山东科技大学工程硕士学位论文 提高上限开采方案及参数确定和安全煤柱的留设
图3.6 4m采高开采后垂直剖面塑形区发育云图
Figure 3.6 4m vertical plastic zone development of high cloud mining
图3.7 7.3m采高开采后垂直剖面塑形区发育云图
Figure 3.7 7.3m vertical plastic zone development of high cloud mining
图3.8 10.5m采高开采后垂直剖面塑形区发育云图
Figure 3.8 10.5m vertical plastic zone development of high cloud mining
由图3.6-图3.8可以看出，工作面在顶底板、煤壁前方以及工作面后方区域均产生明显的破坏。具体表现为在工作面顶板的边缘出现剪切屈服，在采空区中部的顶板出现
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拉张屈服，整个上覆岩层的屈服破坏区域呈现出类似马鞍的形状，在工作面的开切眼上部和停采线上部，覆岩破坏高度最大，而在采空区上部覆岩的破坏深度则相对较小，三个采高塑性区高度分别为29.3m、36.6m、39.24m，
3.2防水煤（岩）柱的尺寸确定
3.2.1留设防水煤(岩)柱的有关技术规定
怎样留设好防水煤（岩）柱是解决水体下采煤的关键。
在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第37条中规定: 必须在矿井、水平、采区设计时圈定安全煤(岩)柱的水体主要有:
（1）水体与预计开采上限(煤层)之间的最小距离，既不符合第44条中各级水体要求的相应安全煤（岩）柱尺寸，又不能采用可靠的开采技术措施以保证安全正常生产的。
（2）在目前技术条件下，只能采用（河流）改道、放空（水库）、疏干（含水层） 或者堵截水源等办法处理，但经济上又属严重不合理的水体。
（3）位于预计顶板冒落带、导水裂缝带或底板破坏范围内，且无疏放水条件的砂砾空隙强含水层和砂岩、石灰岩裂隙溶洞强含水层、岩溶地下暗河和有突水危险的含水断层与陷落柱等水体。
(4)预计采后矿井涌水量会急剧增加，超过矿井正常排水能力，且水量长期稳定不变，增加排水能力难以实现或排水费用高昂的。
（5）煤层开采后，地表和岩层有可能产生抽冒和切冒型塌落漏斗和突然下沉引起的溃沙、溃水灾害的。
（6）对国民经济和人民生活有重大影响的河流、湖泊、水库和旅游地区的地面、地下水体。
在第44条规定:水体下采煤时，必须严格控制对水体的采动影响程度。按水体的类型、流态、规模、赋存条件及允许采动影响程度，将受开采影响的水体分为三个采动等级。不同采动等级的水体，必须留设相应的安全煤柱。
目前认为防水煤柱的留设与下面一系列因素有关，有的可做定量分析，有的只能做定性分析。
（1）采动矿压对煤岩柱的作用。这就是采空区边缘上覆地层的集中支承压力将使煤（岩）柱侧边的一定范围受到压裂破坏，产生裂缝，失去阻隔水的作用。真正起阻
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隔水作用的是扣除这种塑性破坏的核心部分。求算这种压裂带（即塑性破坏带）宽度的公式，一般可采用较简单的公式，其结果偏大于实际值，有利于保证安全。
L破?mfk?h?c （3.5） ln2f?fc(??1)ctg??c式中：
L破 ——用于采空区煤（岩）壁的支承压力，使煤(岩)柱体形成的塑性破坏带的宽度； m——煤（岩）层厚度；
f——煤或岩柱与顶(或底)板的摩擦系数。一般为tgφ/4； λ——侧压系数，λ=(1+sin)/(1一sinλ)； γ——煤或岩体的容重(t/m2)； h——煤（岩）柱的埋深(m)； c——煤或岩层的内聚力(MPa)；
φ——煤(岩)层的内摩擦角（°），煤层一般取20°； k——应力集中系数，一般取3~5
（2）所留煤（岩）柱，扣除塑性破坏宽度后（如果是矿间煤（岩）柱则需要扣除 两侧的破坏宽度），其有效宽度将受到三种状态的破坏，有三个公式进行相应的分析计算:
一是侧向水压大，使煤（岩）柱顶底板的粘结力和摩擦力不能抵抗，产生沿顶底界面剪切破坏而移动。顶底板层面光滑、有软泥夹层易于出现此类破坏。其计算公式为:
L有效?
