水体下急倾斜煤层充填开采覆岩稳定性及合理防水煤柱研究
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摘要
急倾斜煤层开采上覆岩层破坏和裂隙向上扩展，以及留设的防水煤(岩)柱在水体压力和矿山压力作用下产生塑性破坏和发生抽冒，均是水体下急倾斜煤层开采存在安全隐患的影响因素。充填开采是水体下煤炭资源安全回采的有效措施，因此，研究水体下急倾斜煤层充填开采突水防治的关键技术，对于我国急倾斜煤层的安全高效开采具有重要的现实意义和理论价值。
采用离散元数值计算和相似材料模拟试验研究表明，当急倾斜煤层上覆岩层无关键层和覆岩结构组合为隔水-结构关键层时，覆岩导水裂隙均呈“耳型”分布；当上覆岩层存在结构关键层和覆岩结构组合为结构-隔水关键层时，导水裂隙以平行于岩层层面的离层裂隙为主，坚硬顶板的初次破断对急倾斜煤层导水裂隙发育演化有较大影响。同时，急倾斜煤层充填开采能有效降低采场顶底板围岩向采空区自由面运动的趋势，并随充填空间和充填体强度的增大，覆岩裂隙分布范围呈减小趋势。
根据急倾斜煤层充填开采顶板岩梁的受力状态，建立了急倾斜煤层充填开采力学模型，分析得出急倾斜煤层充填开采可以有效降低顶板岩层的弯曲变形挠度，防止顶板岩梁产生受拉破坏、剪切破断和切向滑移整体破坏，减小防水煤柱的应力集中程度和抽冒范围，以及降低急倾斜煤层开采底板岩层的卸载区、支承压力区范围和底板岩层移动，进而提出水体下急倾斜煤层充填开采采场围岩控制机理。
依据防水煤柱的边界条件和受力特征，考虑原岩水平应力对急倾斜煤层开采的影响，确定了水体下急倾斜煤层防水煤柱尺寸的计算方法。采用流固耦合数值分析表明，随着急倾斜煤层采厚的增大、煤体强度的降低以及覆岩存在结构关键层和顶板岩梁的破断旋转，均导致防水煤柱的抽冒范围增大。同时，切向应力集中形成沿防水煤柱底板层面的剪切滑移裂隙，是上覆水体沿防水煤柱进入工作面作业空间的主要充水通道。此外，急倾斜煤层矸石充填并注浆胶结形成“矸石充填胶结区+防水煤柱”的复合防水隔离带，可以有效阻止大范围开采条件下矿井透水事故的发生。
基于龙煤集团七台河分公司龙湖煤矿急倾斜煤层的赋存和水文地质条件，现场研究了适合水体下急倾斜煤层开采的采煤方法，设计了急倾斜煤层采空区矸石自溜充填并注浆胶结充填体的顶板控制技术，确保了上部边界赋水条件下急倾斜煤层的安全回采，取得了显著的社会效益和经济效益。
本文关于水体下急倾斜煤层充填开采的研究成果，为我国水体下急倾斜煤层充填开采奠定了理论基础，提供了安全可靠的保障，丰富了充填开采理论。
The overlying strata are liable to damage and water flowing fractures develop upwardwhen steep seam is mined. Meanwhile, waterproof coal (rock) pillar will fall and produceplastic zone under the water head pressure and ground pressure. Thus, there is safety miningincipient fault under water body in steep seam. Backfilling mining is efficient measure tomine coal resource under the water body. Therefore, the key technology research that waterinrush prevention and control for backfilling mining is of prominent theoretical and practicalmeaning for safety and efficient mining under the water body in steep seam.
