上保護層不合理布置對被保護層應(yīng)力疊加影響效應(yīng)研究

江麗麗，楊增強，翟春佳，李常浩

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.潞安集團余吾煤業(yè)有限公司，山西 長治 046103)

保護層開采技術(shù)的應(yīng)用與實踐最早起源于法國，我國在遼寧北票、重慶中梁山等礦區(qū)最早應(yīng)用該技術(shù)[1-4]。雖然我國對保護層開采技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較晚，但眾多專家學(xué)者針對被保護層的卸壓機理、卸壓范圍及卸壓效果等方面進行了深入的研究，取得了大量的理論和研究成果[5-7]。

關(guān)于保護層開采的研究，大部分學(xué)者側(cè)重于保護層開采卸壓和瓦斯抽放方面，旨在提高煤層瓦斯的滲透性及抽放效果[8-10]。而關(guān)于保護層開采后遺留煤柱體導(dǎo)致的應(yīng)力重新分布對被保護層造成的應(yīng)力疊加擾動等問題，卻缺乏深入的研究。這也導(dǎo)致現(xiàn)場實踐中容易因高應(yīng)力集中而誘發(fā)被保護層采掘期間動力災(zāi)害頻發(fā)等問題。因此，有必要針對保護層與被保護層開采期間的圍巖力學(xué)演化特征進行深入研究，確定合理的保護層布置方式，以期能夠有效降低被保護層內(nèi)集中的應(yīng)力。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

汾西中興礦主采2#煤層，其厚度為1.6～2.3 m，傾角為2°～10°。2#煤層絕對瓦斯涌出量為16.3 m3/min，屬于高瓦斯煤層?，F(xiàn)開采3203工作面，其東側(cè)的3201工作面已采完，西側(cè)為未開采的3205接替工作面。3203工作面走向長為1 595 m，傾向長為190 m，平均埋深超過700 m。2#煤層上方存在一厚度為0.65～1.50 m的02#煤層，其平均厚度為1.28 m，屬于薄煤層。02#煤層與2#煤層間距為6.5～12.0 m，因此02#煤層可作為2#煤層的上保護層進行開采。3203工作面平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 3203工作面平面位置關(guān)系圖

1.2 回采期間來壓情況

3203工作面目前已維護性回采至上保護層采空區(qū)的下方，但其兩側(cè)平巷超前范圍內(nèi)出現(xiàn)了圍巖嚴重變形破壞情況，如圖2所示。

(a)頂板破壞 (b)煤幫破壞

(c)底板破壞 (d)沖擊地壓顯現(xiàn)

由圖2(a)可知，巷道頂板多個區(qū)域出現(xiàn)破碎，甚至出現(xiàn)離層跡象，存在局部冒頂危險性，支護較困難；由圖2(b)可知，巷道幫部煤體嚴重內(nèi)擠變形，甚至造成錨桿的拉斷失效；由圖2(c)可知，底鼓造成被硬化處理過的底板出現(xiàn)裂縫，受工作面采動劇烈擾動影響甚至?xí)斐扇鐖D2(d)所示的底板沖擊地壓事故。由此可見，3203工作面超前段巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境整體較差。

2 上保護層開采影響分析

2.1 上保護層開采遺留煤柱體對底板應(yīng)力的影響

3203工作面上保護層開采結(jié)束后，采空區(qū)周圍將會遺留大量支承煤柱體，這將會對下方被保護層煤體應(yīng)力環(huán)境造成較大的影響。上保護層開采后，其垮落帶高度計算公式如下：

(1)

式中：Hm表示采空區(qū)垮落帶高度；M表示開采煤層厚度；W表示垮落過程中頂板下沉量；α表示煤層傾角；k表示垮落巖石碎脹系數(shù)。

對于遺留煤柱體，當(dāng)采空區(qū)垮落帶高度為Hm時，煤柱體形成的總壓力如下：

(2)

式中：p表示煤柱體的總壓力值；B表示煤柱寬度；H表示煤層埋深；h為采空區(qū)上覆巖層垮落高度；δ表示采空區(qū)上覆巖層垮落角；γ表示上覆巖層平均重度。

關(guān)于煤柱體對底板造成的應(yīng)力影響，可假設(shè)沿煤柱體寬度方向設(shè)置x軸，在x軸上作用有均布載荷。在煤柱體寬度方向上取一微小寬度dx，則該微小寬度煤柱體對底板造成的應(yīng)力影響大小為dp=qdx，其對底板中任意一點M(x,y)造成的垂直應(yīng)力計算原理如圖3所示[10-11]。

q—煤柱體對底板施加的均布載荷；σx—底板中任意一點的水平應(yīng)力；σy—底板中任意一點的垂直應(yīng)力；τxy、τyx—底板中任意一點的剪切應(yīng)力。

圖3 煤柱體對底板應(yīng)力影響的計算原理圖

由圖3可知，對煤柱體總寬度積分，可求出煤柱體對底板中任意一點M(x,y)造成的垂直應(yīng)力，計算公式如下：

(3)

