疊加擾動(dòng)下剩余煤柱應(yīng)力演化特征分析

婁 杰，徐嚴(yán)軍，柏建彪，張 棟，李 斌，卞 卡，劉 峰

(1.國(guó)能蒙西煤化股份有限公司 棋盤井煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091；4.揚(yáng)州中礦建筑新材料科技有限公司，江蘇 儀征 211400)

綜采工作面回撤通道全過程的穩(wěn)定是綜采設(shè)備安全高效回撤的基本保證。目前我國(guó)大型綜采工作面常采用預(yù)掘回撤通道[1]來加快綜采設(shè)備的回撤速度，由于支護(hù)時(shí)機(jī)及支護(hù)方式等不合理導(dǎo)致工作面末采期間回撤通道煤壁片幫、頂板臺(tái)階下沉等失穩(wěn)變形、回撤期間支架壓死、冒頂?shù)萚2-6]災(zāi)變事故屢見不鮮，嚴(yán)重制約了設(shè)備的回撤速度，同時(shí)也威脅著工作面安全高效生產(chǎn)。因此，有必要研究工作面超前支承應(yīng)力對(duì)剩余煤柱的影響規(guī)律及其疊加應(yīng)力對(duì)回撤通道的擾動(dòng)起始范圍，為回撤通道的加強(qiáng)支護(hù)提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī)。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)工作面超前支承應(yīng)力的傳播規(guī)律、剩余煤柱應(yīng)力演化特征等都展開了一定程度的研究[7-12]。然而目前對(duì)于回撤巷道的超前加固時(shí)機(jī)大多根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)或前期礦壓監(jiān)測(cè)規(guī)律確定，由于末采期間礦壓規(guī)律與正常回采階段有著明顯的差異，對(duì)于具體地質(zhì)條件下回撤通道超前加固時(shí)機(jī)的確定還需要進(jìn)行針對(duì)性的研究。以棋盤井煤礦I030901工作面回撤通道為研究背景，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的手段，分析了超前支承應(yīng)力的傳播規(guī)律及剩余煤柱應(yīng)力的時(shí)空演化特征，確定了回撤通道超前加固時(shí)機(jī)，具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工作面地質(zhì)條件

棋盤井煤礦I030901工作面布置在9號(hào)煤層中，工作面傾斜長(zhǎng)度297m，走向長(zhǎng)度447m，平均埋深440m，工作面布置如圖1所示。9號(hào)煤層平均可采厚度3.5 m，煤層平均傾角4°，直接頂為8.0m厚泥巖，基本頂為16.0m厚中砂巖，直接底為6.0m厚砂質(zhì)泥巖，基本底為8.5m厚粉砂巖。I030901工作面煤巖層柱狀如圖2所示。

圖1 I030901工作面布置

圖2 煤巖層柱狀

1.2 巷道原支護(hù)方案

I030901膠運(yùn)聯(lián)絡(luò)巷沿9號(hào)煤頂板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，寬×高=5.2m×3.5m，設(shè)計(jì)斷面18.2m2，巷道原支護(hù)斷面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 原支護(hù)斷面設(shè)計(jì)(mm)

巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案，頂板支護(hù)：錨桿采用?20mm×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900mm×900mm，配套使用120mm×120mm×10mm高強(qiáng)度拱形托盤；錨索采用?21.6mm×7200mm鋼絞線，間排距1500mm×1800mm，呈3-0-3布置，配套使用300mm×300mm×14mm鋼板托盤，配合金屬網(wǎng)支護(hù)。兩幫支護(hù)：錨桿采用?20mm×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900mm×900mm，配套使用120mm×120mm×10mm高強(qiáng)度拱形托盤，配合塑料網(wǎng)支護(hù)。在保證安全的前提下，為加快設(shè)備回撤速度、減少保護(hù)煤柱損失、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，決定對(duì)I030901膠運(yùn)聯(lián)絡(luò)巷尾段進(jìn)行超前加固后，作為工作面綜采設(shè)備回撤的安全通道。

