上覆煤層煤柱下采掘工作面應(yīng)力分布規(guī)律研究

周連春，李 望，王 琰

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.神華烏海能源公司，內(nèi)蒙古 烏海 016033；3.中國石化集團(tuán)中原石油勘探局有限公司，河南 濮陽 457001)

針對(duì)回采巷道布置在上覆煤層煤柱下這一空間特點(diǎn)，近些年國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)的研究并取得了可喜的成績[1]。李勝為防止由于上位煤層開采地影響，所形成的煤柱的集中壓力而產(chǎn)生的礦井動(dòng)力災(zāi)害。采用土力學(xué)的原理分別推導(dǎo)了集中應(yīng)力以及線性應(yīng)力在巖體中的傳遞規(guī)律；此外還使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了同忻礦8104工作面區(qū)段煤柱的應(yīng)力狀態(tài)，以及對(duì)上位煤層煤柱應(yīng)力傳播機(jī)理進(jìn)行模擬分析，對(duì)不同尺寸和不同應(yīng)力狀態(tài)下煤柱的應(yīng)力傳播機(jī)理進(jìn)行綜合分析[2]。姜耀東、李波等結(jié)合平朔安家?guī)X11#煤層的實(shí)際地質(zhì)情況，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬、相似模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段對(duì)近距離煤層開采條件下巷道布置和支護(hù)體系設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得了采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律和煤層頂?shù)装鍛?yīng)力傳遞規(guī)律以及煤柱周圍應(yīng)力隨開采過程的演化和分布規(guī)律[3]。原鴻鵠以爐峪口礦的8#煤層和9#煤層為研究對(duì)象，研究近距離煤層中受上覆采空區(qū)煤壁影響下層煤應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律[4]。康官先在研究嘉樂泉煤礦8#煤殘留煤柱支承壓力時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于殘留的煤柱支承壓力使底板煤巖層中應(yīng)力非均勻分布，8#煤殘留煤柱支承壓力影響下底板煤巖層中垂直應(yīng)力的非均勻分布是巷道圍巖的穩(wěn)定性的主要影響因素[5]。黃艷利研究近距離煤層問題時(shí)以木瓜煤礦為條件，對(duì)其采空區(qū)和遺留煤柱下回采工作面巷道布置的技術(shù)難題進(jìn)行分析，運(yùn)用經(jīng)典的關(guān)鍵層理論，結(jié)合UDEC數(shù)值模擬分析的方法，總結(jié)得出上位煤層開采后形成的采空區(qū)，及其遺留煤柱應(yīng)力分布規(guī)律[6]。臧龍以許疃煤礦受煤柱上高支承壓力影響的82聯(lián)巷為背景，應(yīng)用彈性力學(xué)半無限體理論，得出了不同形式煤柱支承壓力在底板巖層中的分布規(guī)律，并根據(jù)煤柱底板巷道圍巖受力特征，應(yīng)用彈塑性力學(xué)理論，從支護(hù)阻力、圍巖強(qiáng)度、巷道埋深及巷道位置等幾個(gè)方面分析了影響巷道圍巖穩(wěn)定性的規(guī)律及程度；同時(shí)，在許疃煤礦82聯(lián)巷通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法取得了其礦山地質(zhì)資料，以及巷道圍巖變形破壞特征，分析得出了影響巷道發(fā)生變形破壞的主要因素[7]。王路軍在研究神東礦區(qū)淺埋近距離煤層時(shí)，發(fā)現(xiàn)在上煤層開采遺留煤柱的影響下，下煤層工作面在推出此類煤柱前后5m左右的范圍內(nèi)常易出現(xiàn)支架活柱瞬時(shí)大幅下縮的壓架現(xiàn)象[8]。此外為確定下位煤層回采巷道的合理內(nèi)錯(cuò)距離，還運(yùn)用了理論計(jì)算的方法，優(yōu)化了下位煤層回采巷道的布置方案[9]。針對(duì)神華烏海能源公司老石旦煤礦031604綜放工作面推進(jìn)至16#軌道下山、16#運(yùn)輸下山、14#總回風(fēng)下山時(shí)在上覆9#、12#煤層煤柱下回采時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律展開了系統(tǒng)地研究，為工作面安全、高效回采提供依據(jù)。