The dispersed element numerical calculation as well as similar simulation experimentwas applied to study the influence of structure key stratum, resisting key stratum and theirstructure combination of overlying strata on breakage characteristic of overlying strata andwater flowing fracture evolution in steep seam. The results show that while there is not keystratum in overlying strata and structure combination of overlying strata is resisting-structurekey stratum, water flowing fracture mainly presents “ear style” distribution; while there is keystratum in overlying strata and structure combination of overlying strata is structure-resistingkey stratum, water flowing fracture mainly produce bed separation fracture parallel to thebedding face; first breakage of hard roof would have great influence on strata pressurebehavior law and water flowing fracture evolution. Meanwhile, backfilling mining in steepseam can effectively reduce the motion trend of stope surrounding rock to free surface andwater flowing fracture distribution decreases with the increment of backfilling range andbackfilling body strength.
According to stress distribution state of the roof rock beams, roof control mechanicalmodel was built for backfilling mining in steep seam. The results indicate that backfillingmining can effectively prevent tension failure, shear breakage and shear-slip failure as well asdecrease bending flexivity of roof beam in steep seam. At the same time, backfilling miningcan reduce stress concentration degree and falling range of waterproof pillar as well asunloading zone, abutment pressure zone and of floor strata deformation. Hereby, strata controlmechanism around coal face for backfilling mining was put forward in steep seam underwater body.
Consideration of the influence of original horizontal stress, based on boundaryconditions and stress characteristic of waterproof pillar, reasonable waterproof pillar size wasobtained by theoretical analysis under the water body in steep seam. The results by fluid-solid coupling numerical calculation show that the falling range of waterproof pillar would beincreased in tendency with the coal thickness and reduction of coal body strength; structurekey stratum occurred in overlying strata and breakage revolution of immediate roof wouldlead to the increment of waterproof pillar falling range. Meanwhile, shear-slip fracture causedby tangential stress concentration in the position of waterproof pillar floor is the major waterinrush way into the coal mine. Besides, compound waterproof isolation strip for “ganguebackfilling zone+waterproof pillar” which worked-out section is backfilled by gangue aswell as grouting cementation in steep seam can effectively prevent water inrush accidentunder large mining range condition.
Based on the occurrence conditions of steep seam and hydrological engineeringgeological conditions in South No.2District of Longhu coal mine, appropriate mining methodis studied and the technology that worked-out section is backfilled by gangue as well asgrouting cementation is designed to control roof stability and ensure the safety mining underwater body in steep seam. The result shows that the backfilling technology has better effectand gains remarkable social and economic benefits.
The research results in the dissertation not only offer safety and reliability guarantee forbackfilling mining under the water body in steep seam, but enrich backfilling mining theory.
采用离散元数值计算和相似材料模拟试验研究表明，当急倾斜煤层上覆岩层无关键层和覆岩结构组合为隔水-结构关键层时，覆岩导水裂隙均呈“耳型”分布；当上覆岩层存在结构关键层和覆岩结构组合为结构-隔水关键层时，导水裂隙以平行于岩层层面的离层裂隙为主，坚硬顶板的初次破断对急倾斜煤层导水裂隙发育演化有较大影响。同时，急倾斜煤层充填开采能有效降低采场顶底板围岩向采空区自由面运动的趋势，并随充填空间和充填体强度的增大，覆岩裂隙分布范围呈减小趋势。
根据急倾斜煤层充填开采顶板岩梁的受力状态，建立了急倾斜煤层充填开采力学模型，分析得出急倾斜煤层充填开采可以有效降低顶板岩层的弯曲变形挠度，防止顶板岩梁产生受拉破坏、剪切破断和切向滑移整体破坏，减小防水煤柱的应力集中程度和抽冒范围，以及降低急倾斜煤层开采底板岩层的卸载区、支承压力区范围和底板岩层移动，进而提出水体下急倾斜煤层充填开采采场围岩控制机理。
依据防水煤柱的边界条件和受力特征，考虑原岩水平应力对急倾斜煤层开采的影响，确定了水体下急倾斜煤层防水煤柱尺寸的计算方法。采用流固耦合数值分析表明，随着急倾斜煤层采厚的增大、煤体强度的降低以及覆岩存在结构关键层和顶板岩梁的破断旋转，均导致防水煤柱的抽冒范围增大。同时，切向应力集中形成沿防水煤柱底板层面的剪切滑移裂隙，是上覆水体沿防水煤柱进入工作面作业空间的主要充水通道。此外，急倾斜煤层矸石充填并注浆胶结形成“矸石充填胶结区+防水煤柱”的复合防水隔离带，可以有效阻止大范围开采条件下矿井透水事故的发生。
基于龙煤集团七台河分公司龙湖煤矿急倾斜煤层的赋存和水文地质条件，现场研究了适合水体下急倾斜煤层开采的采煤方法，设计了急倾斜煤层采空区矸石自溜充填并注浆胶结充填体的顶板控制技术，确保了上部边界赋水条件下急倾斜煤层的安全回采，取得了显著的社会效益和经济效益。
