李 耀，陳 思，石必明，穆朝民

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

煤與瓦斯突出 (簡(jiǎn)稱突出)是煤礦井下采掘過程中發(fā)生的一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象。我國(guó)是世界上瓦斯突出最嚴(yán)重的國(guó)家，部分地區(qū)大部分礦井都具有突出危險(xiǎn)性［1－3］。立井揭穿突出煤層具有較大的突出危險(xiǎn)性，曾多次發(fā)生煤與瓦斯突出事故，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)性日趨增大。工程實(shí)踐認(rèn)為立井煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域是應(yīng)力峰值前方的原始煤體，采掘產(chǎn)生的應(yīng)力集中是誘發(fā)煤與瓦斯突出的動(dòng)力，井壁至四周應(yīng)力集中峰值處的無突出危險(xiǎn)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(chǔ)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(duì)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(jìn)風(fēng)井概況

潘三礦深部進(jìn)風(fēng)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(shí)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，針對(duì)實(shí)際情況結(jié)合研究的重點(diǎn)，本文使用Mohr Coulomb準(zhǔn)則模擬煤巖體力學(xué)變形及預(yù)留巖柱的破壞計(jì)算。

數(shù)值模型以該礦深部進(jìn)風(fēng)井井筒揭煤工程實(shí)際條件為基礎(chǔ)，將煤層作為水平層處理，假設(shè)開挖的動(dòng)態(tài)過程對(duì)最終應(yīng)力分布沒有影響。假設(shè)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(yīng)力、溫度應(yīng)力的影響。考慮到立井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和計(jì)算精度的要求以及巖體的局部開挖僅對(duì)一定的區(qū)域有明顯的影響［5］，建立長(zhǎng)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(yīng)力。數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算模型采取的煤巖層的物理參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值計(jì)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(duì)立井開挖工作面至距煤層頂板垂距 (即預(yù)留安全巖柱厚度)為5m，3m，2m，1.5m的情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。井筒掘至不同巖柱厚度時(shí)煤層頂板垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 煤層頂板垂直應(yīng)力分布規(guī)律

由圖2可知，立井工作面接近煤層時(shí)，在其前(下)方應(yīng)力分布分為3個(gè)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(dòng)卸壓區(qū)，中心為最大卸壓區(qū)。煤巖體的卸壓程度隨著遠(yuǎn)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(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)的存在是因?yàn)榱⒕_挖過程中，此處煤巖體的原始三向應(yīng)力平衡狀態(tài)變成二向荷載，應(yīng)力發(fā)生重新分布。工作面越接近煤層，應(yīng)力集中區(qū)的影響范圍和峰值越大。

立井掘進(jìn)至不同預(yù)留安全巖柱厚度時(shí)煤巖體塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

圖3 塑性應(yīng)變

由圖3可知，當(dāng)立井掘進(jìn)至距煤層5m，3m時(shí)巖柱僅發(fā)生小范圍的破壞，預(yù)留巖柱的厚度足以抵抗開挖引起的變形。當(dāng)立井掘進(jìn)至距煤層2m時(shí)，巖柱在應(yīng)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(shí)工作面前 (下)方安全巖柱和煤層均處于應(yīng)力卸壓區(qū)，預(yù)留的2m巖柱仍足以抵抗開挖引起的變形。但當(dāng)立井掘進(jìn)至距煤層1.5m時(shí)，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(zhǎng)度約為11.4m，是井筒直徑的1.14倍。雖然此時(shí)工作面前 (下)方安全巖柱和煤層也均處于應(yīng)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(dòng)卸壓區(qū)外側(cè)煤體應(yīng)力值已明顯高于預(yù)留巖柱厚度為2m時(shí)同區(qū)域內(nèi)煤體的應(yīng)力，說明在1.5m的預(yù)留巖柱條件下，巖柱已不足以抵抗開挖引起的變形。

當(dāng)最小安全巖柱厚度為2m時(shí)，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(shí)煤層頂板垂直應(yīng)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(shí)立井工作面附近煤巖體塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖5示。分析圖4、圖5可知，當(dāng)預(yù)留安全巖柱厚度為2m時(shí)，隨著井筒直徑的增加，應(yīng)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(dāng)井筒直徑為6m，安全巖柱厚度為2m時(shí)，巖柱僅發(fā)生局部小范圍的破壞。當(dāng)井筒直徑為12m，安全巖柱厚度為2m時(shí)，破壞深入煤體內(nèi)部，在煤層內(nèi)的貫穿長(zhǎng)度約為8.2m，是井筒直徑的0.683倍，此時(shí)2m的預(yù)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(jìn)至巖柱厚度為2m時(shí)煤層頂板垂直應(yīng)力分布規(guī)律

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合礦井實(shí)際情況和進(jìn)度安排，在井筒開挖直徑為10m條件下，根據(jù)最小預(yù)留巖柱厚度為2m進(jìn)行揭煤方案設(shè)計(jì)。深部進(jìn)風(fēng)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(jìn)行揭煤施工。井筒距待揭煤層頂板最小法距5m前，對(duì)所采取的區(qū)域防突措施進(jìn)行效果檢驗(yàn)，待揭煤層進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證為無突出危險(xiǎn)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(zhǔn)確控制安全巖柱厚度，嚴(yán)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(shí)不同直徑下等效塑性應(yīng)變

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)預(yù)留巖柱厚度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出了不同厚度的預(yù)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(yù)留安全巖柱厚度越小，預(yù)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(shí)，巖柱被破壞并且破壞已深入煤層內(nèi)，在煤層內(nèi)貫穿長(zhǎng)度達(dá)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(yù)留安全巖柱厚度越大，在井筒直徑為10m，2m厚度的預(yù)留安全巖柱即可，而在井筒直徑為12m，2m厚度的預(yù)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(zhǎng)度達(dá)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(yù)留巖柱為對(duì)實(shí)際揭煤設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，經(jīng)實(shí)際井筒揭煤驗(yàn)證該厚度完全可行。實(shí)際應(yīng)用表明運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算的方法計(jì)算立井揭煤預(yù)留巖柱厚度是一種較好的可行方法。

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