煤層，布置長壁式
工作面。直接頂為泥巖，厚度６～１３ｍ，平均９ｍ；
基本頂以砂質泥巖為主，厚度１５～３０ｍ，平均
２４ｍ；基本頂上覆為松散黃土層，厚度９～１９ｍ，
平均１５ｍ。
Ⅳ－２號煤　煤層厚度２３４～３１６ｍ，平均
２７５ｍ，傾角１～３°。Ⅳ －２號煤上距Ⅲ －２號煤
３４１８～３８０６ｍ，平均３５ｍ。直接頂為泥巖，厚度
３～５ｍ，平均４２ｍ；基本頂為細砂巖，厚度１５～
２０ｍ，平均１７ｍ，厚而堅硬。
Ⅳ－２號煤采用房柱式采煤法，目前已采空，
房柱寬度都為６ｍ，煤柱理論尺寸為長×寬×高＝
６ｍ×６ｍ×３ｍ。
２　房柱式開采后煤柱受力狀況
２１　煤柱承載力的計算
在房柱式開采過程中，當部分煤體開挖出去以
后，遺留下來的煤柱要承擔未開挖前上覆巖層總體
的載荷，以達到新的力學平衡狀態(tài)。
由于煤柱內(nèi)應力分布比較復雜，在一般工程設
計中只需考慮煤柱所受的平均應力，下面利用從屬
面積法求解煤柱所受應力大小，采面的幾何要素如
圖１所示。
總荷載計算公式為
Ｐ總＝（ａ＋ｃ）（ａ＋ｂ）×ｒＨ （１）
平均應力計算公式為
σ＝ Ｐ總
（ｂ－２Ｘ０）×（ｃ－２Ｘ０）
（２）
將式（１）代入式（２），得
σ＝ （ａ＋ｃ）（ａ＋ｂ）
（ｂ－２Ｘ０）×（ｃ－２Ｘ０）ｒＨ （３）
圖１　從屬面積法的幾何要素
式中，ａ為煤房的寬度，?。叮?；ｂ為煤柱的長度，
?。叮恚唬銥槊褐膶挾?，取６ｍ；Ｘ０為塑性破裂區(qū)
寬度，?。蔼保担恚唬驗閹r層的密度，取２０ｔ／ｍ３；Ｈ
為開采深度，?。福担怼?
Ⅳ－２號煤在采用“采６留６”房式開采方法，
開采深度為８５ｍ的條件下，遺留煤柱上的平均應
力為σ＝９７９ＭＰａ，而煤柱上的載荷為Ｐ總＝２４８×
１０５ｋＮ。
２２　煤柱強度的計算
Ｏｂｅｒｔ，Ｄｕｖａｌｌ于１９４６和１９４７年通過實驗室研
究，提出了煤柱強度計算式（４）。
σＰ ＝［σｃ］·［０７７８＋０２２２ｃ／ｈ］ （４）
式中，σＰ為煤柱強度，ＭＰａ；［σｃ］ 為煤樣單軸抗
壓強度，ＭＰａ；ｈ為煤柱的高度，ｍ。
丁家梁煤礦Ⅳ －２號煤層單軸抗壓強度為
２４２ＭＰａ，煤柱理論尺寸為：長×寬×高＝６ｍ×６ｍ×
３ｍ。由于現(xiàn)場煤柱凸凹不平，煤柱表面剝離比較
嚴重，現(xiàn)場實際考慮煤柱尺寸為：長×寬×高＝５ｍ×
５ｍ×３ｍ，根據(jù)Ｏｂｅｒｔ－Ｄｕｖａｌｌ公式，煤柱強度計算如
下：
σＰ ＝２４２×[０７７８＋０２２２×５／３] ＝２７７８（ＭＰａ）
在Ⅲ－２號煤層開采前，經(jīng)計算，遺留煤柱上的
平均應力為：σ＝９７９ＭＰａ。而按照上述理論公式計
算的煤柱強度大于該值。該結果表明，如果不考慮
Ⅲ－２號煤層開采動載荷的影響，只考慮Ⅳ－２號煤
層房柱式采空區(qū)煤柱承受靜載荷作用的情況，煤柱
能夠保持自身穩(wěn)定，不會出現(xiàn)大面積垮落現(xiàn)象。
３　動載下煤柱失穩(wěn)破壞機理研究
煤房開挖后，煤柱承受頂板的靜壓力，設初始靜
壓力為Ｐ靜。隨著Ⅲ－２號煤長壁工作面的推進，將
在前方一定范圍內(nèi)煤柱上產(chǎn)生動載Ｐ動，煤柱開始處
于一維動靜組合受載狀態(tài)。根據(jù)Ⅳ－２號煤物理力