本文关于水体下急倾斜煤层充填开采的研究成果，为我国水体下急倾斜煤层充填开采奠定了理论基础，提供了安全可靠的保障，丰富了充填开采理论。
The overlying strata are liable to damage and water flowing fractures develop upwardwhen steep seam is mined. Meanwhile, waterproof coal (rock) pillar will fall and produceplastic zone under the water head pressure and ground pressure. Thus, there is safety miningincipient fault under water body in steep seam. Backfilling mining is efficient measure tomine coal resource under the water body. Therefore, the key technology research that waterinrush prevention and control for backfilling mining is of prominent theoretical and practicalmeaning for safety and efficient mining under the water body in steep seam.
The dispersed element numerical calculation as well as similar simulation experimentwas applied to study the influence of structure key stratum, resisting key stratum and theirstructure combination of overlying strata on breakage characteristic of overlying strata andwater flowing fracture evolution in steep seam. The results show that while there is not keystratum in overlying strata and structure combination of overlying strata is resisting-structurekey stratum, water flowing fracture mainly presents “ear style” distribution; while there is keystratum in overlying strata and structure combination of overlying strata is structure-resistingkey stratum, water flowing fracture mainly produce bed separation fracture parallel to thebedding face; first breakage of hard roof would have great influence on strata pressurebehavior law and water flowing fracture evolution. Meanwhile, backfilling mining in steepseam can effectively reduce the motion trend of stope surrounding rock to free surface andwater flowing fracture distribution decreases with the increment of backfilling range andbackfilling body strength.
According to stress distribution state of the roof rock beams, roof control mechanicalmodel was built for backfilling mining in steep seam. The results indicate that backfillingmining can effectively prevent tension failure, shear breakage and shear-slip failure as well asdecrease bending flexivity of roof beam in steep seam. At the same time, backfilling miningcan reduce stress concentration degree and falling range of waterproof pillar as well asunloading zone, abutment pressure zone and of floor strata deformation. Hereby, strata controlmechanism around coal face for backfilling mining was put forward in steep seam underwater body.
Consideration of the influence of original horizontal stress, based on boundaryconditions and stress characteristic of waterproof pillar, reasonable waterproof pillar size wasobtained by theoretical analysis under the water body in steep seam. The results by fluid-solid coupling numerical calculation show that the falling range of waterproof pillar would beincreased in tendency with the coal thickness and reduction of coal body strength; structurekey stratum occurred in overlying strata and breakage revolution of immediate roof wouldlead to the increment of waterproof pillar falling range. Meanwhile, shear-slip fracture causedby tangential stress concentration in the position of waterproof pillar floor is the major waterinrush way into the coal mine. Besides, compound waterproof isolation strip for “ganguebackfilling zone+waterproof pillar” which worked-out section is backfilled by gangue aswell as grouting cementation in steep seam can effectively prevent water inrush accidentunder large mining range condition.
Based on the occurrence conditions of steep seam and hydrological engineeringgeological conditions in South No.2District of Longhu coal mine, appropriate mining methodis studied and the technology that worked-out section is backfilled by gangue as well asgrouting cementation is designed to control roof stability and ensure the safety mining underwater body in steep seam. The result shows that the backfilling technology has better effectand gains remarkable social and economic benefits.
The research results in the dissertation not only offer safety and reliability guarantee forbackfilling mining under the water body in steep seam, but enrich backfilling mining theory.
引文
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