1 礦井及工作面概況

老石旦煤礦位于桌子山煤田西翼，礦井現(xiàn)生產(chǎn)能力150萬t/a。主采16#煤層。031604工作面位于北三采區(qū)16#運(yùn)輸下山左翼，工作面走向長1070m，傾斜長264m，煤層厚度8.8m，可采儲(chǔ)量274.2萬t，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。工作面位于北三進(jìn)風(fēng)井口西側(cè)，距北三進(jìn)風(fēng)井口980m左右，其東北為北三16#軌道下山，西北為未開采區(qū)。工作面上部9#煤層為0904、0906綜采工作面采空區(qū)，上部12#煤層為031209、031210綜采工作面采空區(qū)。

圖1 031604工作面對(duì)接巷道四鄰關(guān)系圖(m)

2 分析問題

031604工作面在推進(jìn)距16#軌道下山60m時(shí)從技改031604回風(fēng)巷北翼反掘一條對(duì)接工作面的巷道與工作面貫通來縮短工作面，然后通過16#軌道下山、14#回風(fēng)下山、16#運(yùn)輸下山，從而使工作面順利地推進(jìn)至031604北翼地區(qū)。031604工作面對(duì)接巷道如圖1所示，由圖1可知031604工作面及其對(duì)接巷道恰好在上覆9#、12#煤層采空區(qū)開采完畢后遺留的煤柱下方進(jìn)行回采和掘進(jìn)施工，這樣必然造成9#、12#煤層煤柱下方應(yīng)力集中區(qū)與031604工作面回采和031604工作面對(duì)接巷道掘進(jìn)前方的應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，打破了原有的應(yīng)力平衡，該工作面推進(jìn)距16#軌道下山100m時(shí)，16#軌道下山巷道頂板開始發(fā)生嚴(yán)重變形、兩幫出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)D壓現(xiàn)象、底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，給礦井安全生產(chǎn)帶來了較大的影響。

3 上覆煤層煤柱下采掘工作面應(yīng)力分布規(guī)律研究

3.1 礦壓的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

圖2 壓力計(jì)具體安裝位置和測(cè)點(diǎn)位置分布示意圖

本次礦壓的測(cè)定工作是先向頂板打眼后再將YHY60(B)礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)安裝在頂板上，然后利用GUD-240圍巖移動(dòng)傳感器與YHY60(B)礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)連接在一起，并將數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行傳輸和讀取。壓力計(jì)具體安裝位置和測(cè)點(diǎn)位置分布如圖2所示，本次測(cè)定工作主要是測(cè)定了頂板的垂向應(yīng)力工作，目的是為頂板管理提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。頂板應(yīng)力由于在031604工作面的上覆工作面采空區(qū)煤柱集中應(yīng)力帶、16#煤層軌道下山煤壁前方應(yīng)力集中帶與031604工作面集中應(yīng)力帶三個(gè)應(yīng)力集中帶重疊后的疊加應(yīng)力影響下個(gè)別地段是能夠達(dá)到甚至超過45MPa，這也是研究上覆煤層煤柱下采掘工作面應(yīng)力分布規(guī)律的目的所在，以便為礦方采取合理的支護(hù)方式提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，確保礦井在應(yīng)力復(fù)雜地段的安全、高效地生產(chǎn)。

為方便與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，本次測(cè)試代表性地分別選取了2018年11月、12月份在工作面分別推進(jìn)至距離16#煤層軌道下山60m、30m和10m時(shí)各觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表1—表3。

表1 031604工作面距16#軌道下山60m時(shí)頂板應(yīng)力表 MPa

表2 031604工作面距16#軌道下山30m時(shí)頂板應(yīng)力表 MPa

表3 031604工作面距16#軌道下山10m時(shí)頂板應(yīng)力表 MPa

3.2 數(shù)值模型建立

若施加在巖體內(nèi)的載荷達(dá)到極限強(qiáng)度，則巖體就會(huì)產(chǎn)生破壞變形，在其塑性流動(dòng)過程中巖體內(nèi)的殘余強(qiáng)度會(huì)伴隨著變形的增大而逐步減小[10，11]。因此數(shù)值模擬采用摩爾—庫侖模型來判斷巖體破壞[12]。