2 剩余煤柱疊加應(yīng)力演化規(guī)律

2.1 剩余煤柱動(dòng)態(tài)應(yīng)力演化過程

煤炭地下開采活動(dòng)中，巷道掘進(jìn)和工作面的回采引起的擾動(dòng)將會(huì)打破原始地應(yīng)力平衡狀態(tài)。在巷道掘進(jìn)引起的側(cè)向支承應(yīng)力及工作面回采引起的超前支承應(yīng)力的疊加作用下，回撤通道與工作面之間的剩余煤柱內(nèi)部依次形成塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[4]。在前人研究[11，13，14]的基礎(chǔ)上，將工作面推進(jìn)過程中，剩余煤柱上方垂直應(yīng)力的演化過程分為5個(gè)階段，如圖4所示。

圖4 不同回采階段剩余煤柱應(yīng)力演化過程

圖4中，γ為煤層上方巖層平均容重，kN/m3；H為煤層平均埋藏深度，m；ki為工作面超前支承應(yīng)力或回撤通道側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù)。

1)應(yīng)力重新分布階段。當(dāng)回撤通道與工作面距離較遠(yuǎn)時(shí)，巷道掘進(jìn)引起的側(cè)向支承應(yīng)力和工作面回采引起的超前支承應(yīng)力并未發(fā)生疊加，剩余煤柱中部存在彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

2)應(yīng)力快速增長(zhǎng)階段。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，回采產(chǎn)生的超前支承應(yīng)力將會(huì)與掘進(jìn)產(chǎn)生的側(cè)向支承應(yīng)力疊加，剩余煤柱中部原巖應(yīng)力區(qū)消失。此階段，剩余煤柱上方仍舊存在應(yīng)力雙峰現(xiàn)象，隨著剩余煤柱的寬度逐漸縮短，應(yīng)力峰值都有不同程度的升高且超前支承應(yīng)力峰值的增長(zhǎng)較為明顯。

3)應(yīng)力平穩(wěn)增長(zhǎng)階段。工作面充分采動(dòng)后，工作面超前支承應(yīng)力的峰值趨于穩(wěn)定，并繼續(xù)向前傳播與側(cè)向應(yīng)力疊加，此時(shí)，煤柱中部彈性區(qū)逐漸減小，側(cè)向支承應(yīng)力峰值明顯升高。

4)應(yīng)力疊加增長(zhǎng)階段。在工作面繼續(xù)向前推進(jìn)過程中，隨著疊加應(yīng)力程度的不斷增高，煤柱中部彈性區(qū)消失，應(yīng)力雙峰轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力單峰。此階段，疊加應(yīng)力超過煤柱自身強(qiáng)度，煤柱全區(qū)處于塑性屈服狀態(tài)，應(yīng)力集中程度達(dá)到最大。

5)應(yīng)力后方轉(zhuǎn)移階段。剩余煤柱在疊加應(yīng)力的作用下，承載能力急劇下降。此階段，煤柱上方的疊加應(yīng)力程度降低但應(yīng)力峰值仍大于原巖應(yīng)力，上覆巖層對(duì)煤柱的作用力全部由回撤通道后方煤體、工作面支架和采空區(qū)冒落矸石共同承擔(dān)，應(yīng)力峰值逐漸向巷道后方轉(zhuǎn)移。

因此，有必要針對(duì)I030901工作面前方應(yīng)力場(chǎng)矢量特征及剩余煤柱上方的應(yīng)力時(shí)變演化規(guī)律進(jìn)行研究，從而為工作面末采階段的安全高效回采提供必要的理論及數(shù)據(jù)支撐。

2.2 疊加應(yīng)力擾動(dòng)起始范圍

由前述研究可知，隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，在回撤通道與工作面貫通前，如果不能提前對(duì)回撤通道圍巖進(jìn)行合理的加強(qiáng)支護(hù)，最終將造成回撤通道圍巖災(zāi)變失穩(wěn)。因此，需要分析巷道掘進(jìn)引起的側(cè)向應(yīng)力及工作面回采引起的超前應(yīng)力疊加擾動(dòng)的起始范圍，保證回撤通道在回撤全過程的穩(wěn)定。基于極限平衡理論[15]建立如圖5所示的剩余煤柱力學(xué)模型，對(duì)疊加應(yīng)力的起始擾動(dòng)距離進(jìn)行理論分析，為回撤通道的超前加固時(shí)機(jī)提供必要的理論依據(jù)。

