立井揭穿突出煤層安全巖柱最小厚度的確定

李 耀，陳 思，石必明，穆朝民

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽淮南232001;2.淮南礦業(yè) (集團)有限責任公司朱集礦，安徽淮南232001)

煤與瓦斯突出 (簡稱突出)是煤礦井下采掘過程中發(fā)生的一種極其復雜的動力現(xiàn)象。我國是世界上瓦斯突出最嚴重的國家，部分地區(qū)大部分礦井都具有突出危險性［1－3］。立井揭穿突出煤層具有較大的突出危險性，曾多次發(fā)生煤與瓦斯突出事故，對現(xiàn)場作業(yè)人員構(gòu)成極大的威脅［4］。

隨著煤礦開采深度的增加，立井揭穿突出煤層的危險性日趨增大。工程實踐認為立井煤與瓦斯突出危險區(qū)域是應力峰值前方的原始煤體，采掘產(chǎn)生的應力集中是誘發(fā)煤與瓦斯突出的動力，井壁至四周應力集中峰值處的無突出危險煤巖體構(gòu)成的安全區(qū)是煤與瓦斯突出發(fā)生的阻力。煤與瓦斯突出發(fā)生與否與井筒四周安全區(qū)的厚度有直接的關(guān)系，安全區(qū)的厚度決定了煤巖體中儲存的彈性變形能和瓦斯內(nèi)能能否得到釋放，突出最終能否形成［5］。大量研究［4－10］已提出許多立井揭穿突出煤層防突措施，但對立井揭穿突出煤層安全區(qū)的厚度研究較少。

1 潘三礦深部進風井概況

潘三礦深部進風井位于淮南市潘集區(qū)境內(nèi)，井筒凈直徑8.6m，最大開挖直徑10m，井筒凈深度1004.2m，在垂深 －798.05m時穿過 11－2煤層。11－2煤平均煤厚為1.64m，煤層傾角3～5°，煤層原始瓦斯壓力為 1.22MPa，原始瓦斯含量為6.23m3/t，為煤與瓦斯突出煤層。

2 數(shù)值模型的建立

本文采用comsol multiphysics數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值計算，針對實際情況結(jié)合研究的重點，本文使用Mohr Coulomb準則模擬煤巖體力學變形及預留巖柱的破壞計算。

數(shù)值模型以該礦深部進風井井筒揭煤工程實際條件為基礎，將煤層作為水平層處理，假設開挖的動態(tài)過程對最終應力分布沒有影響。假設層狀巖體是彈塑性材料，各層為均質(zhì)連續(xù)體。不考慮構(gòu)造應力、溫度應力的影響?？紤]到立井結(jié)構(gòu)特點和計算精度的要求以及巖體的局部開挖僅對一定的區(qū)域有明顯的影響［5］，建立長為100m，高為64m的二維平面模型，井筒開挖直徑為10m。上邊界加載上覆巖層的重量，左右兩側(cè)邊界加載水平應力。數(shù)值計算模型如圖1所示。計算模型采取的煤巖層的物理參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值計算模型

表1 煤層和圍巖的物理參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

針對立井開挖工作面至距煤層頂板垂距 (即預留安全巖柱厚度)為5m，3m，2m，1.5m的情況進行數(shù)值計算。井筒掘至不同巖柱厚度時煤層頂板垂直應力分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 煤層頂板垂直應力分布規(guī)律

由圖2可知，立井工作面接近煤層時，在其前(下)方應力分布分為3個區(qū)，即完全卸壓區(qū)、部分卸壓區(qū)和未卸壓區(qū)［5］。在工作面前 (下)方是“漏斗”形采動卸壓區(qū)，中心為最大卸壓區(qū)。煤巖體的卸壓程度隨著遠離井筒中心線而降低。工作面越接近煤層，煤層中一定范圍內(nèi)的卸壓程度越大。在井筒四周存在應力集中區(qū)，應力集中區(qū)的存在是因為立井開挖過程中，此處煤巖體的原始三向應力平衡狀態(tài)變成二向荷載，應力發(fā)生重新分布。工作面越接近煤層，應力集中區(qū)的影響范圍和峰值越大。

