“應力—滲流—損傷”分析下的煤柱寬度設計

摘要：大南湖一礦3#煤層上覆巖層屬于Ⅳ，Ⅴ類巖層，節理裂隙發育，遇水易軟化破碎。1301工作面與1303工作面的區段煤柱為18 m，導致巷道破壞嚴重。為探究合理的區段煤柱寬度，基于巖石損傷的“應力（stress）-滲流（seepage）-損傷（damage）”理論，采用fish語言編程對Flac3D軟件計算過程中的巖石力學參數進行優化，實現軟件在計算過程中水對巖石的損傷作用。在此基礎上，進行富水條件下區段煤柱寬度優化“應力-滲流-損傷”分析下的數值模擬分析，揭示不同寬度煤柱內部應力演化特征、損傷區域分布以及底板滲流通道。結果表明：區段煤柱寬度在18～22 m時，煤柱內部應力為42～52 MPa，應力集中明顯；煤柱下部裂隙貫通，煤柱內部彈性核范圍不足高度的2倍；本區段合理煤柱寬度為26 m，下區段合理煤柱寬度為30 m，既保證安全生產又保證經濟效益。并通過現場實測驗證了下區段30 m煤柱的可靠性，對以后富水條件下的煤礦安全開采具有一定的指導意義。

關鍵詞：軟巖巷道；巖石損傷；滲流通道；煤柱寬度優化中圖分類號：TD 315

文獻標志碼： A

Abstract：The overburden of No.3 coal seam for Da Nanhu mine belongs to Ⅳ，Ⅴ rock，joint fissure development，water softening and broken easily.1301 working face and the 1303 working face section pillar is 18 m，resulting in destruction of roadway.To explore the reasonable width of coal pillar in the section，based on the rock damage theory of “stressseepagedamage”，using fish language of Flac3D ，we optimized the calculation of rock mechanics to realize the software in the calculation of water in the process of rock damage，and conducted the optimal numerical simulation of the coal pillar under the condition of rich water section，analysis of

evolution characteristics of

section return air lane and internal stress of the coal pillar

under different width coal pillars，and the regional distribution of internal damage of coal pillar and floor seepage channel.The results show that，the section width of coal pillar is 18～22 m，the internal stress of coal pillar 42～52 MPa with obvious

stress concentration；Crack at the bottom of the coal pillar is cutthrough，internal elastic core range is less than 2 times the height of the coal pillar；the section reasonable coal pillar width should be 26 m，next section’s reasonable width of coal pillar is 30 m，which is not only safety in production but also guarantee the economic benefit，and verified by field measurement the next section’s 30 m pillar is reliable.

It has certain guiding significance to coal mine safety mining under the condition of rich water.Key words：soft rock；rock damage；seepage channel；optimization of coal pillar width

0引言區段煤柱合理寬度關系到下區段巷道的穩定性以及工作面安全生產。從本質上分析，就是區段煤柱的寬度能否承載上部巖體的壓力并使下區段巷道不受影響，對此許多學者提出了多種理論模型計算煤柱寬度，如：經驗公式、A.H.威爾遜理論[1]、極限平衡理論[2]、大板裂隙理論[3]、壓力拱理論[4]等，他們從不同的角度推導了煤柱寬度的計算方法，對煤炭資源的安全開采具有非常重要的意義。以上方法主要從固體力學分析的角度確定煤柱的合理尺寸，沒有考慮水對巖體弱化的影響。在地下巖體中，水對巖層的弱化具有明顯的時效性[5]與強度折減性[6-7]。因此，在富水條件下，添加水對巖石的損傷與固體力學相互耦合，能更加精確的反應地層中的應力變化與損傷程度。近年來，隨著數值模擬的發展，眾多學者采用數值模擬分析確定煤柱的合理寬度[8-12]。這些研究在一定程度上揭示了應力在上覆巖層和煤柱中的演化過程，對留設煤柱具有一定的指導意義。但傳統數值模擬的缺陷在于：給定參數后煤層的開挖、水的滲流都不會影響參數的大小，這與實際情況是不符的。尤其在富水條件下水對巖石的滲流-損傷一直是數值模擬所欠缺的部分。因此，需要建立一種“應力-滲流-損傷”耦合理論模型和數值方法來分析工作面開采后整個開采環境受水影響后煤柱的合理寬度。

1研究背景

11工作面及煤柱特征大南湖一礦1303工作面埋深250 m左右，采用綜采放頂煤方法開采3#煤層，頂底板由泥巖和粉砂巖構成，節理裂隙發育，為極不穩定圍巖，屬Ⅳ，Ⅴ類圍巖。煤層厚度62～89 m，平均厚63 m，為較穩定至穩定煤層，傾角9°.1301采空區與1303上巷間隔18 m煤柱，由于18 m煤柱過窄，導致1303工作面上巷底鼓嚴重，給工作面回采帶來了很大的障礙。因此采用鉆孔窺視對1303上巷圍巖松動范圍進行探測分析。如圖1所示。

