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淺埋深近距離煤層上行安全開采技術(shù)研究

文檔作者：何團(tuán)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(shè)計事業(yè)部２煤炭科學(xué)研究總院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月19日
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開采技術(shù)與裝備淺埋深近距離煤層上行安全開采技術(shù)研究
何　團(tuán)１，２，薛吉勝１，２
（１天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京１０００１３；２煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究院，北京１０００１３）
［摘　要］　丁家梁煤礦進(jìn)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(jié)合其具體開采技術(shù)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(fù)
雜組合地質(zhì)條件下上行開采。針對這一特殊地質(zhì)條件下上行開采技術(shù)進(jìn)行研究，理論計算靜載條件下
采空區(qū)煤柱載荷、煤柱強(qiáng)度，運(yùn)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(jī)理，運(yùn)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(jié)果表明：高
初始應(yīng)力條件下，動力擾動易導(dǎo)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(jìn)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(fēng)險因素，提出砌筑封堵
礦井颶風(fēng)災(zāi)害的密閉墻、加強(qiáng)地質(zhì)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(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼］Ａ?。畚恼戮幪枺荩保埃埃丢玻叮玻玻担ǎ玻埃保叮埃豹玻埃埃玻釜玻埃?
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
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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(tuán)（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(tuán)，薛吉勝淺埋深近距離煤層上行安全開采技術(shù)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(dǎo)致采場圍巖中
發(fā)生應(yīng)力重新分布，形成采場圍巖的高應(yīng)力和低應(yīng)
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(kuò)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(dāng)兩層煤層層間
距達(dá)到一定厚度，同時其間巖性的強(qiáng)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(jìn)
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(jìn)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?
學(xué)兔兔 www.xuetutu.com
對上部煤層工作面的正?；夭善鹬陵P(guān)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(fēng)災(zāi)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(qiáng)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(zhì)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(xì)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(dāng)部分煤體開挖出去以
后，遺留下來的煤柱要承擔(dān)未開挖前上覆巖層總體
的載荷，以達(dá)到新的力學(xué)平衡狀態(tài)。
由于煤柱內(nèi)應(yīng)力分布比較復(fù)雜，在一般工程設(shè)
計中只需考慮煤柱所受的平均應(yīng)力，下面利用從屬
面積法求解煤柱所受應(yīng)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(yīng)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?；ｃ為煤柱的寬度，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，取８５ｍ。
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(yīng)
力為σ＝９７９ＭＰａ，而煤柱上的載荷為Ｐ總＝２４８×
１０５ｋＮ。
２２　煤柱強(qiáng)度的計算
Ｏｂｅｒｔ，Ｄｕｖａｌｌ于１９４６和１９４７年通過實(shí)驗室研
究，提出了煤柱強(qiáng)度計算式（４）。
σＰ ＝［σｃ］·［０７７８＋０２２２ｃ／ｈ］ （４）
式中，σＰ為煤柱強(qiáng)度，ＭＰａ；［σｃ］ 為煤樣單軸抗
壓強(qiáng)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(qiáng)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(yán)重，現(xiàn)場實(shí)際考慮煤柱尺寸為：長×寬×高＝５ｍ×
５ｍ×３ｍ，根據(jù)Ｏｂｅｒｔ－Ｄｕｖａｌｌ公式，煤柱強(qiáng)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(yīng)力為：σ＝９７９ＭＰａ。而按照上述理論公式計
算的煤柱強(qiáng)度大于該值。該結(jié)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(jī)理研究
煤房開挖后，煤柱承受頂板的靜壓力，設(shè)初始靜
壓力為Ｐ靜。隨著Ⅲ－２號煤長壁工作面的推進(jìn)，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(tuán)等：淺埋深近距離煤層上行安全開采技術(shù)研究２０１６年第１期
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學(xué)參數(shù)，運(yùn)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(jìn)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(yīng)力煤柱的影
響，煤柱靜載Ｐ靜分別?。担停校幔保埃停校岷停保担停校嵊?
算。為了分析動載峰值對承受高應(yīng)力煤柱穩(wěn)定性的
影響，在計算中Ｐｍａｘ 分別?。保埃停校?，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(yīng)力變化情況。
圖２中，煤柱承受靜載Ｐ靜＝５ＭＰａ，當(dāng)擾動應(yīng)
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(yīng)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(yīng)力的煤柱在高動力擾動幅值作用下，煤
柱會進(jìn)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
?。保埃停校幔保担停校徇€是?。玻埃停校幔褐拭娴乃?
性區(qū)分布圖顯示煤柱已大部分進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，
說明煤柱在承受高靜載應(yīng)力時，動力擾動使煤柱更
快進(jìn)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(yīng)力峰值作用
下，都會導(dǎo)致煤柱發(fā)生塑性破壞，而且擾動應(yīng)力峰
值增加時，煤柱的應(yīng)力并不再隨之增加，而是進(jìn)入
到塑性狀態(tài)，發(fā)生應(yīng)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　ＵＤＥＣ數(shù)值模型建立及測線布置方案
運(yùn)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(jìn)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(diǎn)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(yīng)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(gòu)模型，煤、巖
層的物理力學(xué)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(xué)參數(shù)
巖層厚度／ｍ 抗拉強(qiáng)
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(zhì)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(zhì)泥巖７６ １９４ ２５２ ２１０１
細(xì)砂巖１７０ ２２１ ２１３ ２２４１
粉砂質(zhì)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(zhì)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(jìn)過程中煤柱垂直應(yīng)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(yīng)力峰值達(dá)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(jìn)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(yīng)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(jìn)，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(dá)到６９０ｍｍ，煤柱壓縮量較大，達(dá)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?xí)r期（超前工作面煤壁４０ｍ），垂直位移持續(xù)穩(wěn)
定上升，達(dá)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?xí)r期（滯后工作面
３０～８０ｍ），層間巖層進(jìn)一步彎曲下沉，并最終趨
于穩(wěn)定，最大下沉量達(dá)到６９０ｍｍ，煤柱壓縮量達(dá)
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(jìn)過程垂直應(yīng)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(jìn)，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(yīng)力峰值，說明采動影響壓力在煤
柱上方產(chǎn)生一定程度應(yīng)力集中，影響范圍為８ｍ；
層間中部存在厚而堅硬的細(xì)砂巖，應(yīng)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(yīng)力峰值，
采動應(yīng)力造成Ⅲ－２號煤底板（３４～３ｍ）處在應(yīng)力
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何　團(tuán)等：淺埋深近距離煤層上行安全開采技術(shù)研究２０１６年第１期
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降低區(qū)，說明采動影響導(dǎo)致Ⅲ－２號煤底板范圍內(nèi)
一定程度破壞，破壞深度達(dá)到３ｍ。
圖８　采動過程中層間巖層影響范圍
５　結(jié)論及措施
根據(jù)上述研究，可得出如下結(jié)論：煤柱的初始
應(yīng)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(jìn)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(jié)合上行開采風(fēng)險因素，
在上行開采過程中，采取以下針對性措施，成功實(shí)
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(fēng)災(zāi)害的密閉墻；加強(qiáng)
地質(zhì)保障工作，在Ⅲ－２號煤層工作面推進(jìn)過程中，
對工作面底板和前方煤體進(jìn)行鉆孔探測，實(shí)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(jìn)，避免工作面和采空區(qū)貫通，導(dǎo)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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檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿
（上接６２頁）
（３）現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，不對稱支護(hù)對于
綜放沿空掘巷適應(yīng)性良好，礦壓顯現(xiàn)各項指標(biāo)均得
到降低，控制效果良好。
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［責(zé)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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