立井掘進至不同預留安全巖柱厚度時煤巖體塑性應變云圖如圖3所示。

圖3 塑性應變

由圖3可知，當立井掘進至距煤層5m，3m時巖柱僅發(fā)生小范圍的破壞，預留巖柱的厚度足以抵抗開挖引起的變形。當立井掘進至距煤層2m時，巖柱在應力的作用下，發(fā)生了部分破壞，但破壞并未深入到煤層內(nèi)部，結(jié)合圖2分析可知，此時工作面前 (下)方安全巖柱和煤層均處于應力卸壓區(qū)，預留的2m巖柱仍足以抵抗開挖引起的變形。但當立井掘進至距煤層1.5m時，從圖3(d)可看出，破壞深入煤體內(nèi)部，在煤層內(nèi)的貫穿長度約為11.4m，是井筒直徑的1.14倍。雖然此時工作面前 (下)方安全巖柱和煤層也均處于應力卸壓區(qū)，但是工作面前 (下)方煤體已經(jīng)發(fā)生大范圍破壞，且“漏斗”形采動卸壓區(qū)外側(cè)煤體應力值已明顯高于預留巖柱厚度為2m時同區(qū)域內(nèi)煤體的應力，說明在1.5m的預留巖柱條件下，巖柱已不足以抵抗開挖引起的變形。

當最小安全巖柱厚度為2m時，改變井筒直徑，模型其他條件不變，不同井筒開挖直徑條件下掘至安全巖柱厚度為2m時煤層頂板垂直應力分布規(guī)律如圖4所示，不同井筒開挖直徑條件下掘至安全巖柱厚度為2m時立井工作面附近煤巖體塑性應變云圖如圖5示。分析圖4、圖5可知，當預留安全巖柱厚度為2m時，隨著井筒直徑的增加，應力集中區(qū)峰值也增大，安全巖柱被破壞的程度也隨著增加。當井筒直徑為6m，安全巖柱厚度為2m時，巖柱僅發(fā)生局部小范圍的破壞。當井筒直徑為12m，安全巖柱厚度為2m時，破壞深入煤體內(nèi)部，在煤層內(nèi)的貫穿長度約為8.2m，是井筒直徑的0.683倍，此時2m的預留安全巖柱厚度已不能保證安全，而在相同條件下，井筒直徑為10m，2m的安全巖柱厚度可以滿足要求。

圖4 掘進至巖柱厚度為2m時煤層頂板垂直應力分布規(guī)律

4 現(xiàn)場試驗驗證

根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合礦井實際情況和進度安排，在井筒開挖直徑為10m條件下，根據(jù)最小預留巖柱厚度為2m進行揭煤方案設計。深部進風井采取分步揭煤、分步到位的揭煤方法，分別以井筒垂直距離待揭煤層20m，10m，7m，5m，2m為不同分步進行揭煤施工。井筒距待揭煤層頂板最小法距5m前，對所采取的區(qū)域防突措施進行效果檢驗，待揭煤層進行區(qū)域驗證為無突出危險工作面，允許井筒施工至距待揭煤層頂板最小法距2m前。在井筒距待揭煤層頂板最小法距2～5m期間，采取超前探眼準確控制安全巖柱厚度，嚴格確保安全巖柱不小于2m。最終，順利揭開該煤與瓦斯突出煤層。

圖5 安全巖柱為2m時不同直徑下等效塑性應變

5 結(jié)論

(1)通過對預留巖柱厚度進行數(shù)值模擬計算，得出了不同厚度的預留巖柱的破壞情況，在井筒直徑不變的條件下，工作面越接近煤層即所預留安全巖柱厚度越小，預留安全巖柱被破壞程度越大，在井筒直徑為10m，安全巖柱厚度為1.5m時，巖柱被破壞并且破壞已深入煤層內(nèi)，在煤層內(nèi)貫穿長度達到了井筒直徑的1.14倍。

(2)隨著井筒開挖直徑的增大，所需預留安全巖柱厚度越大，在井筒直徑為10m，2m厚度的預留安全巖柱即可，而在井筒直徑為12m，2m厚度的預留安全巖柱被破壞，并且破壞已深入煤層內(nèi)，在煤層內(nèi)貫穿長度達到了井筒直徑的0.683倍。

(3)在井筒開挖直徑為10m的條件下確定的2m厚度的預留巖柱為對實際揭煤設計提供了依據(jù)，經(jīng)實際井筒揭煤驗證該厚度完全可行。實際應用表明運用數(shù)值模擬計算的方法計算立井揭煤預留巖柱厚度是一種較好的可行方法。

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