依據(jù)老石旦礦031604工作面及上覆0904、0903、031210、031209工作面開采參數(shù)，及其下山保護(hù)煤柱煤巖力學(xué)參數(shù)，具體數(shù)值見表4。三維數(shù)值計(jì)算模型。邊界條件為：四周鉸支，底部固支，上部為自由邊界。模型尺寸為3000m×400m×180m。

由于初始應(yīng)力場(chǎng)是分析開采空間圍巖應(yīng)力重新分布的基礎(chǔ)，為了較真實(shí)地進(jìn)行工程模擬仿真，在正確的初始應(yīng)力分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，就必須保證模擬開采前已存在的初始地應(yīng)力場(chǎng)的可靠性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件，初始應(yīng)力場(chǎng)主要是由巖、土體在自重作用下生成的。因此模擬煤層的垂直初始應(yīng)力，按其上覆巖層重量計(jì)算，因所建模型煤層上覆巖層為260m，因此在模型上部施加6.5MPa的垂直載荷，模擬上覆松散層自重，模型四周和底部為固定約束。水平初始應(yīng)力采用Initial命令在設(shè)置初始應(yīng)力時(shí)，為了得到不同位置上的Z方向和X(Y)方向變化應(yīng)力分布，采用初始值σ0和g0梯度值的方法得以實(shí)現(xiàn)。

表4 煤巖力學(xué)參數(shù)

已知模型上表面的垂直應(yīng)力σz1為-6.5MPa，底部的垂直應(yīng)力σz2為-11MPa，模型高度h1為180m，模型底面高度h2為0m，梯度值g0為0.0375MPa。

3.3 031604工作面推進(jìn)距16#煤層軌道下山60m應(yīng)力分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，031604工作面傾斜長264m，煤層厚度8.8m，模擬采空區(qū)尺寸為長×寬×高為770m×170m×1.2m(031604工作面開采距對(duì)接巷道30m、距16#煤層軌道下山60m位置)，在模型中通過開挖0904、0903、03121和031209工作面平衡后，開挖031604工作面再運(yùn)算至平衡后，在模型中截取距031604工作面南北翼對(duì)接通道位置，模型XZ平面最大主應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 031604工作面開采距16#煤層軌道下山60m位置最大主應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，此時(shí)031604工作面開采位置已進(jìn)入9#和12#煤層下山保護(hù)煤柱位置，工作面采動(dòng)造成的超前應(yīng)力集中已與集中煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中相疊加。

由此位置最小主應(yīng)力云圖如圖4所示，由圖4可以看出，031604工作面開采造成整個(gè)集中煤柱下方應(yīng)力值增加，對(duì)接巷道及16#軌道下山均受到疊加應(yīng)力影響，應(yīng)力值增加。

圖4 031604工作面開采距16#煤層軌道下山60m位置最小主應(yīng)力云圖

在模型中截取16#煤層位置(XY)平面最大、最小主應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可以看出，此位置031604工作面對(duì)接巷道端頭已處于工作面超前應(yīng)力集中區(qū)，最小主應(yīng)力值達(dá)到15MPa，達(dá)到原巖應(yīng)力的1.5倍，現(xiàn)場(chǎng)通過對(duì)接巷道端頭安裝的三個(gè)壓力計(jì)觀測(cè)到的應(yīng)力值分別為22.8MPa、26.7MPa、17.1MPa，實(shí)際觀測(cè)數(shù)值最小值比數(shù)值模擬的最小主應(yīng)力值還大2.1MPa。16#煤層軌道下山受到超前應(yīng)力影響，尤其相對(duì)工作面中部，應(yīng)力較兩側(cè)要大，最小主應(yīng)力值達(dá)到14MPa，現(xiàn)場(chǎng)通過16#煤層軌道下山上、中、下部安裝的三個(gè)壓力計(jì)觀測(cè)的應(yīng)力值分別為9.7MPa、15.7MPa、11.6MPa，中部實(shí)際觀測(cè)數(shù)值比數(shù)值模擬的最小主應(yīng)力值還大1.7MPa。

圖5 031604工作面開采距16#煤層軌道下山60m位置煤層應(yīng)力云圖

3.4 031604工作面推進(jìn)距16#煤層軌道下山30m應(yīng)力分布

當(dāng)031604工作面繼續(xù)推進(jìn)，模擬采空區(qū)尺寸為長×寬×高為990m×170m×1.2m(031604工作面與對(duì)接巷道貫通、距16#煤層軌道下山30m位置)，在前一推進(jìn)距離基礎(chǔ)上，再次開挖平衡后，在模型中截取16#煤層位置(XY)平面最大、最小主應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 031604工作面開采距16#煤層軌道下山30m位置煤層應(yīng)力云圖

