異形煤柱條件下工作面采動沖擊地壓機制研究

羅永剛，閆立恒，邊戈，何俊江，陸菜平

（陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司，陜西咸陽 713602）

亭南煤礦4 號煤，經鑒定和評價均具有強沖擊危險，309 工作面位于南玉子向斜（中塬～亭口北凹陷） 東南翼，煤層傾角3°～7°，厚度4.5～8.9 m。直接頂為厚度1.2 m 左右泥巖，老頂為厚度6.5 m 左右的粗砂巖與細砂巖，直接底為厚度2.45 m左右的鋁質泥巖，老底為厚度7.8 m 左右的泥巖。工作面回風順槽為沿空掘巷，臨近307 采空區(qū)水淹區(qū)，且煤柱寬度由6 m 階梯式增大為30 m、55 m，工作面靠近向斜軸部揭露有8 條斷層。針對回采時受超前應力、“工作面見方”大采空區(qū)連空、巷道群等因素影響，沖擊風險高、治理難度大的難題，通過采用實驗室實驗、數(shù)值模擬、主被動CT 反演、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析等相結合的研究方法，對亭南煤礦3409 強沖擊煤層工作面異形煤柱條件下沖擊地壓機理、沖擊危險區(qū)精準探測以及卸壓治理綜合防治技術等進行了研究，隨著頂板厚度占比的增加，加載過程中組合試樣底板的破壞程度增強；煤層中部出現(xiàn)彈性區(qū)，煤層破壞程度增加。同時，煤巖組合試樣內部積累的能量呈增加趨勢，峰值強度也呈現(xiàn)增加趨勢。采取爆破斷頂措施后，保障了工作面頂板周期性破斷。采取小煤柱護巷工藝有效降低了煤體內應力集聚。

1 實驗室試驗

1.1 試驗目的

通過小尺度煤巖試樣的試驗，測定煤巖體變形破壞過程中的應力、變形、應變能、聲發(fā)射及電磁輻射信號，研究試樣失穩(wěn)破壞的變形場和能量場的演變規(guī)律，分析試樣特別是煤樣破壞失穩(wěn)的關鍵影響因素，揭示聲發(fā)射及電磁輻射前兆信息特征，為現(xiàn)場利用微震系統(tǒng)、電磁輻射儀、鉆孔應力在線等監(jiān)測3409 工作面的煤柱失穩(wěn)提供依據(jù)。

1.2 煤巖樣采集

（1） 取樣地點。亭南煤礦3409 工作面回風順槽側異形煤柱區(qū)域，其中煤樣直接從回風順槽巷幫選取，巖樣在回風順槽內利用鉆機鉆取。

（2） 取樣設備。煤電鉆、風鎬、地質鉆機（鉆取煤、巖芯）、切割鋸等。

（3） 取樣方法。在3409 工作面回風順槽巷幫中部位置，利用煤電鉆、風鎬等鑿區(qū)無明顯裂隙且大體規(guī)整的煤塊。利用地質鉆機在頂板鉆取巖芯，取3409 工作面回風順槽頂、底板巖芯，作為有效試樣。

（4） 取樣規(guī)格。煤樣規(guī)格大體為長×寬×高＝25 cm×25 cm×25 cm 的六面體，其高度方位應垂直煤的層理面，巖樣直徑大于70 mm（最好用直徑120 mm 或直徑150 mm 的鉆機）。要保證所采集的煤樣、巖樣不得有明顯裂隙。

1.3 試樣設計

針對本試驗共設計3 種試樣，分別為不同組合方式的煤巖試樣，試樣加工成50 mm×100 mm 標準試樣，如圖1 所示，其中，通過煤巖試樣高度比、接觸面角度等的變化研究煤柱失穩(wěn)的影響，預計加工試樣30 組。

圖1 試樣設計Fig.1 Specimen design

1.4 實驗系統(tǒng)

本試驗主要采用Landmark 370.50 巖石動靜載實驗系統(tǒng)、美國PAC 公司生產的PCI-2 全數(shù)字聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)、電磁輻射監(jiān)測儀、TS3890 型靜態(tài)應變儀（配備120-20AA 型應變片）、CCD（Basler A641f CCD） 工業(yè)相機等設備開展煤巖樣室內變形破壞及斷層滑移失穩(wěn)實驗。

