充填开采控制巨厚岩浆岩下动力灾害的研究

山西能源学院学报

Journal of Shanxi Institute of Energy

Jun.,2018 Vol.31 No.3

•煤电技术研究-

充填开采控制巨厚岩浆岩下动力灾害的研究

景鹏

(同煤集团王村煤业有限责任公司，山西大同

037003)

【摘要】煤层工作面大面积的迁移会导致上覆硬厚岩浆岩易产生岩爆、煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害，

致使地表发生大幅度明显沉降。通过研究发现，当工作面上覆岩浆岩初次断裂时使得回采工作面支承压力迅速增

大，工作面最大支承压力达到45.97MPa，其上部岩层也相继发生同步破坏，地表下沉速度增快，最大下沉量达到了 1.42m，这也是诱发采场发生冲击地压灾害现象的主要原因。当采用充填法开采工作面时，发现回采工作面支承压力 缓慢均匀增加，工作面最大支承压力为25.88MPa，地表下沉量为0.0444m。说明采用充填开采巨厚岩浆岩时能够有 限减小工作面支承压力和控制地表下沉量，起到降低工作面发生冲击地压事故概率。

【关键词】岩浆岩；数值模拟；充填开采;动力灾害【中图分类号】TD823.7

【文献标识码】A

【文章编号】2096-4102(2018)03-0015-03

目前，国内很多矿区上覆岩层都存在着坚硬巨 厚的岩浆岩，如果煤层开采后顶板没有及时垮落， 同时硬厚岩浆岩有着较大悬空面积时，在采场周围 将产生较高的围岩应力，随着煤层工作面继续开 采，一旦巨厚岩浆岩悬顶面积达到极限时失稳垮 落，将可能产生很多较为严重的动力现象灾害，例 如工作面冲击地压，煤与瓦斯突出等灾害现象。我 国很多学者对岩浆岩防治措施上做了大量研究，但 大多数都是基于开挖过程中加强对围岩的动态监 测进行预防，或是采取留设煤柱宽度的方法控制围 岩稳定，由于岩浆岩较高的应力，一般需留设较宽 的煤柱，因此造成大量煤炭资源损失。上述文献都 缺乏对巨厚岩浆岩围岩灾害控制技术和手段。本文 通过数值模拟以及现场规律研究发现，采用充填开 采的方法能够有效控制上覆巨厚坚硬顶板移动从 而减小了其能量释放，同时为其他相类似工作面充 填开采动力灾害防治提供一些宝贵经验。

2数值模型建立

本文采用UDEC离散单元二维模型建模，模型 尺寸为1000mx292.3m。在构建数值模型时，将岩性 相似或厚度较小的地层合并成一层，因此本模型共

划分为22层。模型岩石的力学参数如表1所示。在 模拟过程中，为了便于区分效果，本文采用了两种 模式进行对比研究。模型1主要采用放顶煤法开 采，模型2主要采用充填法开采，充填体均采用双 屈服本构模型。为了防止模型受边界条件影响不易 于观察应力效果，本模型两端均设置100m的边界 煤柱。首先，设置模型开挖10m时，其中模型1设置 为自然塌陷，模型2设置为边采边充填。

3数值计算结果及分析

3.1工作面超前支承压力变化特征

(1)垮落法开采工作面超前支承压力变化特征垮落法开采时支承压力分布如图1所示。

1地质概况

杨柳煤矿10414工作面煤层构造单一，黑色， 条带呈褐色和灰色玻璃光泽。煤体内生裂隙发育、 为半亮型煤。煤层厚度为1.5〜3.9m，平均厚度为 3.01m，煤层倾角为2°〜11°，平均5°。10#煤层工作 面上有一层厚度约36m以上的岩浆岩。

图1

垮落法开采工作面支承压力变化曲线

收稿日期:2018-01-23

作者简介:景鹏(1991—)，男，山西阳高人，同煤集团王村煤业有限责任公司。

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景鹏:充填开采控制巨厚岩浆岩下动力灾害的研究

表1模型岩性及力学参数

密度

体积模 剪切模 内聚 抗拉强 内摩擦

岩性(kg.m-3)量/GPa量/GPa力 /MPa度 /MPa角 /(°)泥岩23608.07.62.30.535岩浆岩30007547108.545

粉砂岩253013.44.23.03.5333泥岩23608.07.62.30.535粉砂岩253013.44.23.03.5333泥岩23608.07.62.30.535中砂岩270019.413.22.27.4635细砂岩250020.015.22.55.93378-2煤135010.56.51.00.935粉砂岩253013.44.23.03.5333泥岩23608.07.62.30.535中砂岩270019.413.22.27.4635泥岩23608.07.62.30.535粉砂岩253013.44.23.03.5333泥岩23608.07.62.30.535粉砂岩253013.44.23.03.5333泥岩26408.07.62.30.535砂质泥岩26408.07.62.30.535泥岩23608.07.62.30.53510煤135010.56.51.00.935粉砂岩253013.44.23.0

