松軟煤層寬煤柱沿空巷道高應(yīng)力顯現(xiàn)規(guī)律及機理研究

韓少勇

(重慶市綦江區(qū)藻渡煤礦有限公司，重慶市綦江區(qū)，401437)

厚煤層綜放開采中回采巷道通常會布置在煤層中，巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)明顯，要求較高的支護強度[1-3]。工作面正常開采中所面臨的開采條件都有可能造成高應(yīng)力顯現(xiàn)[4]；在采空區(qū)煤巷中雖預(yù)留煤柱和進行超前支護，但仍出現(xiàn)嚴重變形、伴有動力沖擊等高應(yīng)力顯現(xiàn)問題，目前研究高應(yīng)力顯現(xiàn)機理的手段有理論分析、現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬等方法[5-6];各類礦壓顯現(xiàn)均與采動應(yīng)力密不可分，支承壓力的疊加[7]，超前支承壓力和側(cè)向支承壓力的分布特征[8]以及應(yīng)力集中系數(shù)[9-10]都會作用于采場的不同位置，因此確定采動應(yīng)力分布情況是十分必要的。

1 N2103工作面高應(yīng)力顯現(xiàn)情況

1.1 工作面概況

藻渡煤礦N2103工作面采用綜放開采工藝，主采龍?zhí)督MK3#煤層，煤層厚度3.00～5.25 m，一般為4.29 m。煤層強度低，屬于軟煤層。工作面北側(cè)為實體煤，南側(cè)接北風井東翼1#回風大巷；西側(cè)為實體煤；東側(cè)為N2105工作面采空區(qū)，工作面共布置運輸巷、回風巷、高抽巷和旁路放水巷4條巷道，其中回風巷鄰近上區(qū)段N2105采空區(qū)，區(qū)段煤柱寬度為35 m，該巷道受采動應(yīng)力影響，變形量較大。

1.2 高應(yīng)力顯現(xiàn)情況

N2103工作面回風巷在超前工作面區(qū)域發(fā)生過一次高應(yīng)力顯現(xiàn)，發(fā)生位置位于鄰采空區(qū)側(cè)的N2103回風巷采空區(qū)回采巷道中超前支護煤壁100 m 處，以及向外共320 m長巷道中高應(yīng)力顯現(xiàn)較明顯，其中250 m長巷道斷面現(xiàn)場測量由5.4 m×3.8 m縮減至平均2.4 m×2.5 m。主要表現(xiàn)為巷道東幫(原N2105工作面采空區(qū)側(cè))收斂1.5～2.0 m，巷道西幫(煤體側(cè))收斂0.3～0.5 m，底板中部鼓起0.5～1.0 m，如圖1所示。

圖1 N2103回風巷高應(yīng)力顯現(xiàn)位置圖

當前N2103工作面正在回采，N2103回風巷必然會反復(fù)開采擾動，研究工作面超前區(qū)域的采動應(yīng)力分布可以預(yù)測高應(yīng)力顯現(xiàn)的區(qū)域。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬模型

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對N2103工作面開采過程進行分析，應(yīng)力條件根據(jù)礦區(qū)地應(yīng)力實測的地應(yīng)力σxx=-10 MPa，σyy=-5.3 MPa，σzz=-13 MPa進行賦值(“+”號表示所受應(yīng)力為壓應(yīng)力，“-”號表示所受應(yīng)力為拉應(yīng)力)。整個模型4個立面均固定法向位移，底面同樣固定法向位移。模型中層理弱面用INTERFACE模擬；整個模型共劃分單元164700個，結(jié)點175890個。

巷道會經(jīng)歷實體煤掘進階段(在與采空區(qū)、各巷道都沒有透氣的煤體中掘進的階段)、極限平衡區(qū)階段和采空區(qū)階段3個階段，采動應(yīng)力的特征在每個階段有所不同，需要布置測線研究巷道兩幫的采動應(yīng)力。研究超前支承壓力時以工作面中線的支承壓力曲線作為對比，同時要比較懸頂距離的增大對支承壓力曲線的影響，所以煤壁前方的采動應(yīng)力曲線是縱向測線。兩條巷道間的煤柱也有支承壓力的集中，與煤壁的位置關(guān)系會使得應(yīng)力集中的特征產(chǎn)生改變，所以側(cè)向支承壓力曲線的測線是橫向的。

2.2 采場應(yīng)力分布

開切眼階段為工作面將回采巷道布置完畢的階段，各條巷道圍巖的應(yīng)力重新分布，回風巷道一側(cè)臨近N2105采空區(qū)，其煤柱幫會有較大的應(yīng)力集中，如圖2所示，圖2中的藍色條帶很好地反映出這一應(yīng)力集中現(xiàn)象。其他回采巷道的圍巖應(yīng)力集中并不如回風巷顯著。

