基于相似材料模擬特厚傾斜煤層煤柱應(yīng)力演化規(guī)律研究

郝志賢，朱　峰

(1.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 丹東 118008；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

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基于相似材料模擬特厚傾斜煤層煤柱應(yīng)力演化規(guī)律研究

郝志賢1，朱峰2

(1.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 丹東 118008；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為研究特厚傾斜煤層開采時煤柱應(yīng)力變化狀態(tài)，結(jié)合撫順礦區(qū)老虎臺礦特厚煤層開采現(xiàn)狀，針對83003綜放面和73005綜放面構(gòu)建力學(xué)模型。采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)對煤柱應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，得到了應(yīng)力演化規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對現(xiàn)場布置合理的防治沖擊地壓措施。研究結(jié)果表明：煤層賦存越深，煤柱受采動影響的應(yīng)力值越大，應(yīng)力集中系數(shù)呈增長趨勢，變化范圍為1.09～3.12；73005綜放面和83003綜放面之間的煤柱應(yīng)力明顯高于模型邊界煤柱應(yīng)力；工作面之間的煤柱受開采影響次數(shù)越多，煤柱應(yīng)力值越大；工作面推進(jìn)時，上覆巖層的垮落使巖層中的應(yīng)力充分釋放，隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí)，應(yīng)力值有所回升。通過相似材料模擬研究，對工作面的開采進(jìn)行指導(dǎo)，運(yùn)用煤層注水、卸壓鉆孔和加強(qiáng)支護(hù)等措施對沖擊地壓進(jìn)行防治，達(dá)到了理想的效果。

應(yīng)力集中系數(shù)；煤柱；相似材料模擬；特厚傾斜煤層；沖擊地壓防治

研究回采工作面煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，對煤柱寬度的確定、超前支護(hù)影響距離的確定和地質(zhì)動力災(zāi)害防治等提供了重要依據(jù)，具有十分重要的意義[1-9]。其中，劉正和等研究了回采巷道頂板大深度切縫后煤柱應(yīng)力分布特征[1]，鮑永生針對復(fù)雜特厚煤層綜放工作面煤柱應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究[7]。目前，對工作面煤柱應(yīng)力分布規(guī)律研究的手段主要有理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，用實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段尤其是相似材料模擬對煤柱應(yīng)力規(guī)律的研究較少。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)作為室內(nèi)研究的一種重要手段，具有研究周期短、成本低、成果形象直觀等特點(diǎn)，已被廣泛用于礦山開采巖層移動規(guī)律研究中[10-14]。其中，王崇革等通過三維相似材料模擬，將淺埋煤層開采的上覆巖層運(yùn)動與地表沉陷作為一個整體系統(tǒng)結(jié)合起來進(jìn)行研究，為現(xiàn)場提供決策依據(jù)[11]；史俊偉等運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究了巨厚礫巖誘發(fā)沖擊地壓的危險性[12]；魏久傳等進(jìn)行了相似材料模擬分析了伊犁一礦首采工作面淺埋煤層采動覆巖運(yùn)動特征，分析了直接頂破壞、老頂破壞、采動覆巖破壞高度發(fā)展等規(guī)律，并進(jìn)行了切頂冒落分析[13]。

本文以撫順礦區(qū)老虎臺礦為例，運(yùn)用相似材料模擬老虎臺礦特厚傾斜煤層，主要研究73005綜放面和83003綜放面回采期間煤柱應(yīng)力變化狀態(tài)，通過應(yīng)力分析對回采工作面沖擊地壓防治進(jìn)行指導(dǎo)。

1　工程概況

老虎臺礦煤層屬于特厚煤層，西部煤層厚度平均約110m，西部區(qū)域巖性比較單一，底板為凝灰?guī)r，頂板為油頁巖，依次到地表為綠色頁巖和砂礫巖。現(xiàn)開采工作面為83003工作面，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采。該面開采煤層為四、五分層煤，夾矸3～8層，厚度0.4～13m，平均厚度為11.8m，煤層傾角15～32°，地面標(biāo)高為+89.1～+95.4m，工作面標(biāo)高-748.2～-833.5m，覆巖厚度為837.3～928.9m。83003綜放面東側(cè)為73005已采空區(qū)，兩工作面之間存在150～200m的西部煤柱，73005綜放面回采期間，工作面發(fā)生破壞性沖擊地壓和礦震，主要受西部煤柱應(yīng)力集中影響，因此研究各工作面開采時西部煤柱應(yīng)力變化對83003綜放面安全回采有重要的指導(dǎo)意義。

2　模型設(shè)計(jì)與制作

2.1模型尺寸和材料配比的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和研究需要，選用立式平面模型實(shí)驗(yàn)臺，模型裝填尺寸長×寬×高=3000mm×300mm×2000mm(圖1)。