3.5333

充填体

1000

4.5e7

6e7

0.2

如图1所示，当回采工作面推进至180m时，发 现超前应力峰值为33.18MPa且应力集中系数为 2.1。随着回采工作面继续推进过程中，不难发现工 作面超前应力随工作面推进不断增大。当回采工作 面推进至200m时，工作面超前应力峰值为 36.52MPa。当回采工作面推进至210m时，工作面超 前应力峰值达到最大值为45.97MPa，应力集中系数 为3.06。当回采工作面继续推进至220m、30m时， 工作面超前应力峰值逐渐减小，此时，工作面超前 应力为34.21MPa、31.72MPa，应力集中系数分别为 2.28、2.11。因此，不难发现当回采工作面推进至 210m时，工作面上覆坚硬岩浆岩悬顶距达到极限， 因此使得工作面超前应力也达到最大值。随着回采 工作面的不断推进，悬露的岩浆岩顶板发生破断， 减小了工作面煤层上覆载荷，因此在220m、30m 工作面超前应力发生减小。与此同时，由于岩浆岩 的破断将伴随着大量能量的释放，进而对周围煤层16

产生了剧烈扰动现象，从而最终诱发工作面冲击地压灾害事故的发生。

(2)充填法开采工作面超前支承压力变化规律 充填法开采时支承压力分布如图2所示。

Mw/fly解m

批

180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320

推进步距

/m

图2充填后工作面支承压力变化曲线

如图2所示，随着回采工作面的不断推进，工作 面煤层开后，立即将充填物充满整个采空区最终个 形成充填体。这样形成的充填体与围岩形成了比采 空区更为稳定的结构。当回采工作面继续推进时，由 于这些充填物充入采空区，使得充填体对采空区上 覆岩层起到了一定的支撑作用，因此，工作面超前 支承压力峰值并没有像图1模型那样出现明显增 大或减小的规律。当回采工作面推进至180m、190m、 200m、210m、220m、230m时，工作面超前支承压力峰 值分别为 23.59MPa、25.75MPa、23.19MPa、25.88MPa、 23.73MPa、24.56MPa，应力集中系数为 1.57、1.72、 1.54、1.73、1.57、1.64。

3.2地表下沉变化规律

(1)垮落法开采地表下沉变化规律 垮落法开采地表下沉曲线如图3所示n nn■02040一工倾紐 180I

m

60一工作面推进19080

m一工作面推进200卜-100

m-120—工作面推进210m40一工作面推进220

m

60

图3垮落法开采地表下沉曲线图

如图3所示，当回采工作面推进至180m时，地 表下沉量为0.39m。随着回采工作面的不断推进，地 表下沉量表现为逐渐增加趋势。当工作面推进至 190m、200m、210m时，地表下沉量分别为0.47m、 0.52m、0.58m。在工作面推进长度为210m时，地表 下沉量达到最大值，且最大下沉量为0.58m。因此， 不难发现当工作面在推至210m之前过程中，地表 下沉趋势表现较为缓慢，说明该工作面上覆坚硬厚 岩浆岩可以承担起上覆岩层自重，因此地表下沉量 没有表现出明显变化。当回采工作面推进到210m〜

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220m的过程时，地表下沉量明显增大，此时可证明 煤层上覆坚硬厚岩浆岩不能够承担起上方岩层自 重，因此岩浆岩发生断裂失稳，使得坚硬岩浆岩上 覆岩层将失去支撑应力，地表则发生明显下沉。

(2)充填法开采地表下沉变化规律

充填法开采地表下沉曲线如图4所示。

图4

充填开采地表下沉曲线图

如图4所示，当回采工作面推进至180m时，此 时地表下沉量为0.0235m。地表下沉量随着回采工 作面的不断推进逐渐增加，其中当工作面推进至 220m时，地表下沉量达到最大值为0.0444m。当采 用充填式开采方法时，充填物体随工作面随采随充 可以对上覆岩层起到支撑力作用，由于支撑应力的 作用使得采空区上部岩层仅仅形成裂隙带和弯曲 下沉带，不足以使得关键层岩浆岩发生破断，因此 地表未发生大幅度下沉。通过对比图3、图4可知， 充填法对于垮落法开采巨厚坚硬顶板煤层时，能够 有效地控制围岩应力，减小地表下沉量以及冲击地 压发生概率。有利于回采工作面安全作业。

3.3充填法开采对动力灾害的控制作用

采用垮落法开采煤层时，坚硬岩浆岩与下部岩 层之间分离较大，一旦分离距离达到极限时容易造 成岩浆岩发生破断和失稳。岩浆岩在破断过程中会 对采场形成强烈的冲击应力，使得工作面超前应力 急剧增大，极易诱发冲击地压发生。同时，坚硬岩浆 岩破断释放出的大量弹性势能以应力波的形式在 各个岩层之间传递，增加了矿震的概率。当采用充

填式方法开采煤层巨厚坚硬顶板煤层时，由于充填 物体及时填充到采空区，使得采空区充填物体对上 覆岩层起到支撑应力作用，能够有效地控制围岩强 度，防止坚硬岩浆岩发生破断，从而进一步减少地 表下沉量，避免了冲击地压现象发生，有利回采工 作面安全作业。

4结论

采用垮落法开采巨厚坚硬顶板煤层时，回采工 作面推进至210m时岩浆岩将发生破断，此时破断 时工作面支撑压力峰值达到了 45.97MPa，与此同时 岩浆岩的破断使得煤体内积聚了大量的弹性势能， 随着工作面继续推进一旦受扰动影响下将会给采

场带来严重的冲击地压等动力灾害现象，其次地表 下沉速度及下沉量也明显增加。当采用充填法开采 巨厚坚硬顶板煤层时，回采工作面推进至210m时 超前应力峰值相比降低了 20.09MPa，事实证明充填 法开采对降低围岩应力具有显著效果，可以有效避 免采场冲击地压、地表下沉等动力灾害发生，同时 为以后其他相类似矿井开米提供了 一'定参考依据。

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