式中l(wèi)表示煤柱體寬度。

上保護層與3203工作面間距為10.3 m，且上保護層平均埋深為700 m。聯(lián)立式(1)～(3)，可計算出不同遺留煤柱體寬度條件下底板內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，如圖4所示。

圖4 上保護層遺留煤柱不同煤柱體寬度條件下應(yīng)力影響規(guī)律

由圖4可知，上保護層開采后遺留煤柱體對2#煤層造成的應(yīng)力疊加影響，隨煤柱體寬度從10 m增大至70 m，其對應(yīng)的疊加應(yīng)力也由13.7 MPa增大至18.1 MPa。因此，采取保護層技術(shù)開采，要盡量合理布置上保護層工作面位置，最大限度避免上保護層遺留煤柱體對下方被保護層造成應(yīng)力疊加影響。

2.2 上保護層開采最大有效保護范圍

中興礦主采2#煤層的沖擊危險性指數(shù)約為0.3，具有弱沖擊傾向性，因此對2#煤層進行保護層開采設(shè)計意義重大。上保護層的最大有效保護距離計算式如下[12-13]：

S上=S′上β1β2

(4)

式中：S′上為上保護層的理論有效垂距，當(dāng)L>0.3H時，取L=0.3H，但L不得大于250 m；L為上保護層工作面寬度；β1為上保護層開采影響系數(shù)，當(dāng)M≤M0時，β1=M/M0，當(dāng)M>M0時，β1=1；β2為層間堅硬砂巖、石灰?guī)r含量系數(shù)，以η表示在層間巖石中所占百分比，當(dāng)η≥50%時，β2=1-0.4η/100，當(dāng)η<50%時，β2=1；M表示上保護層開采煤層厚度；M0表示上保護層的最小有效厚度。

上保護層的理論有效垂距S′上與煤層埋深H及上保護層工作面寬度L之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 S′上 與煤層埋深H和上保護層工作面寬度L之間關(guān)系

假設(shè)上保護層工作面寬度取值范圍為75～125 m，結(jié)合式(4),以及參照表1可計算出上保護層開采后的理論有效垂距，如圖5所示。

圖5 不同上保護層工作面寬度L條件下上保護層開采后的理論有效垂距

由圖5可知，當(dāng)上保護層工作面寬度為75～125 m時，其對應(yīng)的理論垂直有效距離為30～52 m，遠大于02#煤層與2#煤層之間的層間距。這說明02#煤層作為上保護層能起到對2#煤層的卸壓保護作用，且 02#煤層內(nèi)上保護層工作面寬度越大，其卸壓保護深度范圍也就越大。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型的建立

以中興礦3203工作面為工程地質(zhì)背景，建立三維幾何模型[14-15]，所建模型中工作面、巷道的幾何位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 三維幾何模型

所建幾何模型長×寬×高為450.0 m×426.7 m×145.0 m，3203工作面兩側(cè)巷道尺寸：3203回風(fēng)巷寬×高為 4 200 mm×2 500 mm；3203運輸巷寬×高為 5 000 mm×3 000 mm；充填墻體寬×高為2 500 mm×2 500 mm。對所建模型邊界x=0.0 m、x=450.0 m、y=0.0 m、y=426.7 m和z=0.0 m進行法向位移約束，模型上表面施加相當(dāng)于埋深620 m的等效載荷15.5 MPa。

模型開挖計算步驟如下：計算原巖應(yīng)力→掘進3201回風(fēng)巷和3201運輸巷→回采3201工作面→沿空留巷巷旁充填→掘進3203運輸巷→回采3203工作面(初始回采階段，3203工作面未處于上保護層工作面下方)→繼續(xù)回采3203工作面(正?；夭呻A段，工作面處于上保護層工作面下方)。

3.2 模擬結(jié)果分析

3203工作面回采至不同位置時的垂直應(yīng)力空間演化特征如圖7所示。

圖7 3203工作面回采期間垂直應(yīng)力空間演化特征

由圖7(a)可知，工作面初始回采階段，未受上保護層開采影響，工作面上端頭和充填墻體內(nèi)存在較高的應(yīng)力集中，峰值應(yīng)力為73.2 MPa；由圖7(b)可知，工作面回采至靠近上保護層位置時，受上保護層采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加的影響，工作面上端頭和充填墻體內(nèi)應(yīng)力集中進一步增加，峰值應(yīng)力為93.7 MPa；由圖7(c)可知，工作面回采至上保護層下方時，受上保護層采空區(qū)兩側(cè)遺留煤柱體應(yīng)力疊加的影響，此時工作面上端頭和充填墻體內(nèi)應(yīng)力峰值進一步增大，峰值應(yīng)力達到98.8 MPa，且此時工作面下端頭處也開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象?？梢姡?dāng)3203工作面回采至上保護層采空區(qū)下方時，受上保護層遺留煤柱體采動應(yīng)力疊加的影響，導(dǎo)致3203工作面兩側(cè)巷道超前段范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力環(huán)境較差。

