煤柱下開切巷應(yīng)力分布分析及治理研究

劉永紅，李 康，曹民遠(yuǎn)，杜濤濤

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

在礦山的采掘過(guò)程中，針對(duì)煤層群開采，我國(guó)多采用下行開采的方式進(jìn)行回采，即先采上煤層，后進(jìn)行下層煤回采。但由于煤炭的產(chǎn)生過(guò)程中環(huán)境和地質(zhì)條件的差異及復(fù)雜性使得最終形成的煤炭資源的特征以及賦存條件等都存在很大的不同，加之生產(chǎn)技術(shù)能力、煤層可采的經(jīng)濟(jì)性等人為因數(shù)的影響，難免在開采上覆煤層時(shí)會(huì)遺留煤柱，造成下煤層回采期間進(jìn)出煤柱邊界礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重、巷道變形底鼓、甚至誘發(fā)沖擊地壓等事故[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)遺留煤柱所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題開展了深入的研究。澳大利亞學(xué)者Galvin and hebblewhite[4]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)遺留煤柱穩(wěn)定性做了研究；鞠金峰，許家林[5]對(duì)工作面出煤柱階段動(dòng)載礦壓發(fā)生的機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了下部煤層關(guān)鍵層斷裂、失穩(wěn)是因?yàn)槊褐戏絻申P(guān)鍵塊體隨下部巖層的下移而發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的；陳冬冬，何富連等[6]對(duì)煤柱懸空側(cè)基本頂?shù)钠茢嘈螒B(tài)與煤柱寬度、支承系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，提出一側(cè)煤柱時(shí)，基本頂厚度較小，煤柱寬度、煤柱支承系數(shù)較大時(shí)，深入煤柱區(qū)基本頂?shù)纳媳砻鏁?huì)發(fā)生破斷，基本頂出現(xiàn)長(zhǎng)邊偏煤柱側(cè)深入煤壁上表面—中部下表面或體煤側(cè)短邊深入煤壁上表面—煤柱區(qū)的上表面的破壞現(xiàn)象，最終裂隙貫通發(fā)生破斷；鮑鳳其[7]利用數(shù)值模擬對(duì)煤柱下應(yīng)力高低與煤柱尺寸進(jìn)行研究，提出具有穩(wěn)定性的煤柱柱腳處容易形成應(yīng)力集中區(qū)；鄭百勝[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)情況模擬，闡述了近距離煤層煤柱下開采時(shí)，煤柱應(yīng)力集中區(qū)與超前支承壓力相互作用形成的高應(yīng)力是沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害的誘發(fā)因素。在前人學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合神新公司寬溝煤礦B2煤層W1123工作面回采過(guò)上部B4煤層開切眼煤柱的礦壓顯現(xiàn)情況，進(jìn)一步精準(zhǔn)確定B4煤層遺留煤柱對(duì)下部B2煤層的影響范圍，劃分應(yīng)力集中區(qū)，從而確定治理優(yōu)化方案，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

1.1 開切巷煤柱概況

寬溝煤礦位于新疆呼圖壁縣城西南70km的雀爾溝鎮(zhèn)。礦區(qū)主要可采煤層自上往下為B4、B3、B2、B1、B0煤層，東、西雙翼布置工作面?，F(xiàn)回采煤層為B2煤層，煤層平均厚度為9.5m，傾角為14°。目前正在生產(chǎn)的工作面為西翼第2個(gè)綜放工作面W1123工作面，W1123工作面傾斜長(zhǎng)度192m，可采走向長(zhǎng)度1470m，其北部為已回采完畢的W1121工作面，工作面之間有15m的區(qū)間煤柱；因B4煤層西翼回采經(jīng)濟(jì)價(jià)值低，工作面布置短，因此W1123工作面走向上里程0～740m上部為W1145工作面采空區(qū)，且與上部采空區(qū)外錯(cuò)71m，形成開切巷煤柱，開切巷煤柱分布如圖1所示。

