蒙陜地區(qū)強沖擊煤層塑性小煤柱沿空回采期間破壞規(guī)律研究

白俊杰，王健健

(1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300；2.陜西煤礦安全裝備檢測中心有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

納林河礦區(qū)位于鄂爾多斯市東勝煤田西邊，該礦井田構造形態(tài)總體為一向西傾斜的單斜構造，地層傾角1°～3°，主采煤層平均埋深550 m，具有強沖擊傾向性，布置300 m超長大采高綜采工作面。為了降低臨空側順槽沖擊風險，回風順槽采用沿空小煤柱6.6 m布置技術。已有研究表明沿空小煤柱掘進成巷后呈塑性狀態(tài)[1]，但深部開采[2-3]、超長大采高工作面大尺度覆巖垮落[4]和相鄰采空區(qū)側向支撐壓力等多種因素造成沿空塑性小煤柱回采期間變形破壞規(guī)律的特殊性。筆者采用固定工作面法對塑性小煤柱監(jiān)測應力值進行統(tǒng)計分析后劃分4個階段；再依據(jù)黑箱理論[5]，對3個觀測站附近的煤體力學參數(shù)等內外部因素和不同觀測站的同一階段監(jiān)測應力值進行無差別對待，建立受力單元模型，利用Surfer 15軟件[6]繪制4個階段的應力等值線云圖，提出有效塑性支撐面積指標，揭示了塑性小煤柱變形破壞的基本規(guī)律。

1 概述

1.1 工作面概況

該礦主采煤層平均厚度6 m，布置超長大采高綜采工作面，埋深約600 m，兩側順槽均沿煤層底板布置，相鄰上側的工作面已回采結束，本工作面回風順槽采用沿空小煤柱布置，小煤柱凈寬度6.6 m，回風順槽3.8 m×5.8 m(高×寬)，如圖1所示。工作面上覆巖層結構統(tǒng)計見表1。

圖1 工作面傾向布置示意Fig.1 The tendency layout of the working face

表1 工作面上覆巖層結構統(tǒng)計Table 1 Statistics on the structure of the overlying rock on the working face

1.2 煤層物理力學指標

經鑒定，主采煤層具有強沖擊傾向性，見表2，綜合指數(shù)為0.67，沖擊危險等級為中等。

表2 煤層沖擊傾向性鑒定結果Table 2 Identification results of coal seam bursting liability

1.3 小煤柱支護狀況

回風順槽沿空小煤柱采用“錨網索+鋼帶”進行支護。錨桿為φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強度不小于500 MPa，安裝預緊扭矩不小于300 N·m，錨桿間排距800×900 mm；錨索規(guī)格為φ21.8 mm×3 750 mm(1×19股)高強度低松弛預應力鋼絞線，安裝張緊強度不小于30 MPa，間排距1 500 mm×2 000 mm。鋪設φ8 mm鉛絲、網孔40 mm×40 mm的菱形鉛絲網，并滯后掘進迎頭200 m進行噴漿封閉處理。回采期間回風順槽超前0～50 m采用6臺垛架(ZZ16000/26/44D)支護，超前50～200 m采用ZQ5000/25/44單元支架支護。

2 小煤柱鉆孔應力計布置情況

超前工作面回采動壓影響300 m以外，在小煤柱幫部腰線1.5 m高處布置煤體鉆孔應力計3組，1#、2#和3#觀測站相鄰組間距分別為60 m、50 m，4孔/組，深度分別為1 m、2 m、3 m和4 m，應力計初始油壓6 MPa。如圖2所示。

圖2 小煤柱煤體鉆孔應力計布置平面示意Fig.2 Layout of borehole stress gauges for small coal pillars

3 小煤柱鉆孔應力監(jiān)測結果

3.1 基于應力值變化的分區(qū)劃分

隨著工作面的回采，塑性小煤柱逐步承壓[7]，其內部煤體鉆孔應力計監(jiān)測值開始變化，基于固定工作面法，對1#觀測站的應力監(jiān)測值及其變化進行統(tǒng)計分析，如圖3所示。

圖3 基于鉆孔應力監(jiān)測值變化的分區(qū)劃分結果Fig.3 Partition division results based on changes in borehole stress monitoring values

超前50～100 m范圍應力監(jiān)測值基本不變，應力值介于3.6～5.7 MPa，除深度4 m處應力監(jiān)測值小幅降低之外，其余深度1 m、2 m和3 m處的應力監(jiān)測值未出現(xiàn)明顯變化，此階段處于塑性穩(wěn)定階段。

超前0～50 m范圍應力監(jiān)測值，深度1 m、2 m和3 m處應力計監(jiān)測值先略微小幅升高后又小幅度降低，深度4 m處應力計監(jiān)測值基本保持不變，小煤柱內部開始出現(xiàn)變形、位移，此階段處于塑性破壞初始階段。

滯后工作面0～40 m采空區(qū)范圍各監(jiān)測位置的應力監(jiān)測值升降幅度各異，深度為1 m和3 m處應力計監(jiān)測值快速升高至10 MPa左右，升高幅度5～6.5 MPa；深度為2 m和4 m處應力計監(jiān)測值快速下降至不足2 MPa，降低幅度4～6 MPa，說明塑性小煤柱內部出現(xiàn)不均勻的變形和位移，甚至局部出現(xiàn)大變形、大位移，此階段處于破裂失穩(wěn)階段[8]。