模型參數(shù)主要以煤巖的視密度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度作為參考指標(biāo)。各巖層根據(jù)老虎臺礦物理力學(xué)參數(shù)選取相似配比號，見表1；相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M材料的配比如表2所示。

表1　老虎臺礦煤巖物理力學(xué)參數(shù)及相似材料配比

表2　相似材料配比參數(shù)

2.2模型制作和應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的布置

模型按2cm一層逐層裝填、搗實(shí)、抹平。模型經(jīng)過一段時間干燥后，模擬巖層達(dá)到預(yù)計(jì)強(qiáng)度，進(jìn)行測點(diǎn)的布設(shè)工作。

在模型的煤巖中分別布置了五層壓力盒，共計(jì)22個應(yīng)力測點(diǎn)，利用YJZ-32A智能數(shù)字應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)應(yīng)力實(shí)時監(jiān)測。應(yīng)力測點(diǎn)布置如圖1所示。第五層(最上層)壓力盒深度位于煤層頂板，從左側(cè)邊界煤柱中間開始每隔40cm布置一個測點(diǎn)，共設(shè)15～22號8個測點(diǎn)。其它四層壓力盒布置于西部煤柱中。第一層深度位于83003綜采面底板線，設(shè)1～2號2個測點(diǎn)，1號測點(diǎn)距離83003綜放面開切眼5cm，2號位于73005停采線下方；第二層至第四層深度分別位于83002、83001、78001綜采面底板線，設(shè)3～7號、8～11號、12～14號共12個測點(diǎn)，測點(diǎn)間距均為10cm。

工作面開采參數(shù)如表3所示。

3　覆巖運(yùn)動時煤柱應(yīng)力演化規(guī)律

在模型中共布置了五層壓力盒，開采過程中，每一層位應(yīng)力變化狀態(tài)相似，因此選取每層較為典型的壓力盒應(yīng)力走勢進(jìn)行分析。

圖1　應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

表3　各工作面開采參數(shù)表

工作面名稱開采時間開采高度/m工作面走向長度/m780011998.6～2000.111511568002西2000.12～2001.1227428730012003.1～2004.516425830012003.9～2006.924272830022008.6～2012.219242730052013.12～2014.716374830032014.6～12242

3.11號壓力盒應(yīng)力分析

1號壓力盒應(yīng)力位于西部煤柱區(qū)的西側(cè)，距離83003綜放面開切眼15m，距離73005停采線155m，垂深為784m。從1號壓力盒的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出(圖2)，煤層開采前應(yīng)力值為20.0MPa；78001綜放面剛開采時，受其采動影響測點(diǎn)處煤柱應(yīng)力有劇烈的波動，78001綜放面開采結(jié)束時，該測點(diǎn)處煤柱應(yīng)力由20.0MPa上升到31.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.56；隨著68002綜放面的開采，該測點(diǎn)處煤柱應(yīng)力逐漸升高至34.2MPa，煤柱應(yīng)力相對集中，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.71；開采83001綜放面和73001綜放面時，由于1號壓力盒位于83001綜放面下部，煤柱邊緣區(qū)域卸壓，使該測點(diǎn)應(yīng)力值降低至10.3MPa，開采結(jié)束后，煤柱應(yīng)力降低至17.2MPa；83002綜放面開采結(jié)束后，煤柱應(yīng)力增大至18.6MPa。

73005綜放面開采過程中，該測點(diǎn)處煤柱應(yīng)力值變化緩慢，停采時應(yīng)力達(dá)19.5MPa；83003綜放面開采過程中，煤柱應(yīng)力又緩慢升高至21.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.09；73005綜放面停采至83003綜放面停采過程中，煤柱應(yīng)力整體呈現(xiàn)增長趨勢，應(yīng)力值增長11.8%。

3.24號壓力盒應(yīng)力分析

4號壓力盒位于西部煤柱區(qū)中部偏東，距離83003綜放面45m，距離73005停采線125m，垂深為762m。從4號壓力盒的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出(圖3)，最初78001綜放面開采時，西部煤柱因受該工作面巖層垮落的影響，應(yīng)力值由最初的20.0MPa上升到28.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.44；開采68002綜放面時，煤柱應(yīng)力持續(xù)升高，應(yīng)力值最高達(dá)34.2MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.71；在開采83001綜放面時，上覆巖層運(yùn)動劇烈，煤柱應(yīng)力因圍巖的垮落而集中，應(yīng)力值升高至55.4MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.77；83002綜放面開始時煤柱應(yīng)力變化平緩，略有升高。