設置試驗機采用位移控制模式進行應力加載，分別設置0.3、0.45、0.6、0.75、0.9 mm/min 等不同加載速度，研究開采強度對煤柱失穩(wěn)特征的影響。PCI-2 聲發(fā)射系統(tǒng)采用Nano30 傳感器，其頻率范圍為125～750 kHz，配備前置放大器為40 dB，固定閥值為45 dB，前置放大器增益為40 dB，采用4 個通道采集聲發(fā)射信號，采樣頻率為1 MSPS。電磁輻射信號采用點頻和寬頻天線接收，點頻天線主要采用磁棒天線，其接收頻率為20、50、150、500、800 kHz。寬頻天線采用弧形、平面板狀天線，由電路板加工而成。TS3890 型靜態(tài)應變儀監(jiān)測范圍為19999 uε，分辨率1 uε，采用1/4 橋接方式連接應變片。

實驗過程中主要監(jiān)測數(shù)據(jù)包括垂直加載應力值、聲發(fā)射參量、電磁輻射參量、局部應變值及試樣變形數(shù)字照相。

1.5 實驗結論

在煤巖組合試樣中，煤層厚度占比越大，其加載過程中速度較大的區(qū)域面積相對越大。組合試樣的聲發(fā)射事件、拉伸裂隙和剪切裂隙呈增加趨勢，同時，隨著煤層厚度的增加，其煤層中顆粒的最大速度呈現(xiàn)下降的趨勢。

在初始應力較小的時候，受動載擾動之后，煤巖組合試樣的完整性較好，主要以微觀裂隙為主。在初始應力水平達到一定水平之后，在動載擾動之后，煤巖組合試樣會出現(xiàn)宏觀裂隙，但不會產生大面積失穩(wěn)。在初始應力水平較高的時候，煤巖組合試樣收到動載擾動之后，煤體會大面積發(fā)生破壞，被拋出，發(fā)生整體失穩(wěn)。

2 數(shù)值計算

2.1 PFC 顆粒流數(shù)值模擬

2.1.1 建立模型

基于亭南煤礦3409 工作面煤巖特性及煤柱群賦存條件，結合理論分析建立地質模型，采用PFC顆粒流數(shù)值模擬軟件，建立小尺度數(shù)值模型。其中，模型尺寸為50 mm×100 mm，煤體顆粒直徑為0.4～0.8 mm，巖體顆粒直徑為0.3～0.7 mm。在模型上下邊界分別建立兩條長度為60 mm 的水平墻體，模擬過程中利用水平墻體作為應力加載板，通過控制上下水平墻體在垂直方向上的移動速度，對模型施加垂直應力。

煤巖體內部顆粒間接觸模型采用“Parallel-Bond Model” （平行粘結模型），模擬的煤巖接觸面上接觸模型采用“Smooth-Joint Contact Model”（光滑接觸模型），加載板與煤巖體顆粒間的接觸面模型采用“Linear Contact Model”（線性接觸模型），所建模型顆粒分布及接觸方式如圖2所示，建立模型。

圖2 PFC數(shù)值模型Fig.2 PFC numerical model

2.1.2 參數(shù)校正

模型加載試驗前，要通過實驗室煤巖體單軸抗壓強度及彈性模量試驗校對模型參數(shù)設置。取實驗室試驗時加工的標準煤巖試樣進行單軸壓縮試驗，記錄現(xiàn)場煤巖試樣加載應力值及垂直應變值。以所建模型相同的模型參數(shù)建立同等尺度的煤樣及巖樣模型，并進行單軸壓縮模擬試驗，記錄模型加載過程中的加載應力值及垂直應變值。通過所得應力及應變值，做出試樣單軸壓縮試驗過程中的應力應變曲線，對比模擬與實驗室試驗所得煤巖體單軸抗壓強度與彈性模量差異，同時對比兩者破裂形式，如圖3 所示。通過調整模擬參數(shù)，將兩者差異控制在10%以內且破裂方式類似，最終確定模型參數(shù)。

圖3 煤巖組合模擬試樣中采用的參數(shù)校正曲線Fig.3 Parameter calibration curve used in coal-rock combination simulation sample

2.1.3 結果分析

模擬過程中，通過PFC 軟件可視化程序記錄模型加載至失穩(wěn)過程中的應力場、裂隙場、位移場及能量場分布和演化特征，如圖4 所示。分析煤柱群區(qū)域組合煤巖結構破壞及變形機理，結合研究煤柱失穩(wěn)過程中的應力場、裂隙場、位移場及能量場演化特征。

圖4 模型內部參量場Fig.4 Internal parameter field of the model

模擬過程中，通過設置位移監(jiān)測點，記錄監(jiān)測點位移情況，利用Measure circle 模塊在煤巖體上設定測量圓，監(jiān)測煤巖塊體變形情況，同時利用軟件History 模塊監(jiān)測模型加載至失穩(wěn)過程中的應力、能量及裂隙發(fā)育數(shù)量等參量值。通過對上述參量的分析，研究煤柱應力加載過程中的參量變化特征，如圖5 所示，揭示煤柱變形破裂/滑移失穩(wěn)的參量信號特征。