滯后工作面40～80 m采空區(qū)范圍應力監(jiān)測值快速下降，直至為零(監(jiān)測纜線被壓斷路)，此階段處于采空區(qū)壓實階段[9]。

3.2 分階段應力演化規(guī)律分析

在上述固定工作面方法基礎上，鑒于煤體為非連續(xù)固體介質[10]，并且臨空小煤柱內部存在極為復雜的應力環(huán)境，依據(jù)黑箱理論，對3組監(jiān)測點出的煤巖體狀態(tài)、力學性能及應力環(huán)境等因素進行無差別對待[11]，將1#、2#和3#觀測站按1 m等間距均勻分布在走向11 m長度范圍的小煤柱內部。在此基礎上，在塑性小煤柱幫部的應力測點布置高度(巷道腰線1.5 m處)建立水平切面的單元模型，尺寸為6.6 m×11 m，以模型左下角為起始點(0，0)建立局部坐標系，走向監(jiān)測范圍長度X∈(0，11)，小煤柱寬度Y∈(0，6.6)，采用Surfer 15軟件對應力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出4個階段的應力等值線云圖[12]，如圖4所示。

由圖4分析可知：①超前50～100 m范圍處于塑性支撐階段。模型內2～6.5 MPa應力面積占總面積的80%以上，此階段小煤柱基本穩(wěn)定，應力水平基本不變，最大應力值為5.0～6.5 MPa。②超前0～50 m范圍處于塑性破壞初始階段。模型內2～6.5 MPa應力面積占總面積的65%左右，應力先略微升高后小幅度降低，塑性小煤柱內部開始出現(xiàn)變形、位移。③滯后工作面0～40 m采空區(qū)范圍處于破裂失穩(wěn)階段。模型內2～6.5 MPa應力面積占總面積的45%左右，小煤柱內部應力升降幅度各異，開始出現(xiàn)大變形、大位移。④滯后工作面40～80 m采空區(qū)范圍處于壓實階段。模型內2～6.5 MPa應力面積占總面積的25%以下，小煤柱應力快速下降(監(jiān)測線斷路)，此階段塑性支撐區(qū)域呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，且局部最大應力值僅4～5 MPa。

隨著工作面的回采，小煤柱先后經歷了塑性支撐狀態(tài)、塑性破壞初始階段、塑性破壞失穩(wěn)階段和壓實階段。在塑性小煤柱承載受壓過程中，可將應力值大于2.0 MPa的面積初步視為有效塑性支撐面積。在4個階段中塑性支撐面積占比逐步縮小，分別占比80%以上、65%、45%和25%以下，前3個階段塑性承載面積內的應力梯度逐步增大，呈現(xiàn)離散化趨勢，且在塑性破壞初始階段至塑性破壞失穩(wěn)階段的2個階段最為明顯，最終造成小煤柱內部出現(xiàn)不均勻位移，甚至局部地段形成拉伸和剪切破壞，加劇了小煤柱的整體變形失穩(wěn)破壞。

3.3 小煤柱支撐能力分階段變化規(guī)律

對圖4中4個階段的應力等值線云圖，按梯度Δσ=0.5 MPa劃分的各應力梯度單元面積si，對單元模型內應力進行積分，分析整體支撐能力F的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖4 4個階段小煤柱內部應力等值線云圖Fig.4 Internal stress contour map of small coal pillars in four stages

圖5 4個階段小煤柱支撐能力分階段變化曲線Fig.5 Stage-by-stage change curve of the support capacity of small coal pillars in 4 stages

(1)

基于以上數(shù)據(jù)，對式(1)進行計算，結果見表3所列，后3個階段支撐能力分別較前一階段出現(xiàn)不同程度的降低，各階段的小煤柱整體承載能力呈現(xiàn)塑性-弱支撐的性能。塑性破壞初始階段的塑性支撐能力下降幅度達到47.09%，塑性支撐面積占比下降至65%，因此，在塑性小煤柱回采期間應做好支護強度和回采速度的平衡管控，確保沿空塑性小煤柱巷道在回采服務期間超前50 m范圍內不會出現(xiàn)大尺度位移和提前失穩(wěn)破壞。

表3 單元模型小煤柱支撐能力分階段統(tǒng)計Table 3 Stage-by-stage statistics of the support capacity of small coal pillars in the unit model

4 結論

(1)塑性狀態(tài)的小煤柱，回采期間呈現(xiàn)出明顯的4個階段應力演化特征，直至完全破壞失穩(wěn)。

(2)塑性小煤柱受壓承載過程中，有效塑性支撐面積占比逐步縮小且呈現(xiàn)離散化，整體承載能力呈現(xiàn)塑性-弱支撐的性能和逐步降低的趨勢，避免了在采空區(qū)出現(xiàn)支撐性煤柱的沖擊隱患。

(3)有效塑性支撐面積作為塑性小煤柱變形破壞關鍵指標，應平衡好塑性小煤柱在塑性破壞初始階段的服務時間和支護強度的關系，通過優(yōu)化布置位置、應力環(huán)境、支護等人工干預手段對其面積占比及離散化的發(fā)展程度進行有效地控制，避免塑性小煤柱提前出現(xiàn)大變形、大位移，制約工作面安全生產。