圖1 開切巷煤柱分布圖

1.2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)寬溝煤礦地質(zhì)資料，B2煤層上部35.9m為B3實(shí)體煤層，54.7m為為B4-1實(shí)體煤層。B2煤層厚度為8.62～20.84m，平均9.5m，屬特厚煤層，單軸抗壓強(qiáng)度的測(cè)試平均值為24.14MPa，具有弱沖擊傾向性。直接頂以泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，局部為中粗砂巖和細(xì)砂巖；泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖厚度為0.88～20.72m，飽和抗壓強(qiáng)度21.72～44.21MPa，平均為33.33MPa，具有強(qiáng)沖擊傾向性。B2煤層底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，厚度0.44～28.07m，平均5.76m；局部為中粗砂巖，厚度6.95～24.98m，平均厚14.11m。泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖飽和抗壓強(qiáng)度30.00～44.96MPa，平均39.73MPa，具有弱沖擊傾向性。

2 煤柱下底板中應(yīng)力傳遞規(guī)律分析

2.1 采空區(qū)側(cè)煤柱的彈塑性區(qū)寬度

煤炭被開采后，周邊的巖體受采動(dòng)影響原巖應(yīng)力發(fā)生破壞，并隨著采動(dòng)影響的減弱而重新達(dá)到平衡，形成二次應(yīng)力分布。在二次應(yīng)力重新分布后，從煤體邊緣到深部，煤體的承載力隨著遠(yuǎn)離煤體邊緣發(fā)生著由增加到平衡的過(guò)程，同時(shí)煤巖也隨著距離煤體邊緣發(fā)生著由破裂區(qū)到原始應(yīng)力區(qū)的變化。以Mohr-Coulomb為屈服準(zhǔn)則得到采空區(qū)側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度，見式(1)：

式中，k為應(yīng)力集中系數(shù)；p為支架對(duì)煤幫的阻力，kN；m為煤層開采厚度，m；C為煤體的內(nèi)聚力，MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，(°)；F為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

B4煤層的力學(xué)參數(shù)見表1。k為應(yīng)力集中系數(shù)，一般取2～4，因一側(cè)為采空煤體，取3[9]。W1145綜放工作面設(shè)計(jì)采高3.2m，支架對(duì)煤壁的阻力8MPa。以平均埋深342m計(jì)算W1145工作面開切巷煤柱側(cè)X0塑性區(qū)寬度為6.12m。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)力降低區(qū)寬度的變化范圍為2～7m，取其最大7m[9]，得上部煤柱應(yīng)力變形集中區(qū)為13.12m。

表1 B4煤層力學(xué)參數(shù)表

2.2 煤柱支承壓力在底板中的鉛直應(yīng)力的分布

2.2.1 煤柱邊緣側(cè)均壓載荷計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)外研究都認(rèn)為煤柱上的載荷是由煤柱上方的巖石重量與采空區(qū)側(cè)處于懸頂狀態(tài)下巖石重量的總和。根據(jù)寬溝煤礦采空區(qū)巖石垮落角，且一側(cè)為采空區(qū)，依據(jù)三角形荷載理論，可得煤柱上的總載荷Q為：

式中，B為煤柱寬度，m；D為采空區(qū)寬度，m；H為煤層埋深，m；r為上覆巖石的平均體積力，kN/m3；φ為采空區(qū)巖石垮落角，(°)。

因煤柱側(cè)為長(zhǎng)度700m的實(shí)體區(qū)，遠(yuǎn)離煤柱邊緣則煤體中的支承應(yīng)力與原巖應(yīng)力大致相同，因此將煤柱邊緣的應(yīng)力集中區(qū)可視為煤柱研究，則塑性區(qū)域煤柱單位面積的均壓p為：

相關(guān)參數(shù)見表2，通過(guò)式(2)計(jì)算得出W1145開切眼煤柱邊緣側(cè)均壓所受載荷為88.23MPa。

表2 煤柱參數(shù)表(行列轉(zhuǎn)置)