圖5 剩余煤柱力學(xué)模型

圖5中，σx為煤體所受水平應(yīng)力，MPa；σy為滑動(dòng)面所受垂直應(yīng)力，MPa；σ0為超前支承應(yīng)力在煤壁處的應(yīng)力值，MPa；m為工作面開采高度，m；f為煤層與頂?shù)装鍘r層間摩擦系數(shù)；Wew為剩余煤柱工作面?zhèn)葟椥詤^(qū)寬度，m；Wpw為剩余煤柱工作面?zhèn)人苄詤^(qū)寬度，m；D2為剩余煤柱工作面?zhèn)仍瓗r應(yīng)力區(qū)寬度，m；γ為煤層上方巖層平均容重，kN/m3；H為煤層平均埋藏深度，m；其他變量意義同上。

相對(duì)整個(gè)煤系地層而言，可以將煤體近似的看作連續(xù)體，為了便于分析，對(duì)工作面前方煤體作如下假設(shè)：

1)在彈塑性交界處的煤體滿足摩爾-庫倫準(zhǔn)則[16]：

式中，c為煤體內(nèi)聚力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；其他變量意義同上。

2)在煤體彈性區(qū)與塑性區(qū)交界處滿足邊界條件：

式中，λ為煤層側(cè)壓系數(shù)；其他變量意義同上。

3)在彈性區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)交界處滿足邊界條件：

2.2.1 塑性區(qū)寬度

由式(1)兩邊同時(shí)微分可得：

由圖5可知，取塑性區(qū)域內(nèi)任意取一微元體ABCD，根據(jù)應(yīng)力平衡條件，在x方向上合力為0：

m(σx+dσx)-mσx-2fσydx=0

(5)

聯(lián)立式(5)和式(4)可得，剩余煤柱工作面?zhèn)人苄詤^(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力為：

式(6)中，C1為待定系數(shù)，根據(jù)應(yīng)力邊界條件，在工作面煤壁處，垂直應(yīng)力滿足：

σy|x=0=σ0

(7)

聯(lián)立式(5)和式(4)可求得待定系數(shù)C1，將C1代入式(6)可得，剩余煤柱塑性區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力為：

聯(lián)立式(8)和式(2)可得，剩余煤柱工作面?zhèn)人苄詤^(qū)寬度為：

2.2.2 彈性區(qū)寬度

彈性區(qū)域內(nèi)任意取一微元體A′B′C′D′，根據(jù)應(yīng)力平衡條件，在X方向上合力為0：

彈性區(qū)內(nèi)交界面上的垂直應(yīng)力為：

聯(lián)立式(11)與式(2)可知，工作面?zhèn)仁Ｓ嗝褐鶑椥詤^(qū)垂直應(yīng)力為：

將邊界條件式(3)代入式(12)可以得到工作面?zhèn)仁Ｓ嗝褐鶑椥詤^(qū)寬度為：

同理可得，剩余煤柱回撤通道側(cè)塑性區(qū)及彈性區(qū)的寬度分別為：

2.2.3 疊加應(yīng)力擾動(dòng)臨界寬度

由式(9)、式(13)及式(14)可得，回撤通道開始受到疊加應(yīng)力擾動(dòng)時(shí)的剩余煤柱臨界寬度為：

根據(jù)邊界條件可知，在剩余煤柱兩側(cè)煤壁邊緣處應(yīng)力狀態(tài)滿足：

將邊界條件式(16)代入到式(15)，最終得到剩余煤柱的臨界寬度為：

(17)

由式(17)可知，巷道開始受到疊加應(yīng)力擾動(dòng)的起始距離的影響因素主要有：煤體內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、應(yīng)力集中系數(shù)、埋藏深度、上覆巖層平均容重、側(cè)壓系數(shù)、煤巖層界面摩擦系數(shù)。