圖1鉆孔窺視斷面圖（單位：m）

Fig.1Section of drilling bore hole

通過現場鉆孔窺視觀測巷道兩幫及頂板，發現北幫（18 m煤柱側）在8.5 m左右開始有水滲出，南幫（工作面一側）在4 m處有明顯的水流，頂板在8 m左右有水滲出。對1303上巷進行礦壓觀測，認為巷道圍巖變形特征有以下2點。1）巷道變形速率快，變形量大。兩幫擠出量達到50 cm，頂板下沉量達到50 cm，底板底鼔量達到100 cm，尤其在工作面超前影響范圍內，變形更加嚴重，對底板起底3次，累計起底量達到200 cm；

2）受地下水影響大。采動影響引起V1含水層貫通，導致1303工作面煤體及巷道頂板出現不同程度的滲水，以及1301采空區內的水對煤柱的滲流-損傷。

12工作面水文地質特征影響1303工作面回采的充水水源主要來自3煤層頂底板砂巖水（見表1）和1301工作面采空區水。煤層的采動使得導水裂隙帶發育至工作面上部的V1含水層，頂底板巖性軟弱，遇水有明顯的軟化效果。

2巖石損傷的“應力-滲流-損傷”理論分析

巖石的單軸抗壓強度和彈性模量與含水率基本呈線性遞減關系

（9）公式（8）（9）就是巖石在“應力-滲流”兩相作用下的損傷方程，已知巖石的受力情況和含水率，就可以求出它損傷后的力學參數。

3基于巖石損傷的“應力-滲流-損傷”數值模擬

Flac3D軟件中自帶的流固耦合分析只考慮了滲透率對巖石產生孔隙水壓的影響，而沒有考慮水對巖石的損傷作用。基于上述理論分析，巖石力學參數是隨著“應力-滲流-損傷”不斷調整的。因此已知巖石初始力學參數，確定公式（1）（2）中a，b，c，d的值，則可通過fish語言編程實現參數的調整從而模擬水對巖石的損傷分析。通過巖石力學實驗，a，b，c，d的值分別為：875，40 MPa，933，35 GPa.下面將利用該方法模擬富水條件下不同寬度煤柱對下區段巷道以及底板的損傷作用，來確定合理的煤柱寬度。

31計算模型基于大南湖一礦的地質柱狀圖，開采方案及參數，對各巖層進行優化合并，建立不同寬度煤柱開采數值計算模型，如圖2所示。模型尺寸為500 m×233 m，煤柱寬度分別為18，22，26，30，34和38 m，V1，V2，V3，V4分別為不同層位含水層。根據現場勘探與巖石力學實驗，對相關力學參數進行優化后賦值，各巖層的初始物理力學參數見表2.

表2中E0，υ0，ρ0，coh0，fri0和tens0分別為巖層初始彈性模量、泊松比、密度、內聚力、內摩擦角和抗拉強度。為簡化模型，在z方向上模擬到距3煤頂板平均155 m，3煤工作面平均埋深220 m，覆巖密度按2 500 kg/m3計算，上部邊界加載20 MPa的力，對模型左右邊界進行水平位移約束。開采方案：第一步：開挖1301下巷和1303上巷；第二步：開挖1301工作面；第三步：開挖1303工作面。

32結果分析

3211303上巷應力演化特征應力場的變化是巷道及圍巖變形的力源。巷道及圍巖的位移變形、塑性區范圍本質上都是由應力集中引起的，因此掌握在回采過程中不同寬度煤柱對圍巖應力分布特征的影響顯得尤為重要。為揭示不同寬度煤柱對1303上巷的影響，在1303上巷周圍布置一系列測點，分別監測開挖巷道及1301工作面對1303上巷圍巖垂直應力的影響，如圖3所示。

圖3（b）為開挖兩側巷道后，1303上巷周圍監測點的應力分布，巷道開挖使應力重新分布，巷道兩側應力集中系數125～127，兩側應力值基本對稱，頂底板在周圍煤巖應力釋放作用下，其應力大大減小。煤柱寬度從18到38 m，各個監測點的應力變化不大，表明原18 m煤柱基礎上，巷道開挖對其應力無影響。圖3（c）為開挖1301工作面后，1303上巷周圍監測點的應力分布，不同寬度煤柱應力監測曲線分布趨勢與圖3（b）相同，但由于1301工作面的開挖，應力集中系數增大到169～213，巷道兩側應力分布不對稱，煤柱一側應力值較大，且隨著煤柱寬度的增大，各監測點的應力值整體呈減小趨勢，表明不同寬度煤柱下1301工作面的開挖對1303上巷影響較大。