圖2　1號煤柱區(qū)域應(yīng)力走勢圖

圖3　4號煤柱區(qū)域應(yīng)力走勢圖

73005綜放面開采過程中，煤柱應(yīng)力由60.8MPa升高至61.6MPa，應(yīng)力變化緩慢，應(yīng)力集中系數(shù)為3.08；83003綜放面回采階段，煤柱應(yīng)力由62.0MPa升高至62.4MPa。73005綜放面停采至83003綜放面停采整個過程中，應(yīng)力增長1.3%，煤柱應(yīng)力始終保持在高的應(yīng)力值，開采過程中無卸壓現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)3.12。由于煤柱應(yīng)力集中系數(shù)較大，煤柱有發(fā)生沖擊地壓的危險，隨時有沖擊破壞的可能性。

3.39號壓力盒應(yīng)力分析

9號壓力盒位于西部煤柱區(qū)中央，距離83003綜放面84m，距離73005停采線90m，垂深為729m。從9號壓力盒的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出(圖4)，煤柱中應(yīng)力走向趨勢和4號壓力盒相似，應(yīng)力整體呈增長趨勢：開采78001綜放面、68002西綜放面、83001和73001綜放面、83002綜放面、73005綜放面、83003綜放面，應(yīng)力分別增大了3.1MPa、5.4MPa、16.6MPa、0.8MPa、1.2MPa和0.7MPa。該測點(diǎn)煤柱的應(yīng)力從初始的18.7MPa受到各工作面開采的影響，最終上升到51.2MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.74。

73005綜放面停采時，應(yīng)力達(dá)50.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.68；在83003綜放面回采階段，應(yīng)力值又有所升高，應(yīng)力增長2.2%。由此可見，相比4號壓力盒，9號測點(diǎn)煤柱受采動影響略微減小，但煤柱應(yīng)力值仍很高，83003綜放面回采過程中應(yīng)加強(qiáng)對煤柱的防護(hù)。

圖4　9號煤柱區(qū)域應(yīng)力走勢圖

3.415號、18號和22號壓力盒應(yīng)力分析

煤柱上方共布置3個壓力盒，18號壓力盒位于西部煤柱上方，應(yīng)力趨勢與在煤柱中的壓力盒相似，應(yīng)力值都是隨著工作面的開采呈升高狀態(tài)，由18.0MPa上升到50.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.78。15號和22號壓力盒位于邊界煤柱的上方，其中15號應(yīng)力值由18.0MPa上升到31.8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.77；22號應(yīng)力值由18.0MPa上升到37.6MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.09，應(yīng)力趨勢如圖5所示。模型開采完后，邊界煤柱上方(15號和22號)應(yīng)力顯然小于西部煤柱(18號)應(yīng)力值，說明煤柱受兩側(cè)開采影響的程度比單側(cè)開采劇烈，西部煤柱應(yīng)力更容易集中，因此應(yīng)加強(qiáng)對西部煤柱的防護(hù)，減少對煤柱的擾動，增強(qiáng)83003綜放面開采時的煤層卸壓措施。

3.5綜合應(yīng)力分析

將相似材料模擬中典型的壓力盒數(shù)據(jù)綜合到圖6。煤層上覆頂板應(yīng)力先下降，隨著采空區(qū)壓實(shí)，又略有回升；煤柱區(qū)域的應(yīng)力均呈現(xiàn)上升趨勢，應(yīng)力集中系數(shù)增大，說明工作面開采越深，對西部煤柱的擾動越大。

圖5　22號壓力盒應(yīng)力走勢圖

圖6　煤柱應(yīng)力變化總體走勢圖

4　工程應(yīng)用

從相似材料模擬實(shí)驗(yàn)可知，73005綜放面開采后，西部煤柱應(yīng)力保持持續(xù)升高狀態(tài)，目前83003綜放面正處于回采階段，因此應(yīng)采取合適的措施釋放煤體中的應(yīng)力，避免因能量集中而引起工作面或煤柱發(fā)生沖擊地壓和礦震。建議使用煤層注水、卸壓鉆孔和加強(qiáng)支護(hù)措施。

4.1煤層注水

在83003綜放面的回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽均布置高壓注水鉆孔。鉆孔孔徑φ42mm，注水孔每隔15m布置一組，鉆孔仰角15°，孔深不低于20m。鉆孔施工完成后立即用鐵管和聚氨酯封孔，然后進(jìn)行靜壓注水工作至回采結(jié)束，要求注水壓力在8MPa以上，鉆孔布置如圖7所示。