圖5 煤巖組合結構破壞失穩(wěn)過程參量變化特征Fig.5 Variation characteristics of parameters in failure and instability process of coal-rock composite structure

另外，通過控制加載墻體的位移速度，進行不同應力加載速度模擬試樣，同時，設置墻體沖擊加載模擬動載擾動的影響作用，以此分析分析不同條件下煤巖體變形/破壞失穩(wěn)參量變化特征，揭示不規(guī)則煤柱及多向采動條件下沖擊地壓孕育機制及主要影響因素。

可見，PFC 顆粒流程序適用于散體或膠結材料的細觀力學特性描述和受力變形分析，該方法試圖從微觀結構角度研究介質的力學特性和行為，PFC方法的重要區(qū)別是能夠同時模擬連續(xù)體和非連續(xù)體的力學行為。在本項目中主要用于微觀分析頂?shù)装?煤柱的接觸弱面的變形破壞特征。

2.2 UDEC 離散元數(shù)值模擬

2.2.1 模型建立

基于亭南煤礦3409 工作面異形煤柱賦存條件，適當簡化條件，采用UDEC 離散元數(shù)值模擬軟件建立宏觀尺度數(shù)值模型，其中模型尺寸為66 m×80 m。煤巖塊體采用彈性變三角單元組合（塊），其中頂、底板采用粗塊單元，煤體采用細塊單元。三角形單元通過接觸結合在一起，煤的損傷是通過它們之間接觸的剪切或拉伸破壞來描述的，接觸面服從剩余強度的庫侖滑動模型，建立模型。

2.2.2 參數(shù)校正

類似于PFC 數(shù)值模型參數(shù)校正，利用單軸壓縮試驗的應力應變曲線進行耦合來校正UDEC 數(shù)值模型的參數(shù)賦值，如圖6 所示。調整模型參數(shù)，當實驗室試驗和數(shù)值模擬試驗結果的耦合性較強時，說明UDEC 數(shù)值模擬參數(shù)值是可行的。

圖6 UDEC與實驗室試驗對比Fig.6 Comparison between UDEC and laboratory test

2.2.3 結果分析

通過開挖擾動及輸入頂板破斷動載（礦震能量），研究巷道周圍最大主應力分布及演化規(guī)律，如圖7 所示。通過模型最大主應力的分布演化規(guī)律，分析煤柱破壞/滑移失穩(wěn)作用對巷道周圍的擾動情況。

圖7 巷道最大主應力分布Fig.7 Distribution of maximum principal stress in roadway

模擬分別監(jiān)測模型中剪切裂隙與拉伸裂隙的數(shù)量變化，得出擾動作用下，巷道周圍裂隙數(shù)量的變化曲線，如圖8 所示。同時在巷道周圍布置監(jiān)測點，實時監(jiān)測巷道周圍應力值演化特征及破碎煤巖體的位移速度，如圖9 及圖10 所示。分析研究煤柱破碎/滑移失穩(wěn)過程中，巷道周圍應力水平變化及破碎體速度演化規(guī)律，揭示3409 工作面各種煤柱應力集中區(qū)域沖擊地壓的機理。

圖9 測點位置應力變化曲線Fig.9 Stress change curve of measuring point position

圖10 測點附近破碎體位移速度變化曲線Fig.10 The displacement velocity curve of the broken body near the measuring point

3 FLAC 有限元數(shù)值仿真

3.1 模型建立

基于3409 工作面實際地質條件及煤柱賦存環(huán)境，利用FLAC3D 有限元數(shù)值模擬軟件采用有限差分法建立等尺寸摩爾庫倫模型。根據(jù)3409 工作面綜合地質柱狀圖中煤巖層分布特征，對模型本構性質及材料性質賦值，建立9 組模型。

3.2 模型計算及分析

對模型施加邊界條件并對模型進行靜力平衡計算，運算至模型最大不平衡力小于e-5后對工作面進行循環(huán)開挖，控制每次開挖進尺20 m，每次開挖運算5000 步或控制最大不平衡力小于e-5。

對每次開挖后計算平衡的模型進行切片處理，可視化觀測模型不同位置水平面及垂直面范圍內的應力分布特征，大致確定工作面兩巷煤體內應力集中區(qū)域，指導現(xiàn)場進行針對性監(jiān)測及卸壓處理。

