特厚煤層綜放工作面變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間圍巖礦壓顯現(xiàn)特征分析

陳祥祺，李化敏，王伸，王祖洸

(河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

為提高煤炭資源采出率，大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司塔山煤礦8204-2工作面采用“刀把式”布置，從而形成兩段變寬護(hù)巷煤柱。在變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響巷道穩(wěn)定和安全生產(chǎn)。

國內(nèi)學(xué)者對煤礦巷道動力現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理及影響因素做了大量研究。竇林明等[1]認(rèn)為動靜應(yīng)力綜合作用，對煤體穩(wěn)定狀態(tài)造成影響，是誘發(fā)動力現(xiàn)象的主要原因；姜福興等[2]認(rèn)為決定沿空巷道動力災(zāi)害的關(guān)鍵因素，是高應(yīng)力差區(qū)域的應(yīng)力峰值、應(yīng)力差值、應(yīng)力梯度、煤巖體強(qiáng)度和沖擊傾向性；馬念杰等[3]認(rèn)為煤巷動力現(xiàn)象是巷道圍巖蝶形塑性區(qū)瞬時爆炸式擴(kuò)展，并以震動、聲響和煤巖體拋出的形式將儲存于巖體和圍巖系統(tǒng)中的大量彈性能快速釋放的結(jié)果；王建超等[4]認(rèn)為夾矸帶形成的應(yīng)力集中與掘進(jìn)面超前應(yīng)力疊加造成的局部應(yīng)力高度集中，是誘發(fā)掘進(jìn)工作面動力現(xiàn)象的主要原因；王軍輝等[5]認(rèn)為回采巷道發(fā)生的動力現(xiàn)象是在巷道變形破壞過程中積聚的大量彈性能量迅速釋放的過程；原德勝等[6]認(rèn)為掘進(jìn)工作面動力現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是工作面采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)靜載荷的集聚；袁瑞甫等[7]認(rèn)為煤柱區(qū)域應(yīng)力集中、煤巖具有沖擊傾向性和圍巖體結(jié)構(gòu)容易失衡等是引起動力現(xiàn)象頻發(fā)的條件；潘一山[8]認(rèn)為動力災(zāi)害的發(fā)生是煤巖介質(zhì)變形破壞、微裂紋產(chǎn)生與發(fā)展、煤體系統(tǒng)動力失穩(wěn)并釋放能量的過程；梁翠云等[9]認(rèn)為誘發(fā)煤巖體失穩(wěn)的因素有開采深度、頂?shù)装鍔A持作用、頂?shù)装迤茢?、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力集中等；王浩等[10]認(rèn)為煤巖沖擊失穩(wěn)充要條件是開采活動及礦震擾動引起的應(yīng)力偏量超過煤巖體強(qiáng)度極限，且單位時間內(nèi)煤巖系統(tǒng)釋放彈性能量與礦震應(yīng)力波輸入能量之和大于煤巖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)破壞能量；龐軍林[11]提出最大水平主應(yīng)力與工作面巷道軸向間的較大夾角是引起動力現(xiàn)象頻發(fā)的原因。

以往針對特厚煤層常規(guī)等寬區(qū)段煤柱護(hù)巷條件下的巷道圍巖變形及控制機(jī)理研究較為充分，如王鈺博[12]、許永祥等[13]、岳帥帥等[14]對特厚煤層綜放工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ姆植技把莼?guī)律進(jìn)行了研究，但對特厚煤層變寬煤柱段掘進(jìn)巷道動力現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理研究較少，此類開采條件下的巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)特征與機(jī)理尚不明確。因此，本文以塔山煤礦8204-2工作面為工程背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間圍巖動力現(xiàn)象發(fā)生特點(diǎn)、應(yīng)力場演化與破壞特征，揭示特厚煤層變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間動力現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，以期為類似條件下的巷道動力災(zāi)害分析提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔山煤礦8204-2工作面主采石炭系太原組3～5號煤層，該煤層平均埋深503.66 m，平均厚度15.05 m，傾角1°～3°，為近水平煤層。煤體單軸抗壓強(qiáng)度23.17 MPa。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸2～9層，夾矸平均累計(jì)厚度1.50 m。夾矸巖性為炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，煤層上部局部受煌斑巖侵入影響而硅化變質(zhì)。煤層上部煤質(zhì)疏松，煤體破碎，部分區(qū)域節(jié)理發(fā)育，存在空洞。煤層相對瓦斯涌出量為3.80 m3/t，絕對瓦斯涌出量為0.80 m3/min。煤層具有爆炸危險(xiǎn)性，爆炸指數(shù)為37%。煤層易自燃，自然發(fā)火期為65 d。工作面巖層柱狀圖如圖1所示。