4.2卸壓鉆孔

高壓注水措施實(shí)施完畢后，對有沖擊危險的巷道繼續(xù)進(jìn)行卸壓鉆孔措施。卸壓孔每隔5m布置一組，巷道兩幫每組各1個；仰角10°，孔徑89mm，孔深不低于15m，鉆孔布置與圖7相似。

在卸壓鉆孔施工完畢后，經(jīng)效果檢驗(yàn)，指標(biāo)小于臨界值時可恢復(fù)作業(yè)，否則按此卸壓鉆孔設(shè)計(jì)循環(huán)往復(fù)施工卸壓鉆孔直至措施有效。

4.3加強(qiáng)支護(hù)

83003綜放面位于老虎臺礦深部，從煤柱引起可知，煤層賦存越深應(yīng)力越大。在支護(hù)過程中，為了避免或減輕發(fā)生沖擊地壓造成巷道底臌現(xiàn)象，支護(hù)形式應(yīng)由幫頂支護(hù)變?yōu)槿珨嗝嬷ёo(hù)。過去架棚支護(hù)無論是梯形還是拱形，都是對巷道幫頂?shù)木S護(hù)，主要是防止冒頂，但進(jìn)入深部后尤其是沖擊地壓區(qū)，由于巷道底板承壓能力低，底板變形破壞嚴(yán)重，底鼓占巷道收縮率的一半以上。因此，采用“錨桿+錨網(wǎng)+O型棚”復(fù)合支護(hù)(圖8)，使巷道圍巖受力更加均勻，提高巷道整體的支護(hù)強(qiáng)度。

圖7　巷道高壓注水示意圖

圖8　巷道“O”型斷面支護(hù)示意圖

5　結(jié)論與展望

1)隨著老虎臺礦煤層的逐層開采，西部煤柱應(yīng)力明顯呈現(xiàn)增長趨勢。煤層賦存越深，西部煤柱受采動影響后的應(yīng)力值越大，應(yīng)力集中系數(shù)變化范圍為1.09～3.12。

2)73005綜放面回采過程中，西部煤柱應(yīng)力持續(xù)升高；73005綜放面停采時，煤柱應(yīng)力維持在19.5M～59.0MPa；在整個煤層開采過程中，73005綜放面開采使煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)2.95。73005綜放面停采至83003綜放面開采過程中，西部煤柱應(yīng)力增長2%～12%；在整個煤層開采過程中，83003綜放面開采使煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到最大值3.12。

3)西部煤柱應(yīng)力明顯高于模型邊界煤柱應(yīng)力；工作面推進(jìn)時，上覆巖層的垮落使巖層中的應(yīng)力充分釋放，隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí)，應(yīng)力值有所回升。

4)根據(jù)煤柱應(yīng)力演化規(guī)律，對83003綜放面制定了煤層注水、卸壓鉆孔和加強(qiáng)支護(hù)防沖措施，取得了良好的效果。

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studyoncoalpillarstressevolutionofspecialthickinclinedcoalseambasedonsimilarmaterialsimulation

HAOZhi-xian1，ZHUFeng2

(1.LiaoningGeologicalEngineeringVocationalCollegeLiaoning，Dandong118008，China；2.CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

Tostudypillarstressevolutionofspecialthickinclinedcoalseammining，combinedwithLaohutaicoalminespecialthickcoalseaminFushunminearea，accordingto83003fullymechanizedfaceand73005fully-mechanizedfaceconstructmechanicsmodel.Usingthesimilarmaterialsimulationtomonitorcoalpillarstress，obtainedthelawofstressevolution，andbasedonexperimentalresultslayoutreasonablemeasurestocontrolrockburstinthefield.Theresultsshowthatthedeepercoalseamis，thelargercoalpillaraffectedbymining，stressconcentrationfactorisontherise，andtherangeisfrom1.09to3.12；coalpillarstressbetween73005fullymechanizedfaceand83003fully-mechanizedfacestressissignificantlyhigherthanthecoalpillarstressofmodelboundary；themorethetimesofcoalpillaraffectedbyminingis，thegreaterthecoalpillarstressis；Whenfaceadvancing，thecavingofoverlyingstratamakesstressfullyreleaseintherock，withgoafcompacted，thestressisrebounding.Bysimilarmaterialsimulationresearch，toguidefacemining，andusingcoalseamwaterinjection，pressurereleasedholesandstrengthensupporttocontrolrockburst，whichachieveanidealresults.

stressconcentrationfactor；coalpillar；similarmaterialsimulation；specialthickinclinedcoalseam；stressconcentrationfactor；rockburstcontrol

2015-12-05

郝志賢(1965-)，副教授，高級工程師。E-mail:13942576007@163.com。

朱峰(1990-)，博士研究生。E-mail:huafeng3966@126.com。

TD82

A

1004-4051(2016)08-0100-05