２９
何　團等：淺埋深近距離煤層上行安全開采技術研究２０１６年第１期
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學參數(shù)，運用ＦＬＡＣ數(shù)值模擬軟件將煤柱簡化為頂、
底部兩端固定的等截面柱體進行研究，建立數(shù)值計
算模型。
為了分析動力擾動對承受不同高應力煤柱的影
響，煤柱靜載Ｐ靜分別取５ＭＰａ，１０ＭＰａ和１５ＭＰａ計
算。為了分析動載峰值對承受高應力煤柱穩(wěn)定性的
影響，在計算中Ｐｍａｘ 分別取１０ＭＰａ，１５ＭＰａ和
２０ＭＰａ。
圖２～圖４分別給出了靜載Ｐ靜＝５ＭＰａ，
１０ＭＰａ和１５ＭＰａ時不同動力擾動峰值下煤柱中心
剖面塑性區(qū)分布隨擾動應力變化情況。
圖２中，煤柱承受靜載Ｐ靜＝５ＭＰａ，當擾動應
圖２　靜載Ｐ靜＝５ＭＰａ時不同動力擾動峰值下煤柱中心剖面塑性區(qū)分布
圖３　靜載Ｐ靜＝１０ＭＰａ時不同動力擾動峰值下煤柱中心剖面塑性區(qū)分布
圖４　靜載Ｐ靜＝１５ＭＰａ時不同動力擾動峰值下煤柱中心剖面塑性區(qū)分布
力峰值從１０ＭＰａ向２０ＭＰａ增大時，煤柱中心各監(jiān)
測單元在應力波作用下都表現(xiàn)為明顯的彈性狀態(tài)，
說明這種情況下煤柱沒有發(fā)生破壞，煤柱絕大部分
都沒有進入到塑性屈服狀態(tài)，只有煤柱頂部極少部
分單元在受力過程中發(fā)生了拉伸破壞。
圖３中，煤柱承受靜載Ｐ靜＝１０ＭＰａ，動載作
用后，當Ｐｍａｘ＝１０ＭＰａ，１５ＭＰａ時，煤柱只有頂部
少數(shù)單元曾發(fā)生拉伸或剪切破壞；當Ｐｍａｘ＝２０ＭＰａ
時，煤柱中已有６０％以上單元曾在受載過程中發(fā)
生拉伸或剪切破壞（以壓剪破壞為主），說明承受
較高靜載應力的煤柱在高動力擾動幅值作用下，煤
柱會進入塑性破壞階段，但如果動力擾動幅值較小
則煤柱不會受到明顯的塑性破壞。
圖４中，煤柱承受靜載Ｐ靜＝１５ＭＰａ，無論Ｐｍａｘ
取１０ＭＰａ，１５ＭＰａ還是取２０ＭＰａ，煤柱剖面的塑
性區(qū)分布圖顯示煤柱已大部分進入塑性屈服狀態(tài)，
說明煤柱在承受高靜載應力時，動力擾動使煤柱更
快進入塑性破壞階段（主要為壓剪破壞，局部出
現(xiàn)了拉伸破壞）。由此可見，在煤柱承受初始靜載
很大時，煤柱即使是在較小的擾動應力峰值作用
下，都會導致煤柱發(fā)生塑性破壞，而且擾動應力峰
值增加時，煤柱的應力并不再隨之增加，而是進入
到塑性狀態(tài)，發(fā)生應變軟化現(xiàn)象。
綜合以上分析，得到在不同動力擾動峰值下煤
柱狀態(tài)，見表１。
表１　不同擾動峰值下煤柱狀態(tài)
擾動峰值／ＭＰａ 靜載／ＭＰａ
５ １０ １５
１０ 煤柱穩(wěn)定煤柱穩(wěn)定煤柱部分破壞
１５ 煤柱穩(wěn)定煤柱穩(wěn)定煤柱破壞
２０ 煤柱穩(wěn)定煤柱破壞煤柱破壞
３０
總第１２８期煤　礦　開　采２０１６年第１期
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４　采動影響下煤柱穩(wěn)定性及層間巖層承載變形特