式中：
mp （3.6）
2(c?f?y)L有效——煤(岩)柱扣除塑性破坏带宽度后有效宽度 m——煤（岩）柱宽度(m)； p——侧向水压力(M/Pa)；
c——煤（岩）层与顶及底板的粘结力(MP/a)；
f——煤（岩）层与顶及底板的摩擦系数，一般为煤（岩）层内摩擦角φ的tgφ/4，常近似取0.1；
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?y——顶底板摩擦阻力，其值为kγH，即应力集中系数k、上覆岩层容重γ。和上覆
岩柱总厚度H三者之积。
二是煤（岩）柱内部因应力超限（如水压很大或上覆地层静压很大，或采空区形状特殊而造成地应力集中等），引起剪切或屈服破坏，这时可用煤岩的屈服强度理论公式进行计算分析：
L有效?式中：
?mpr(?s)???c??1??k?h?tg???22 （3.7）
L有效——有效煤（岩）柱宽度(m)； λ——侧压系数，λ=(1+sin)/(1一sinλ)；
φ——煤（岩）层的内摩擦角（°），煤层一般取20°；
p——作用于煤(岩)柱最大压力(MPa)，前述三种作用力取其最大值； m——煤（岩)柱宽度(m)；
?s——煤（岩）层的抗剪强度(MPa)； k——应力集中系数； γ——上覆岩层容重(t/m2)； h——上覆岩层的总厚度(m)； c——煤或岩层的内聚力(MPa)；
三是渗流速度超限引起煤（岩）柱的冲刷扩大而失效。从现场的实际情况看，这是破坏煤（岩）柱的主要的可以普遍存在的一个方面。因为煤（岩）柱都是具有原生和次生节理裂隙或断裂构造的地质体，这些岩体的软弱结构面在水压的作用下都可以形成一定的渗流楔劈流。由《水力学》明确:雷诺数大于3.3~5.0时，水流就处于紊流状态，此时水流的夹砂能力正比于水流的速度的平方。在高压水的作用下，水力坡度极大时，在煤（岩）柱内发生了紊流，随着流速和水力半径的增大，冲刷能力增强，渗透量会不断增长，同时作用于裂隙端部的侧向水压还将因应力集中而使裂隙向前扩展和分岔，最后导致煤（岩）柱的完成破坏而丧失其隔水能力。特别是粘结力弱的松软煤层，出现这种渗流超限破坏的危险更大，因此，有效煤（岩）柱的宽度应使渗流在其中的水流速度永远小于允许的最大流速，（即V临值），其数学表达式为：
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L有效式中：
2H1-H22??K （3.8） 2H2V临L有效——有效煤（岩）柱宽度(m)；
H1——煤（岩）柱一侧形成渗流作用的高位水柱值(m)；
H2——渗流的底位水柱值(m)；
V临——临界流速(m/s)； K一煤（岩）的渗透系数(m/s)。
实际上，由于煤（岩）体的粘结力不同，V临值是难于是难于实际计算确定的，一 般只能观察在一定水压作用下煤柱是否出现渗流水，水量是否有逐渐增大的趋势。出现渗流水的煤柱，其安全程度就低了，有逐渐增大的趋势就不允许了。
以上是理论分析：实际上按照这些理论公式进行计算，L有效往往并不需要很大。因此，煤（岩）柱的科学留设的关键，还在于水体及其压力的作用方向及岩层移动角（采矿引起的）以及断层节理的产状，与煤（岩）柱的空间几何关系。
（3）开采引起的岩层移动对煤(岩)柱的破坏和影响。广泛的生产实践表明，煤层开采后，其上覆岩层将产生冒落带、导水裂隙带和以弹性变形为主的缓慢下降带;同时，上覆岩层将产生沿开采盆地的扩展而不断外移的塌陷角，直达开采的煤柱边为止。
因此煤（岩）柱留设时必须考虑到塌陷角与导水裂隙带对它的破坏和影响。《规程》对此已以作了明确的规定，这是十分必要的。
（4）开采可引起煤层顶底板岩层的破坏和引张区的出现。邯郸、淄博、肥城等矿务局的观测试验已得出采动矿压对底板的破坏深度在10~20m不等，集中支承压力形成的底板引张区的范围，在停采线前方以43°~65°角向深部发展，煤（岩）柱留设时，特别是断层防水煤（岩）柱留设时要特别注意到这一点。
（5）断层产状，断层两盘煤（岩）柱的产状，水体或含水层与断层、与煤（岩） 柱的相互对接关系，都直接影响煤（岩）柱的.正确留设。
（6）煤（岩）柱本身及上覆、下伏岩层的透水性及渗流超限破坏的可能性。 从各矿区以往留设的各类防水煤（岩）柱的具体实践来看，除断层防水煤（岩）柱曾出现因留设不合理而发生水害，以及其他各类煤（岩）柱因后期人为破坏出现过灾害
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