322煤柱應力場演化特征下區段1303工作面開挖后，煤柱受上區段采空區頂板壓力及本區段采空區頂板壓力的雙重影響，煤柱內部應力集中，且向底板深部傳遞。隨著煤柱寬度的增大，煤柱內部的應力集中區域逐漸分開，且應力峰值減小，6種方案所對應的應力峰值分別為：535，509，477，457，441，425 MPa，最大應力集中系數達到972，表明煤柱寬度為18 m時，所承載的應力過大，不利于回采巷道的穩定性，見表3.圖4表明：煤柱寬度越大，則煤柱內部所承載的應力越小，煤柱寬度在18到26 m時，應力峰值下降較快，煤柱在30到38 m時，應力峰值趨于穩定，因此分析煤柱內部應力認為煤柱寬度以26～34 m為宜。

323塑性區分布特征與滲流演化地下工程開采擾動，引起應力重新分布，造成局部應力集中使圍巖達到極限強度，從而發生塑性變形。采礦工程中的礦山壓力顯現及巷道變形等現象就是圍巖發生塑性變形的結果。按照開采方案順序，先進行煤柱兩側巷道開挖，不同寬度煤柱兩側巷道圍巖塑性區范圍都為1 m左右，如圖5所示。兩側巷道之間無相互影響，與上節分析的應力分布結果相同，表明煤柱18 m時，巷道開挖及時支護后，不會出現嚴重變形。

在傾斜和仰斜方向會形成殘余支承壓力，如果煤柱寬度較小，殘余支承壓力不僅會影響煤柱的穩定性，還會沿著煤柱向底板巖層傳遞，從而影響周邊巷道的穩定性。當煤柱寬度為18 m時，采空區一側塑性區范圍為7 m，1303上巷塑性區范圍擴展到3 m，且由于底板為軟泥巖，遇水軟化作用使得底板塑性區貫通，采空區水及V1含水層水通過塑性貫通區滲入到1303上巷底板（如圖6，圖7（a）所示），從而造成1303上巷嚴重變形。當煤柱寬度大于22 m時，1303上巷塑性區范圍為2 m，隨著煤柱寬度的增加，煤柱底板處塑性貫通區逐漸斷開且距離越來越大。

開挖1303工作面，如圖8所示，煤柱兩側工作面開挖后，兩側采空區上覆懸露巖層重量轉移到煤柱上。同時覆巖層垮落使V1，V2，V3含水層破裂貫通至工作面，對煤柱造成進一步損傷，使得煤柱塑性區范圍有所增加。由文獻[2]可知，煤柱兩側產生塑性區后，煤柱中部須存在寬度不小于煤柱高度2倍的彈性核。煤柱寬度為18 m時，煤柱內部彈性區域呈漏斗狀，中間彈性核為4 m，遠不能支撐起上覆巖層載荷；煤柱寬度為22 m時，彈性核為10 m，同樣會使煤柱失穩，當煤柱寬度達到26 m時，彈性核寬度為14 m，滿足2倍煤柱高度的要求；當煤柱寬度為30，34和38 m時，煤柱內部彈性核分別為18，22和26 m，彈性核范圍遠滿足所須要求，但造成資源浪費，因此不可取。

4現場監測及分析通過現場監測及理論數值分析，18 m區段煤柱寬度顯著影響煤礦的正常安全生產。通過對不同煤柱寬度的應力特征、塑性區范圍分析，綜合考慮認為該區段煤柱寬度26 m為宜。由于煤層存在8°～9°的傾角，下區段煤層向深部延伸，因此在下一區段1303工作面與1305工作面之間的煤柱寬度留設為30 m，并采用十字測點法監測1305上巷的變形量。共布置7組測點，每組測點間隔20 m.

由圖9可知巷道整體變形量很小，基本保持穩定，受上區段工作面開采影響較小，說明30 m寬度煤柱對于提高巷道穩定性、減小巷道移近量效果良好。

5結論1）水對巖石的損傷是基于微觀層面上的裂隙演化，它與巖石所受的應力、含水率關系密切。通過理論分析建立了巖石“應力-滲流-損傷”軟化模型，該模型優化了水對巖石的損傷作用，提高了數值模擬的精確度和可信度，對地下工程開挖遇水，巖石破壞損傷、災害預防具有一定的指導意義；2）通過Flac3D自帶的fish語言編寫代碼，實現“應力-滲流-損傷”的流固耦合，以大南湖一礦區段煤柱寬度優化為例，建立數值模擬模型，對不同寬度煤柱巷道開挖、工作面開挖工程中的應力演化特征、塑性區變化范圍以及滲流通道進行了詳細的分析，得出本區段煤柱寬度26 m為宜，下區段煤柱寬度30 m，既保證了巷道的穩定性，又保證了經濟效益。參考文獻References

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