3.3 上保護層位置優(yōu)化后的垂直應(yīng)力模擬分析

針對3203工作面原有上保護層位置布置不合理，容易受遺留煤柱體疊加應(yīng)力影響而導(dǎo)致3203工作面應(yīng)力環(huán)境進一步惡化的問題，對上保護層位置進行優(yōu)化處理，優(yōu)化后的模擬方案如圖8所示。

圖8 上保護層位置及寬度優(yōu)化模擬方案

上保護層位置優(yōu)化后的垂直應(yīng)力空間演化特征如圖9所示。

圖9 上保護層位置優(yōu)化后的垂直應(yīng)力空間演化特征

由圖9(a)可知，一開始工作面未回采至保護層工作面影響范圍內(nèi)，因此在工作面上端頭處存在明顯的應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力集中程度較高；由圖9(b)可知，當(dāng)工作面回采推進至上保護層卸壓區(qū)影響范圍內(nèi)時，此時處于工作面端頭的應(yīng)力增高區(qū)已經(jīng)不存在，而是在工作面中部出現(xiàn)一小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時3203回風(fēng)巷護巷充填墻體所受到的應(yīng)力集中程度也明顯降低；由圖9(c)可知，隨著工作面的進一步回采，此時工作面完全處于上保護層下方，受上保護層卸壓區(qū)影響效果明顯，同時3203回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力環(huán)境十分良好，不存在高應(yīng)力增高區(qū)。由此可見，通過采用圖8所示優(yōu)化后的方案布置上保護層位置，能夠有效改善被保護層工作面采掘空間圍巖的應(yīng)力環(huán)境，沖擊地壓的防治效果顯著。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

4.1 支架工作阻力監(jiān)測

針對3203工作面上保護層位置及布置不合理對3203工作面回采造成的困難，對3205工作面采用優(yōu)化后的方案布置上保護層進行回采。3205工作面共布置有14組支架工作阻力測站，能較好地反映3205工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，如圖10所示。

圖10 3205工作面回采期間支架工作阻力云圖

由圖10可知，2017-06-14至2017-11-18這一期間工作面的工作阻力基本保持在30 MPa以上，因為這一時期3205工作面推進速度較慢，且工作面剛好推進至老頂初次或周期來壓范圍內(nèi)；2018-04-30至2018-06-09這一期間整個工作面回采至一次“見方”影響范圍內(nèi)，此時工作面中部存在明顯的高支護阻力區(qū)，該區(qū)域內(nèi)支護阻力高達40 MPa；2018-08-28至2018-11-16這一期間為工作面從上保護層影響范圍外向上保護層影響范圍內(nèi)回采推進時期，從云圖中可以看出受上保護層卸壓影響，工作面靠近回風(fēng)巷側(cè)的中下部區(qū)域出現(xiàn)明顯的支護阻力下降現(xiàn)象，這一現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果符合上保護層優(yōu)化后對3203工作面開采的應(yīng)力演化模擬結(jié)果。

4.2 礦壓觀測

3205工作面回采期間，采用“十字”監(jiān)測法對3205回風(fēng)巷進行礦壓觀測，分別在上保護層影響范圍內(nèi)外各布置3組觀測點，測點間距為50 m，觀測結(jié)果取平均值，觀測曲線如圖11所示。

由圖11可知，上保護層影響范圍外巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?10.4 mm，兩幫最大移近量為 378.0 mm；上保護層影響范圍內(nèi)巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?47.6 mm，兩幫最大移近量為129.0 mm?？梢?3205 回風(fēng)巷在上保護層卸壓效應(yīng)影響下，頂?shù)装逡平繙p小了64.0%，兩幫移近量減小了65.9%，圍巖整體移近量要遠低于上保護層影響范圍外。這表明優(yōu)化后的上保護層位置能夠較好地對3205工作面起到卸壓保護作用。

圖11 3205回風(fēng)巷礦壓觀測曲線

5 結(jié)論

1) 理論分析了中興礦上保護層開采遺留煤柱體對下方3203工作面造成的應(yīng)力疊加影響，指出隨著遺留煤柱體寬度由10 m增大至70 m時，其對2#煤層造成的疊加應(yīng)力由13.7 MPa增大至18.1 MPa。

2) 理論分析了當(dāng)上保護層工作面寬度在75～125 m范圍時，其對應(yīng)的理論垂直有效距離為30～52 m，遠大于02#煤層與2#煤層之間的層間距，說明02#煤層作為上保護層能起到對2#煤層的卸壓保護作用。

3) 數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程實踐表明，不合理的上保護層布置方式進一步加劇了被保護層工作面內(nèi)應(yīng)力疊加效應(yīng)，合理的上保護層布置方式能夠有效降低被保護層內(nèi)應(yīng)力集中程度。