2.2.2 W1145開切巷煤柱對(duì)下部B2煤層W1123工作面應(yīng)力影響范圍計(jì)算

依據(jù)土力學(xué)理論，集中力P作用在半無(wú)限的平面上，對(duì)平面下方任一點(diǎn)M的垂直應(yīng)力δZ為：

對(duì)式(4)和(5)進(jìn)行計(jì)算，可以得集中力P作用下，任一點(diǎn)M垂直應(yīng)力δz為：

由式(6)可得到，上層煤柱影響下某點(diǎn)的鉛直應(yīng)力δz，從而了解上層采空區(qū)殘留煤柱對(duì)下一煤層在距離上的影響趨勢(shì)。將W1145開切巷煤柱邊緣側(cè)所受載荷依據(jù)支承壓力在底板中的傳遞規(guī)律，即代入式(6)得到垂直應(yīng)力在同一水平上影響趨勢(shì)，垂直應(yīng)力隨距離影響趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可知，在距離W1145開切巷平面位置60m時(shí)，下部巖層賦存的應(yīng)力明顯升高，距離為10～20m應(yīng)力賦存達(dá)到最大；距離W1145終采線10m時(shí)，應(yīng)力集中程度開始降低；當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)下方35m后，采空區(qū)下方的應(yīng)力值恢復(fù)至開采前的應(yīng)力水平，煤柱影響區(qū)變小。

圖2 垂直應(yīng)力隨距離影響趨勢(shì)

3 過(guò)上部開切眼煤柱數(shù)值模擬分析

3.1 過(guò)W1145開切巷前后下部煤層應(yīng)力變化因數(shù)分析

當(dāng)W1123工作面在實(shí)體煤柱區(qū)域下時(shí)，工作面運(yùn)輸巷區(qū)域受到以W1121采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力、本工作面超前支承應(yīng)力及上部B4煤層W1143回采后的邊界煤柱應(yīng)力等三種作用力形成的遠(yuǎn)近場(chǎng)應(yīng)力集中區(qū)，如圖3(a)所示。當(dāng)W1123工作面回采進(jìn)入W1145工作面采空區(qū)下部時(shí)，工作面應(yīng)力發(fā)生了調(diào)整：工作面運(yùn)輸巷區(qū)域因上部解放層的開采，只受W1121側(cè)向應(yīng)力及超前支承應(yīng)力的影響，應(yīng)力強(qiáng)度減弱，而工作面回風(fēng)巷區(qū)域則增加了來(lái)自上部B4煤層W1145采空區(qū)回采后的邊界煤柱應(yīng)力作用，如圖3(b)所示，大大增加了沖擊危險(xiǎn)。

圖3 開切巷前后下部工作面受力因數(shù)分析

3.2 過(guò)W1145開切巷前后工作面前方應(yīng)力演化過(guò)程

通過(guò)模擬了解距離100m位置W1123工作面向W1145采空區(qū)推進(jìn)過(guò)程中工作面前方應(yīng)力的演化，如圖4所示。工作面在向上部采空區(qū)推進(jìn)過(guò)程中，工作面前方的煤巖體隨著距離開切巷越近煤巖體內(nèi)賦存的應(yīng)力上升，應(yīng)力由8.5MPa升至最大值為23MPa，在距離開切巷20m位置前后達(dá)到最大；隨著工作面進(jìn)入開切巷位置(距離0m)，處于采空區(qū)下方的工作面因受上部解放層的影響，前方煤巖層內(nèi)的應(yīng)力大幅度減弱，并隨著遠(yuǎn)離開切巷，應(yīng)力逐步趨于穩(wěn)定；同時(shí)工作面運(yùn)輸巷因上部解放層(W1145工作面)回采，應(yīng)力只受本煤層側(cè)向應(yīng)力影響，上部煤柱應(yīng)力向上層邊界轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致應(yīng)力作用于本工作面上部，從而后期工作上部為治理重點(diǎn)。

圖4 距開切眼不同距離推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力變化云圖

3.3 開切巷煤柱前后下部煤層應(yīng)力變化

根據(jù)數(shù)值模擬分析，處于W1145開切巷實(shí)體煤柱下時(shí)，下部B2煤層隨著臨近上部開切巷煤柱邊緣，煤層應(yīng)力逐步增加，同時(shí)受到相鄰工作面?zhèn)认驊?yīng)力的共同作用，距離本煤層采空區(qū)15m處的煤層應(yīng)力激增速度最快，尤其是距離開切巷20～30m區(qū)域時(shí)，應(yīng)力可達(dá)峰值47MPa；當(dāng)進(jìn)入W1145采空區(qū)后，原高應(yīng)力區(qū)域(距離本煤層采空區(qū)15m處)壓力大幅度降低，應(yīng)力由47MPa降至16MPa，但同時(shí)受W1145回采后上邊界煤柱的影響，邊界垂直投影向上部70m范圍內(nèi)的B2煤層應(yīng)力升高，應(yīng)力由9MPa上升至21MPa，隨著遠(yuǎn)離上邊界煤柱140m左右，應(yīng)力趨于原巖應(yīng)力。因此可知，上部B4煤層遺留煤柱對(duì)下部B2煤層的影范圍可達(dá)到140m，其中距離上部煤柱60～70m之內(nèi)為應(yīng)力影響顯著區(qū)，30m之內(nèi)為應(yīng)力影響強(qiáng)烈區(qū)。