性研究
４１?。眨模牛脭?shù)值模型建立及測線布置方案
運用ＵＤＥＣ數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值計算模
型，模擬Ⅲ－２號煤長壁工作面推進過程，分別在
采空區(qū)煤柱及Ⅲ－２號煤與Ⅳ－２號煤層間巖層中布
置測線（模型建立及測線布置見圖５，其中Ａ，Ｂ，
Ｃ測點分別代表煤柱頂部、煤柱中心、煤柱底部），
監(jiān)測采動過程中測線上垂直位移及垂直應力變化，
分析采動影響下采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性及層間巖層承載
變形特性。模型選用莫爾－庫侖本構模型，煤、巖
層的物理力學參數(shù)選取見表２。
圖５　數(shù)值模型及測線布置
表２　煤層頂?shù)装迩闆r及物理力學參數(shù)
巖層厚度／ｍ 抗拉強
度／ＭＰａ 彈性模
量／ＧＰａ 體積力／
（ｋＮ·ｍ－３）
黃土１５０ １７６ ０３０ ７２５
粉砂質泥巖２４０ １９４ ２５２ ２１０１
泥巖９０ ０６８ １１７ １８００
Ⅲ－２號煤３０ １７６ ０１８ ７２５
泥巖３０ ０６８ １１７ １８００
粉砂巖１３ ２６５ １００３ ２４３６
泥巖２６ ０６８ １１７ １８００
粉砂質泥巖７６ １９４ ２５２ ２１０１
細砂巖１７０ ２２１ ２１３ ２２４１
粉砂質泥巖４２ １９４ ２５２ ２１０１
Ⅳ－２號煤３０ １７６ ０１８ ７２５
粉砂質泥巖２００ １９４ ２５２ ２１０１
４２　煤柱穩(wěn)定性研究
圖６為長壁工作面推進過程中煤柱垂直應力變
化曲線圖。從圖中可以看出，工作面超前支承壓力
在煤柱的影響范圍為超前工作面３０ｍ至滯后工作
面１０ｍ范圍內(nèi)。煤柱中心位置受采動影響最大，
垂直應力峰值達到１２５ＭＰａ，靜壓為７ＭＰａ左右，
根據(jù)表１不同擾動峰值下煤柱狀態(tài)表，得到在上方
長壁工作面動載影響下，煤柱能夠保持穩(wěn)定。
４３　層間巖層承載變形特性研究
圖７為長壁工作面推進過程中煤柱及層間巖層
垂直位移變化曲線，圖中分別記錄了煤柱中心和煤
圖６　采動過程中垂直應力變化曲線
圖７　采動過程中煤柱及層間巖層垂直位移變化曲線
柱上方７ｍ，１７ｍ，２３ｍ，３０ｍ處垂直位移變化情
況。
從圖７中可以看出，隨工作面推進，不同高度
位置處，位移變化趨勢基本一致，層間巖層并未出
現(xiàn)明顯離層，層間巖層基本同步下沉，最大下沉量
達到６９０ｍｍ，煤柱壓縮量較大，達到７００ｍｍ左右，
但仍能夠有效承載。
垂直位移變化基本可以分為３個階段：采動下
沉時期（超前工作面煤壁４０ｍ），垂直位移持續(xù)穩(wěn)
定上升，達到５２０ｍｍ；采動影響穩(wěn)定時期（滯后
工作面３０ｍ），垂直位移基本穩(wěn)定，并未出現(xiàn)明顯
變化；采動后頂板彎曲下沉時期（滯后工作面
３０～８０ｍ），層間巖層進一步彎曲下沉，并最終趨
于穩(wěn)定，最大下沉量達到６９０ｍｍ，煤柱壓縮量達
到７００ｍｍ左右，煤柱處于穩(wěn)定流變變形階段。