圖2 開切眼階段采場應(yīng)力

砂巖老頂初次破斷后，初次來壓導(dǎo)致工作面上端頭(回風巷)應(yīng)力集中由條帶狀變?yōu)閴K狀區(qū)域，應(yīng)力集中向端頭的角落集中。隨著懸頂距離的大幅度增加，煤壁前方出現(xiàn)藍色較淺的應(yīng)力集中，表明超前支承壓力的應(yīng)力集中隨著懸頂距的增大而增大，并且超前支承壓力沿著采空區(qū)的分布長度也在不斷增大?；仫L巷相鄰煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度進一步增加，應(yīng)力集中向煤柱深處轉(zhuǎn)移。采空區(qū)的煤柱應(yīng)力集中程度最大，受采動影響應(yīng)力集中偏向采空區(qū)一側(cè)，對運輸巷的影響相比開切眼階段幾乎沒有變化。

老頂初次破斷后，該區(qū)域變?yōu)椴煽諈^(qū)矸石堆積區(qū)，隨著采空區(qū)的面積不斷增大，矸石逐漸被壓實，采空區(qū)應(yīng)力也在逐步恢復(fù)。對回風巷與采空區(qū)之間的煤柱，因為N2103采空區(qū)的承載能力不夠，煤柱的應(yīng)力集中程度和高應(yīng)力集中區(qū)域的面積不斷增大，應(yīng)力集中向煤柱更深處轉(zhuǎn)移，在走向方向上已經(jīng)擴大至煤壁前方，并且在周期來壓的時候煤柱后方的應(yīng)力集中影響的范圍不斷增大。其應(yīng)力分布云圖見圖3。

圖3 推進期間采場應(yīng)力分布云圖

2.3 支承壓力曲線

N2103回風巷一側(cè)鄰近N2105采空區(qū)，與工作面中部超前應(yīng)力相比，無論煤柱側(cè)還是實體煤幫一側(cè)的支承壓力均大于工作面中部的支承壓力。從巷道兩幫應(yīng)力對比來看，均存在一個應(yīng)力峰值，煤柱側(cè)應(yīng)力峰值位于工作面后方5～30 m范圍，且分布較為寬緩；實體煤側(cè)超前支承壓力峰值位于工作面前方5～13 m，峰值較為突出，相比其他區(qū)域變化較大；從工作面超前范圍來看，N2103回風巷圍巖應(yīng)力處于較高水平，除去峰值位置外，煤柱側(cè)向里5～15 m范圍和實體煤側(cè)向里5～10 m范圍均為高應(yīng)力區(qū)。該模擬結(jié)果表明回風巷兩幫的應(yīng)力集中明顯，且煤幫的位移和破碎程度都較大。實體煤一側(cè)向里5 m和10 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力峰值的區(qū)域及大小基本相同，應(yīng)力值隨距離工作面的增加其曲線呈現(xiàn)出中間高兩邊低的外凸狀，煤幫深處垂直應(yīng)力小于淺處?；仫L巷幫內(nèi)15 m的支承壓力僅略大于工作面中部的支承壓力，如圖4所示。

選取正?；夭蓵r的計算模型，將整個工作面沿煤層進行切片，得到回采過程中每個煤層切片平面上的應(yīng)力分布情況，將每個煤層切片平面上的應(yīng)力匯總后得到如圖5所示的工作面應(yīng)力分布圖。

沿走向方向看，巷道圍巖的側(cè)向支承壓力會受到懸頂距離和推進步距的影響，回風巷一側(cè)規(guī)律：極限平衡區(qū)階段巷道的側(cè)向支承壓力達到最大值，平行于煤壁階段有卸壓區(qū)域存在，其側(cè)向支承壓力大于實體煤遠端未受采動影響的區(qū)段的側(cè)向支承壓力。回風巷和采空區(qū)之間由于煤柱的存在，將會引起應(yīng)力集中，應(yīng)力曲線呈現(xiàn)“馬鞍型”，在未受超前支承壓力影響區(qū)域，煤柱靠近采空區(qū)一端的應(yīng)力集中大于回風巷一端，應(yīng)力分布呈現(xiàn)“一高一低”的“馬鞍型”；而在受采動影響階段的煤柱回風巷和采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力集中相等，呈現(xiàn)“高低相同”的“馬鞍型”。從應(yīng)力分布的整體來看，煤柱區(qū)應(yīng)力最高，在工作面超前影響區(qū)域，風巷兩幫圍巖都處于較高水平，兩幫對比來看，煤柱幫應(yīng)力略高于回采幫。

圖4 回風巷圍巖內(nèi)超前支承壓力曲線

圖5 工作面應(yīng)力分布曲面圖

3 鉆屑法監(jiān)測與分析

對工作面回風巷超前300 m處兩幫進行監(jiān)測。監(jiān)測周期為工作面推進5 m時，監(jiān)測回風巷超前工作面20 m、50 m、80 m、110 m、170 m、260 m的煤柱幫(工作面?zhèn)?；工作面推進下一個5 m后監(jiān)測回風巷超前工作面20 m、50 m、80 m、110 m、170 m、260 m的煤柱幫(采空區(qū)側(cè))。工作面每推進10 m則全面檢測一次。

對回風巷超前300 m范圍測量記錄的鉆屑值進行處理，選出最大值如圖6所示，鉆屑的最大值出現(xiàn)在11～13 m，說明11～13 m 范圍是巷道兩幫應(yīng)力的峰值區(qū)。