根據(jù)I030901工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，平均埋深H=440m，上覆巖層平均容重γ=2500kN/m3，側(cè)壓系數(shù)λ=0.43，巷道側(cè)支護(hù)強(qiáng)度px=0.2MPa，工作面煤壁側(cè)支護(hù)阻力Px=0.1MPa；實(shí)驗(yàn)室測(cè)定9號(hào)煤層內(nèi)聚力為c=1.51MPa，內(nèi)摩擦角φ=34°；現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)測(cè)側(cè)向支承應(yīng)力集中系數(shù)k1=1.28，超前支承應(yīng)力集中系數(shù)k2=1.84；根據(jù)文獻(xiàn)[17]所述，煤巖層界面摩擦系數(shù)f=tanφ。將相關(guān)參數(shù)代入到式(19)可得，I030901工作面回撤通道受到疊加應(yīng)力擾動(dòng)時(shí)剩余煤柱的寬度為102.48m。

3 疊加應(yīng)力傳播規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

第2章用理想化模型分析了剩余煤柱上方的應(yīng)力演化規(guī)律及其影響起始范圍，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過程中，工作面超前應(yīng)力傳播規(guī)律較為復(fù)雜，采用簡(jiǎn)化的力學(xué)模型分析實(shí)際問題，極有可能會(huì)造成較大的誤差。為進(jìn)一步研究I030901工作面回采前方超前應(yīng)力傳播規(guī)律及剩余煤柱應(yīng)力演化特征，根據(jù)I030901工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，利用FLAC3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型模擬I030901工作面回采過程，分析剩余煤柱上方垂直應(yīng)力演化規(guī)律，為回撤通道的超前加固提供可靠的依據(jù)。模型尺寸為，長(zhǎng)×寬×高=170m×70m×80m，X方向?yàn)楣ぷ髅孀呦颍琘方向?yàn)楣ぷ髅鎯A向；設(shè)計(jì)回撤通道開挖尺寸為寬×高=5.2m×3.5m，開采高度為3.5m，數(shù)值計(jì)算模型如圖6所示。模型左右邊界及底部邊界均采用固定位移來限定邊界，頂部施加10.0MPa等效上覆巖層載荷。模型中塊體采用摩爾—庫倫本構(gòu)關(guān)系，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖6 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型

為便于對(duì)不同剩余煤柱寬度下煤柱垂直應(yīng)力演化的精確捕捉，本次模擬I030901工作面回采過程，每5m開挖一次并計(jì)算平衡。

3.2 剩余煤柱上方應(yīng)力疊加效應(yīng)分析

為進(jìn)一步量化分析煤柱上方垂直應(yīng)力變化趨勢(shì)，在煤層上方設(shè)置測(cè)點(diǎn)，不同剩余煤柱上方垂直應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 剩余煤柱垂直應(yīng)力演化規(guī)律

由圖7綜合分析可知：

1)剩余煤柱寬度為100～120m時(shí)，由于回撤通道與工作面距離較遠(yuǎn)，煤柱上方應(yīng)力狀態(tài)基本穩(wěn)定，側(cè)向支承應(yīng)力與超前應(yīng)力沒有產(chǎn)生疊加，應(yīng)力雙峰呈近似“馬鞍”型[18]。此階段煤柱處于原巖應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，側(cè)向應(yīng)力峰值為15.1MPa，超前應(yīng)力峰值為17.8MPa。

2)剩余煤柱寬度為70～100m時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，超前應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力開始產(chǎn)生疊加，超前應(yīng)力峰值處于快速上升階段，側(cè)向應(yīng)力峰值相對(duì)穩(wěn)定。此階段煤柱中部原巖應(yīng)力區(qū)消失，煤柱處于應(yīng)力弱擾動(dòng)區(qū)，側(cè)向應(yīng)力峰值在15.1～15.8MPa之間，超前應(yīng)力峰值在21.6～32.8MPa之間。

3)剩余煤柱為15～70m時(shí)，超前應(yīng)力峰值趨于平穩(wěn)，側(cè)向應(yīng)力峰值在超前應(yīng)力的疊加影響下，處于快速上升階段，煤柱上方應(yīng)力集中程度也顯著增高，應(yīng)力雙峰呈近似“鯊魚嘴”型。當(dāng)煤柱寬度為20～30m時(shí)，煤柱中部絕大部分煤體處于高應(yīng)力環(huán)境下，隨著剩余煤柱寬度的進(jìn)一步減少，煤柱即將進(jìn)入屈服狀態(tài)，煤柱失穩(wěn)的可能性增大。此階段，煤柱處于應(yīng)力強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)[19]，超前應(yīng)力峰值在37.1～37.3MPa，側(cè)向應(yīng)力峰值在15.8～24.3MPa之間。