同時，模擬過程中，在工作面前方及巷道兩側煤體中布置應力監(jiān)測點，通過統(tǒng)計每個開挖循環(huán)中超前區(qū)域及異形煤柱內應力值，得出工作面開挖過程中煤體內超前應力峰值的演化規(guī)律，以及煤柱應力集中程度。對前期工作面采掘過程危險區(qū)域進行驗證，同時指導工作面回采過程中的監(jiān)測預警及卸壓解危。

4 現(xiàn)場實測

為了滿足防沖要求，3409 工作面沖擊危險監(jiān)測采用鉆屑法、應力在線及微震系統(tǒng)3 種手段。其中鉆屑法及應力在線均為局部監(jiān)測手段，微震系統(tǒng)為區(qū)域監(jiān)測手段。

4.1 鉆屑法監(jiān)測

沖擊危險鉆屑量臨界指標的確定方法：首先選擇不受采動影響或在支承壓力影響區(qū)外的巷道煤幫，進行標準煤粉量測試，標準煤粉量測試鉆孔數(shù)不少于5 孔，并取各孔煤粉量的平均值，在此基礎上確定臨界煤粉量，見表1。

表1 鉆屑量臨界指標Table 1 Critical index of drilling cuttings quantity

4.2 微震系統(tǒng)

3409 工作面防沖設計報告給出的回采期間，微震法監(jiān)測沖擊地壓危險的指標如下。30 m 煤柱區(qū)域微震事件分布平面圖如圖11 所示。6 m 煤柱區(qū)域微震事件分布平面圖如圖12 所示。

圖11 30 m煤柱區(qū)域微震事件分布平面圖Fig.11 The distribution of microseismic events in the 30 m coal pillar area

圖12 6 m煤柱區(qū)域微震事件分布平面圖Fig.12 The distribution of microseismic events in the 6 m coal pillar area

（1） 監(jiān)測分析范圍。

采煤工作面：30 m 煤柱和6 m 煤柱沿開采方向和采空區(qū)方向300 m，左右兩側200 m。

（2） 對比情況

借助微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定大事件震源集中區(qū)域，對微震事件波形進行頻譜分析，確定事件頻次、能量。

4.3 主動CT 探測

采用波蘭EMAG 公司最新引進的24 通道PASAT-M 型便攜式微震探測系統(tǒng)，根據(jù)亭南煤礦3409 工作面實際地質工程條件以及設備探測能力，并結合該工作面動力顯現(xiàn)區(qū)域分布情況及周圍開采環(huán)境，對該工作面開采區(qū)域進行探測，分析采動影響不同距離下煤體應力分布情況，如圖13 所示。

圖13 探測沖擊危險性指數(shù)分布圖Fig.13 Distribution of detection impact hazard index

5 結論

采用實驗室實驗、數(shù)值模擬、主被動CT 反演、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證分析等相結合的研究方法，對亭南煤礦3409 強沖擊煤層工作面異形煤柱條件下沖擊地壓機理、沖擊危險區(qū)精準探測以及卸壓治理綜合防治技術等進行研究，取得結論如下。

（1） 當煤巖組合試樣的應力達到峰值強度之后，煤層中的裂隙快速擴展，煤層兩側部分煤體拋出，組合試樣中的能量以動能和滑移能的形式釋放。煤巖組合結構破壞過程中，以拉伸破壞為主，剪切破壞為輔。煤層厚度占比越大，其加載過程中速度較大區(qū)域面積越大。組合試樣聲發(fā)射事件、拉伸裂隙和剪切裂隙呈增加趨勢，同時，隨著煤層厚度增加，煤層中顆粒最大速度呈現(xiàn)下降趨勢。

（2） 隨著頂板厚度占比的增加，加載過程中組合試樣中底板的破壞程度增強；煤層中部出現(xiàn)彈性區(qū)，煤層破壞程度增加。同時，煤巖組合試樣內部積累能量呈增加趨勢，峰值強度呈現(xiàn)增加趨勢。

（3） 在初始應力水平達到一定水平之后，在動載擾動之后，煤巖組合試樣會有宏觀裂隙產生，但不會產生大面積失穩(wěn)。在初始應力水平較高時，煤巖組合試樣受到動載擾動之后，煤體會大面積發(fā)生破壞，被拋出，發(fā)生整體失穩(wěn)。

（4） 對3409 工作面而言，由于區(qū)段煤柱不等寬和上覆厚硬頂板，在30 m 煤柱段以及煤柱寬度變化區(qū)域，應力易集中，在工作面采動和307 采空區(qū)側向支承壓力作用下，存沖擊風險。