由圖6可以看出，此位置031604工作面與對(duì)接巷道貫通，工作面超前應(yīng)力峰值區(qū)影響范圍向?qū)酉锖蠓綌U(kuò)展。16#煤層軌道下山位置最小主應(yīng)力值增加，達(dá)到17MPa，現(xiàn)場(chǎng)通過16#煤層軌道下山上、中、下部安裝的三個(gè)壓力計(jì)觀測(cè)的應(yīng)力值分別為13.2MPa、19.1MPa、15.4MPa，實(shí)際觀測(cè)數(shù)值比數(shù)值模擬的最小主應(yīng)力值小3.8MPa，但是16#煤層軌道下山中部的應(yīng)力值卻比數(shù)值模擬值大2.1MPa。

3.5 031604工作面推進(jìn)距16#煤層軌道下山10m應(yīng)力分布

當(dāng)031604工作面繼續(xù)推進(jìn)，模擬采空區(qū)尺寸為長×寬×高為1100m×170m×1.2m(031604工作面距16#煤層軌道下山10m位置)，在前一推進(jìn)距離基礎(chǔ)上，再次開挖平衡后，在模型中截取16#煤層位置(XY)平面最大、最小主應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 031604工作面開采距16#煤層軌道下山10m位置煤層應(yīng)力云圖

由圖7可以看出，16#煤層軌道下山位置進(jìn)入工作面超前影響峰值區(qū)，相對(duì)工作面中部最大主應(yīng)力值達(dá)到43MPa，約為原巖應(yīng)力3倍，最小主應(yīng)力達(dá)到23MPa，約為原巖應(yīng)力2.3倍?，F(xiàn)場(chǎng)通過16#煤層軌道下山上、中、下部安裝的三個(gè)礦壓表觀測(cè)的應(yīng)力值分別為26.8MPa、47.9MPa、29.3MPa，實(shí)際觀測(cè)最大應(yīng)力值比數(shù)值模擬的最大主應(yīng)力值大4.9MPa，實(shí)際觀測(cè)最小應(yīng)力值比數(shù)值模擬的最小主應(yīng)力值大3.8MPa，這充分證明現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡化程度比數(shù)值模擬的結(jié)果還要嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

1)通過031604工作面上方煤層開采應(yīng)力分布情況可知，9#及12#煤層下山保護(hù)煤柱位置的重疊，造成煤柱及其下方中部產(chǎn)生應(yīng)力集中，031604工作面對(duì)接巷道及16#軌道下山較靠近中部，受到煤柱集中應(yīng)力影響，尤其是對(duì)接巷道端頭位置首先進(jìn)入應(yīng)力疊加區(qū)，應(yīng)力增加幅度較16#軌道下山位置大。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)接巷端頭位置圍巖支護(hù)強(qiáng)度。

2)通過031604工作面開采不同位置時(shí)，對(duì)接巷道以及下山(16#軌道下山、運(yùn)輸下山及14#回風(fēng)下山)圍巖產(chǎn)生應(yīng)力分布情況，并根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)定分析發(fā)現(xiàn)，031604工作面越接近16#軌道下山，煤壁前方應(yīng)力值越大，應(yīng)力顯現(xiàn)越明顯；同時(shí)16#軌道下山在相對(duì)工作面中部位置應(yīng)力比兩側(cè)的應(yīng)力大的多、頂板變形非常嚴(yán)重，必須加強(qiáng)16#軌道下山的支護(hù)。

3)根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)定分析發(fā)現(xiàn)對(duì)接巷道、16#軌道下山的實(shí)際應(yīng)力值與數(shù)值模擬的應(yīng)力值之間存在一定偏差，總體來看實(shí)測(cè)值要大于數(shù)值模擬值，但偏差不大，這表明所進(jìn)行的數(shù)值模擬比較符合實(shí)際情況，同時(shí)也證明現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡化程度更為嚴(yán)重，必須采取加強(qiáng)支護(hù)、撤離人員、封堵巷道的綜合安全技術(shù)措施來確保工作面的安全生產(chǎn)。