圖5 W1145開切巷對(duì)下部煤層的影響

4 過(guò)應(yīng)力集中區(qū)對(duì)策

根據(jù)煤柱下應(yīng)力傳播的特征，結(jié)合寬溝煤礦沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理特性，采用頂板深孔預(yù)裂爆破及巷道切頂爆破可以有效的減弱煤柱對(duì)下部工作面的影響，使頂板規(guī)律性垮落，及時(shí)釋放煤巖層中的應(yīng)力。

4.1 工作面頂板深孔超前預(yù)裂爆破

沿著巷道走向布置鉆孔，每10m一組炮孔，炮眼布置垂直于巷道中心線，鉆孔深度33～58m，封孔深度在煤層以上4m，同組炮孔一次性爆破，如圖6所示。

圖6 頂板深孔超前預(yù)裂爆破布置圖

4.2 回采巷道側(cè)向切頂預(yù)裂爆破

因受上部W1145工作面開采形成的覆巖空間結(jié)構(gòu)影響，下部煤巖體存在一定的應(yīng)力集中，因回采巷道為弱面及沖擊顯現(xiàn)區(qū)易發(fā)生沖擊，基于此因素考慮，特在工作面兩回采巷道實(shí)施側(cè)向頂板爆破。當(dāng)處于W1145實(shí)體區(qū)域下時(shí)，強(qiáng)化W1123工作面運(yùn)輸巷防沖治理，在運(yùn)輸巷向相鄰采空區(qū)側(cè)每組施工兩個(gè)爆破孔，孔間距10m一組，如圖7(a)所示；當(dāng)處于W1145采空區(qū)下部時(shí)，則同時(shí)增加回風(fēng)巷側(cè)向頂板爆破措施，向上部實(shí)體區(qū)頂板側(cè)每組施工一個(gè)爆破孔，孔間距10m一組，如圖7(b)所示。

圖7 工作面回采巷道頂板處理方式

5 結(jié) 論

1)采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則對(duì)B4煤層回采后煤柱側(cè)的塑性進(jìn)行計(jì)算，得出B4煤層回采后煤柱應(yīng)力變形集中區(qū)為16.7m；依據(jù)土力學(xué)理論計(jì)算可知，上部B4煤層開切巷煤柱對(duì)下部B2煤層在空間上的影響為：下煤層不斷接近上煤層開切巷煤柱在平面投影的距離時(shí)，下煤層在煤柱鉛直應(yīng)力作用下距離60m處時(shí)巖體內(nèi)賦存的應(yīng)力明顯升高，并在距離還剩10～20m位置，賦存的應(yīng)力達(dá)到最大；進(jìn)入采空區(qū)后，巖層賦存的應(yīng)力快速的降低，并在距離煤柱35m后恢復(fù)至開采前的應(yīng)力水平，受上部煤柱影響減弱。

2)結(jié)合數(shù)值模擬分析得到W1123工作面受上部B4煤層W1145工作面回采后遺留的煤柱影響范圍可達(dá)到140m，其中距離上部煤柱70m之內(nèi)為應(yīng)力影響顯著區(qū)，30m之內(nèi)為應(yīng)力影響強(qiáng)烈區(qū)；同時(shí)回采過(guò)程中受不同遠(yuǎn)近場(chǎng)應(yīng)力作用，在受不同區(qū)段煤柱影響下，工作面的應(yīng)力也隨著發(fā)生著變化。

3)根據(jù)上部遺留煤柱對(duì)下部煤層的影響范圍及應(yīng)力傳遞規(guī)律，采用超前預(yù)裂爆破、工作面兩回采巷道側(cè)向切頂方式處理頂部巖石的策略，通過(guò)破壞頂板完整性，降低煤巖體賦存彈性勢(shì)能的能力，從而實(shí)現(xiàn)下部工作面安全渡過(guò)上部開切巷煤柱應(yīng)力集中區(qū)。