圖８為長壁工作面推進過程垂直應力在層間巖
層垂向影響范圍曲線圖。從圖中可以看出，隨工作
面推進，在層間巖層不同垂深位置處，超前支承壓
力影響范圍基本可以分為３個區(qū)域：層間下部采動
影響區(qū)（煤柱上方０～８ｍ范圍），煤柱上方５ｍ左
右處，出現(xiàn)垂直應力峰值，說明采動影響壓力在煤
柱上方產(chǎn)生一定程度應力集中，影響范圍為８ｍ；
層間中部存在厚而堅硬的細砂巖，應力狀態(tài)良好，
存在中部穩(wěn)定承載區(qū)（煤柱上方１０～２５ｍ范圍），
層間并未發(fā)生貫通式破壞。層間上部采動影響區(qū)
（煤柱上方２５～３６ｍ范圍），出現(xiàn)垂直應力峰值，
采動應力造成Ⅲ－２號煤底板（３４～３ｍ）處在應力
３１
何　團等：淺埋深近距離煤層上行安全開采技術研究２０１６年第１期
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降低區(qū)，說明采動影響導致Ⅲ－２號煤底板范圍內(nèi)
一定程度破壞，破壞深度達到３ｍ。
圖８　采動過程中層間巖層影響范圍
５　結論及措施
根據(jù)上述研究，可得出如下結論：煤柱的初始
應力越高，在動載擾動作用下越容易失穩(wěn)；在采動
影響下，煤柱變形可控，并未發(fā)生壓裂式破壞，最
終進入穩(wěn)定流變變形階段，房柱式采空區(qū)煤柱不會
出現(xiàn)大面積失穩(wěn)或壓垮現(xiàn)象；層間巖層能夠穩(wěn)定承
載，且層間巖層同步穩(wěn)定下沉，不可能發(fā)生“整
體切落”。
根據(jù)以上研究成果，結合上行開采風險因素，
在上行開采過程中，采取以下針對性措施，成功實
現(xiàn)了上行安全開采：Ⅲ－２號煤長壁工作面開采時，
完全封閉Ⅳ－２號煤采空區(qū)，在Ⅳ－２號煤采空區(qū)的
出口位置，砌筑封堵礦井颶風災害的密閉墻；加強
地質保障工作，在Ⅲ－２號煤層工作面推進過程中，
對工作面底板和前方煤體進行鉆孔探測，實時掌握
工作面和下部采空區(qū)之間的基巖厚度，保障工作面
的順利推進，避免工作面和采空區(qū)貫通，導致透水
或窒息事故發(fā)生；為防止Ⅲ－２號煤頂板整體切落
及減小采動擾動程度，縮短Ⅳ－２號煤長壁工作面
的長度，控制在１００ｍ以內(nèi)。
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（上接６２頁）
（３）現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，不對稱支護對于
綜放沿空掘巷適應性良好，礦壓顯現(xiàn)各項指標均得
到降低，控制效果良好。
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［責任編輯：王興庫］
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總第１２８期煤　礦　開　采２０１６年第１期

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