刀把式8204-2工作面平面布置圖如圖2所示。8204-2工作面東北側(cè)與8202采空區(qū)間保留8 m煤柱，西南側(cè)為8204采空區(qū)，東南側(cè)為二盤區(qū)大巷。8204-2工作面走向長1 600 m，沿巷道掘進(jìn)方向，工作面傾向長度分別為209 m(掘進(jìn)前期)與146 m(掘進(jìn)后期)。工作面采用綜采放頂煤開采，割煤高度3.6 m，放煤高度11.4 m。

圖2 8204-2工作面平面布置圖Fig.2 Layout of panel 8204-2

根據(jù)煤柱護(hù)巷條件，沿巷道掘進(jìn)方向可分為第1個變寬煤柱區(qū)段、第2個變寬煤柱區(qū)段和實(shí)體煤區(qū)段。第1個變寬煤柱段位于停采線至中切巷之間，煤柱全長296 m，寬度由56 m逐漸線性縮減至3.6 m。第2個變寬煤柱段位于中切巷至8204工作面切巷硐室處，煤柱全長426 m，寬度由68 m逐漸縮減至6 m。

5204-2巷為8204-2工作面的區(qū)段回風(fēng)平巷，沿煤層底板掘進(jìn)。變寬煤柱高應(yīng)力區(qū)域巷道斷面采用全錨索+鋼帶+鋼護(hù)板+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如圖3所示。

圖3 巷道斷面支護(hù)參數(shù)Fig.3 Support parameters of gateway section

巷道頂板采用φ21.8 mm×10 300 mm組合錨索支護(hù)，3-2-3交替布置,對角錨索長度分別為8 300 mm和6 300 mm，排間距900 mm×900 mm。幫錨索規(guī)格φ21.8 mm×5 300 mm，排距900 mm×900 mm；巷幫下部采用1根φ22 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護(hù)。

2 變寬煤柱掘巷期間動力現(xiàn)象分析

8204工作面于2015年11月順利完成回采，經(jīng)過1 a多的穩(wěn)定后，于2017年6月開始掘進(jìn)5204-2巷。受巷道掘進(jìn)擾動的影響，在巷道掘進(jìn)過程中經(jīng)常發(fā)生“煤炮”等動力現(xiàn)象。

由于微震監(jiān)測系統(tǒng)尚未安裝到位，現(xiàn)場采用24 h不間斷跟班連續(xù)記錄“煤炮”事件?！懊号凇笔录_認(rèn)依據(jù)為巷道圍巖發(fā)出類似“放炮”聲響，“煤炮”事件等級為“強(qiáng)度較大”的確認(rèn)依據(jù)為頂板發(fā)出巨大聲響，并伴隨有顯著震動、頂板煤塊掉落、片幫等現(xiàn)象。

經(jīng)過連續(xù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)整理，得到變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間巷道動力現(xiàn)象與煤柱寬度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 “煤炮”發(fā)生次數(shù)與煤柱寬度的關(guān)系Fig.4 Relations between small-scale coal burst events and the coal pillar widths

由圖4可以看出如下特征：

(1)在第1個變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間，動力顯現(xiàn)531 次。在煤柱寬度7.9～33.5 m段內(nèi)，動力顯現(xiàn)次數(shù)平均10.44 次/d，其中，等級為強(qiáng)度較大的平均2.69 次/d；在煤柱寬度33.5～56 m及3.6～7.9 m段內(nèi)，動力顯現(xiàn)次數(shù)平均1.67 次/d，其中，強(qiáng)度較大的平均0.18 次/d。

(2)在第2個變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間，動力顯現(xiàn)2 176 次。在煤柱寬度22.4～64.4 m段內(nèi)，動力顯現(xiàn)次數(shù)平均19.54 次/d，其中，等級為強(qiáng)度較大的平均4.83 次/d；在煤柱寬度47.9～50.6 m段內(nèi)，動力現(xiàn)象顯現(xiàn)的頻次和強(qiáng)度稍低，動力顯現(xiàn)次數(shù)平均8.72 次/d，強(qiáng)度較大的平均1.89 次/d；在煤柱寬度64.4～68 m及6～22.4 m段內(nèi)，動力現(xiàn)象顯現(xiàn)次數(shù)平均1.53 次/d，無強(qiáng)度較大動力現(xiàn)象發(fā)生。