4)剩余煤柱由15m變?yōu)?0m時(shí)，應(yīng)力雙峰現(xiàn)象消失，應(yīng)力單峰呈近似“子彈頭型”且應(yīng)力峰值明顯升高，應(yīng)力峰值最大41.7MPa，工作面剩余煤柱失穩(wěn)的危險(xiǎn)性達(dá)到最大，煤柱處于應(yīng)力劇烈擾動(dòng)區(qū)。當(dāng)剩余煤柱為5m時(shí)，煤柱應(yīng)力峰值相對(duì)剩余煤柱10m條件下有所降低但已經(jīng)超過了10m煤柱時(shí)巷道側(cè)向應(yīng)力峰值，應(yīng)力集中現(xiàn)象向巷道后方轉(zhuǎn)移，工作面剩余煤柱進(jìn)入破壞階段，完全喪失承載能力，煤柱處于應(yīng)力后方轉(zhuǎn)移區(qū)[20]。由于此時(shí)回撤通道與工作面并未貫通，頂板懸臂梁傳遞的載荷完全由回撤巷道后方煤體與工作面支架承擔(dān)，在回撤通道與工作面之間“空頂”面積增加，加劇了頂板拉伸裂紋的發(fā)育程度，極有可能誘發(fā)頂板臺(tái)階下沉最終導(dǎo)致工作面壓架事故的產(chǎn)生。

5)由數(shù)值模擬結(jié)果可知，疊加應(yīng)力的起始擾動(dòng)范圍為剩余煤柱寬度100m時(shí)，與理論確定的超前加固時(shí)機(jī)具有一致性?？紤]到施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)施工效率問題，富裕系數(shù)設(shè)為1.5，即回撤通道在超前工作面150m范圍外，需要對(duì)回撤通道全段完成超前加固。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證理論計(jì)算與數(shù)值模擬分析結(jié)果的合理性，現(xiàn)場(chǎng)利用鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)工作面前方應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，測(cè)站布置如圖8所示，超前支承壓力測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖8 應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)站

由圖9可知：

1)隨著工作面推進(jìn)，工作面前方煤體內(nèi)部垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先上升而后迅速降低的趨勢(shì)，運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)3#監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在超前工作面100m范圍內(nèi)，煤體應(yīng)力處于升高階段，測(cè)點(diǎn)1#和測(cè)點(diǎn)2#監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，超前應(yīng)力的影響范圍在90m左右。

2)回風(fēng)巷測(cè)站監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，工作面前方100m范圍內(nèi)的煤體處于超前應(yīng)力的影響范圍內(nèi)。

3)雖然現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果受開采條件及生產(chǎn)環(huán)境的影響，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果存在一定的誤差，但對(duì)于理論研究工作面開采引起的超前應(yīng)力的擾動(dòng)范圍具有一定的參考意義。

圖9 超前應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

1)基于超前應(yīng)力傳播規(guī)律，分析了剩余煤柱應(yīng)力演化的五個(gè)階段，即應(yīng)力重新分布階段、應(yīng)力快速增長(zhǎng)階段、應(yīng)力平穩(wěn)增長(zhǎng)階段、疊加應(yīng)力增長(zhǎng)階段、應(yīng)力后方轉(zhuǎn)移階段。

2)數(shù)值模擬反演獲得了工作面前方區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)矢量特征，即剩余煤柱100～120m時(shí)為原巖應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，剩余煤柱70～100m時(shí)為應(yīng)力弱擾動(dòng)區(qū)，剩余煤柱15～70m為應(yīng)力強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)，剩余煤柱5～15m為應(yīng)力劇烈擾動(dòng)區(qū)，剩余煤柱0～5m為應(yīng)力后方轉(zhuǎn)移區(qū)。

3)理論分析與數(shù)值模擬綜合確定了回撤通道超前加固時(shí)機(jī)，即剩余煤柱寬度超過150m。

4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，距離工作面煤壁前方100m范圍內(nèi)，煤體內(nèi)部應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，處于采動(dòng)應(yīng)力的擾動(dòng)影響范圍內(nèi)。