(3)在巷道掘進(jìn)期間，動力現(xiàn)象主要發(fā)生在煤柱側(cè)和巷道頂板，顯現(xiàn)區(qū)域隨掘進(jìn)進(jìn)程向前推移，主要分布于掘進(jìn)工作面后方約30 m內(nèi)。

(4)動力現(xiàn)象多發(fā)生在破煤掘進(jìn)期間，錨桿(索)支護(hù)施工、混凝土噴層施工等操作時顯現(xiàn)較少。動力現(xiàn)象顯現(xiàn)強(qiáng)烈時聲響巨大，且伴隨有頂板煤塊掉落現(xiàn)象，嚴(yán)重時在工作面后方30 m已支護(hù)區(qū)有厚達(dá)300 mm煤矸離層，產(chǎn)生局部冒頂現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 第2個變寬煤柱35.7 m處局部冒頂現(xiàn)象Fig.5 Local roof fall event at the width of the No.2 variable width coal pillar of 35.7 m

3 變寬煤柱巷道圍巖應(yīng)力場數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)8204-2工作面的地質(zhì)條件，建立數(shù)值模擬模型，如圖6所示。模型尺寸為600 m(長)×730 m(寬)×200 m(高)，模擬煤層厚15 m，埋深500 m。

圖6 數(shù)值模擬模型Fig.6 Numerical calculation model

在模型底部固定豎向位移，四周邊界固定橫向位移，頂部施加9.12 MPa的垂直應(yīng)力，以模擬上覆巖層自重壓力。模型中加入接觸面，以模擬采空區(qū)垮落后頂板與底板的接觸情況。初始應(yīng)力平衡后，首先開挖8204工作面，得到5204-2巷掘進(jìn)前的開采條件，其次進(jìn)行巷道掘進(jìn)模擬。巖層力學(xué)性質(zhì)采用摩爾-庫倫模型進(jìn)行模擬，塔山煤礦的具體地層對巖層賦予的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖7和圖8分別為變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間垂直應(yīng)力分布云圖及能量分布云圖。

圖7 變寬煤柱段垂直應(yīng)力分布Fig.7 Vertical stress distribution of the variable width coal pillar

圖8 變寬煤柱段能量分布Fig.8 Energy distribution of the variable width coal pillar

由圖7和圖8可以看出，受采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，在8204采空區(qū)邊緣煤體30～40 m段存在一條高應(yīng)力和高能量的“帶”狀區(qū)域，5204-2巷掘進(jìn)時3次貫穿這一區(qū)域，形成兩段寬度連續(xù)變化的煤柱。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of the strata

變寬煤柱寬度在35 m左右時，巷道正好經(jīng)過側(cè)向支承應(yīng)力峰值處，煤柱內(nèi)積聚的能量也最密集，較高的應(yīng)力集中和能量聚集對于巷道圍巖穩(wěn)定性極為不利。變寬煤柱寬度小于35 m時，側(cè)向應(yīng)力集中位置位于采煤側(cè)，此時煤柱側(cè)所承受的應(yīng)力較小，而采煤側(cè)煤體承受較高的應(yīng)力。變寬煤柱寬度大于35 m時，應(yīng)力集中位置位于煤柱側(cè)，此時由煤柱承受較大的應(yīng)力，能量也在煤柱側(cè)聚集。

巷道圍巖側(cè)向應(yīng)力、能量與煤柱寬度的關(guān)系如圖9所示。

圖9 巷道圍巖應(yīng)力、能量與煤柱寬度的關(guān)系Fig.9 Relations of the stress and energy of surrounding rock of gateway andthe coal pillar width

由圖9可知，巷道圍巖側(cè)向應(yīng)力、能量與煤柱寬度的關(guān)系表現(xiàn)出先增后減的趨勢，其關(guān)系曲線均呈“拱形”分布。隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖側(cè)向應(yīng)力和能量均在逐步增大，當(dāng)煤柱寬度達(dá)到35 m時，圍巖側(cè)向應(yīng)力與能量均達(dá)到最大值，分別為24.27 MPa和7.29×105J，此時，巷道圍巖處于高靜載和高能量狀態(tài)，若受巷道掘進(jìn)擾動，破壞煤巖體的穩(wěn)定狀態(tài)，極有可能發(fā)生動力現(xiàn)象。隨著煤柱寬度的繼續(xù)增加，巷道圍巖側(cè)向應(yīng)力與能量均逐步減小，直至恢復(fù)原巖應(yīng)力狀態(tài)。

4 變寬煤柱動力現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理

8204工作面回采使覆巖垮落形成采空區(qū)，破壞了原巖應(yīng)力平衡，應(yīng)力向采空區(qū)兩側(cè)煤體轉(zhuǎn)移，引起采場圍巖變形，如圖10所示。端部結(jié)構(gòu)受采空區(qū)中部下沉及其自身荷載影響，在采空區(qū)邊緣覆巖破斷線和側(cè)向采動影響線之間形成三角形滑移區(qū)，該區(qū)域整體在采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn)下沉，在煤巖體內(nèi)形成應(yīng)力集中并積累能量，產(chǎn)生的側(cè)向支承應(yīng)力使變寬煤柱及巷道圍巖處于“高靜載”和“高能量”的狀態(tài)。采空區(qū)穩(wěn)定后，側(cè)向支承壓力峰值有所降低，但范圍有所擴(kuò)大，在此過程中煤柱及下區(qū)段工作面煤體始終受支承壓力的影響。

圖10 掘進(jìn)巷道引起的圍巖應(yīng)力動態(tài)調(diào)整Fig.10 Dynamic adjustment of surrounding rock stress caused by gateway excavation

由極限平衡理論計(jì)算[15]可得，塔山煤礦特厚煤層綜放工作面?zhèn)认蛎后w應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度為34.0～36.7 m，即煤柱寬度在35 m左右時，巷道處于側(cè)向支承壓力峰值的下方，此時巷道頂板處于較高水平的靜載荷環(huán)境中，煤巖體中積聚了大量能量。受5204-2巷掘進(jìn)擾動影響，已穩(wěn)定端部結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡狀態(tài)遭到破壞，三角形滑移區(qū)在采空區(qū)側(cè)繼續(xù)回轉(zhuǎn)下沉，變寬煤柱及巷道圍巖中的應(yīng)力及能量進(jìn)一步積聚。

根據(jù)能量準(zhǔn)則，煤巖體在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時所釋放的能量大于所消耗的能量時會產(chǎn)生礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，可表示為

Eu+Ed>Ec，

(1)

式中：Eu為煤巖體中積聚的能量；Ed為采掘活動產(chǎn)生的能量；Ec為礦壓顯現(xiàn)發(fā)生時所消耗的能量。

也就是說，煤巖體中的靜載荷與采掘活動引起的動載荷疊加，超過了煤巖體的承載極限時，煤體中積聚的大量彈性應(yīng)變能以動能形式釋放，從而引起礦壓顯現(xiàn)，即

σu+σd>σcmin，

(2)

式中：σu為煤巖體中的靜載荷；σd為采掘活動引起的動載荷；σcmin為礦壓顯現(xiàn)時的最小載荷。

5 結(jié) 語

(1)特厚煤層變寬煤柱段巷道掘進(jìn)期間動力現(xiàn)象主要發(fā)生在煤柱寬度22.4～47.9 m段內(nèi)，多發(fā)生于破煤掘進(jìn)期間，動力現(xiàn)象強(qiáng)度較大時頂板發(fā)出巨大聲響，并伴隨有顯著震動、頂板煤塊掉落、片幫等現(xiàn)象。

(2)在8204采空區(qū)邊緣煤體30～40 m段內(nèi)存在一條高應(yīng)力和高能量的“帶”狀區(qū)域，巷道圍巖側(cè)向應(yīng)力和圍巖積聚的能量與煤柱寬度均為先增后減的關(guān)系，且在煤柱寬度為35 m左右時均達(dá)到最大值，分別為24.27 MPa和7.29×105J，此時巷道圍巖處于高靜載和高能量狀態(tài)。

(3)巷道掘進(jìn)擾動使采空區(qū)邊緣砌體梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡狀態(tài)受到破壞，引起圍巖應(yīng)力快速動態(tài)調(diào)整，且巷道圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裂隙發(fā)育，煤層硬度較大，煤體本身具有沖擊傾向性，當(dāng)煤巖體中的靜載荷與采掘活動引起的動載荷疊加值，超過了煤巖體的承載極限時，煤體中集聚的大量彈性應(yīng)變能以動能形式釋放，從而引起礦壓顯現(xiàn)。