當前卸壓孔范圍已超前工作面300 m范圍，由鉆屑量最大值分布的范圍可以看出，煤墻內(nèi)的應(yīng)力峰值已由煤墻淺部轉(zhuǎn)移到深部，鉆屑最大值在2.9～3.1 kg/m范圍內(nèi)波動，遠遠低于該段的危險值5.17～6.75 kg/m，說明巷道幫部施工的卸壓孔卸壓效果顯著。

圖6 不同位置鉆屑量最大值曲線圖

4 巷道高應(yīng)力顯現(xiàn)機理分析

結(jié)合前文理論分析及現(xiàn)場實測結(jié)論，認為N2103工作面回風巷動壓載荷源于超前采動應(yīng)力和采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力形成的寬煤柱彈性區(qū)集中靜載荷和采空區(qū)邊緣覆巖活動引發(fā)的集中動載荷疊加而成。

4.1 靜載荷演化過程

根據(jù)前文模擬及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，N2103工作面鄰近的N2105工作面回采結(jié)束后，隨著時間的推移和采空面積的增大，采空區(qū)頂板下沉翻轉(zhuǎn)，側(cè)向懸頂區(qū)域開始對區(qū)段煤柱加載，造成煤柱鄰空側(cè)塑性區(qū)的擴展，同時受N2103工作面超前采動應(yīng)力影響，工作面風巷圍巖的集中靜載荷持續(xù)增加，其應(yīng)力來源于側(cè)向支承壓力和超前支承壓力的相互疊加影響，一旦應(yīng)力超過巷道圍巖的臨界水平，便會發(fā)生巷道破壞或動壓。

根據(jù)前述數(shù)值模擬結(jié)果，工作面采掘期間，沿空巷道一直是應(yīng)力分布最為集中的區(qū)域。從現(xiàn)場顯現(xiàn)來看，沿空巷道也是巷道變形破壞最為明顯的區(qū)域。

4.2 動載荷演化過程

結(jié)合工作面高應(yīng)力顯現(xiàn)來看，工作面頂板垮斷對采場圍巖的影響較為明顯。N2103工作面的集中動載荷則主要來源煤層上方頂板的垮斷：一是本工作面開采過程中頂板出現(xiàn)懸頂過長時，一旦斷裂，會對前方煤巖體產(chǎn)生沖擊動載；二是隨著采空面積增加，頂板垮落及活動范圍增加，波及上方高位頂板，其影響范圍覆蓋鄰近采空區(qū)，從而使得區(qū)段煤柱受到兩側(cè)采空影響發(fā)生失穩(wěn)破壞，進而造成高位頂板的斷裂或下沉，產(chǎn)生強裂動載擾動。

4.3 動、靜載時空關(guān)系及其疊加效應(yīng)

根據(jù)前文分析，藻渡煤礦N2103工作面在采掘過程中，即受到集中靜載的影響，又受到來自頂板斷裂的動載影響。一般而言，當煤巖體內(nèi)的集中靜載荷達到一定程度后，便能夠造成煤巖破壞和動壓。如果自身靜載荷集中度不夠，采空區(qū)頂板斷裂等產(chǎn)生的彈性波對其擾動、疊加也會導(dǎo)致動壓發(fā)生。

另外，破裂點靜載荷的長期積聚超過煤巖強度極限，靜載荷便轉(zhuǎn)化為動載荷。因此靜載荷集中是動壓發(fā)生的內(nèi)因。

4.4 動壓顯現(xiàn)

在高水平集中靜載荷影響下，N2103回風巷圍巖呈現(xiàn)出彈塑性轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)，此時，回采過程中，頂板突然發(fā)生斷裂和運動時產(chǎn)生的震動以能量形式向外傳播，到達臨界區(qū)域時，造成巷道圍巖破壞，由于巷道圍巖在靜載荷加載過程中已發(fā)生塑性破壞，支護質(zhì)量較差，造成抗沖擊能力差，成為能量釋放的主要通道，巷道發(fā)生較大變形，寬煤柱沿空巷道動壓能量傳遞模型如圖7所示。

圖7 寬煤柱沿空巷道動壓能量傳遞模型

5 結(jié)論

(1)N2103工作面煤層軟，回風巷經(jīng)歷不同采場擾動，從已經(jīng)發(fā)生的3次高應(yīng)力顯現(xiàn)中得出，底鼓源于超前支承壓力存在，而巷幫的側(cè)鼓源于巷道臨近采空區(qū)煤柱形成的高應(yīng)力集中。研究工作面超前區(qū)域的采動應(yīng)力分布可以預(yù)測強高應(yīng)力顯現(xiàn)的區(qū)域。

(2)綜合鉆屑法和數(shù)值模擬共同分析采動應(yīng)力的影響區(qū)域，巷道經(jīng)歷實體煤階段、極限平衡區(qū)階段和采空區(qū)階段3個階段中，應(yīng)力集中由超前支承壓力和側(cè)向支承壓力共同作用，其中支承壓力的大小與頂板的懸頂距離有關(guān)。

(3)通過對N2103沿空工作面的應(yīng)力環(huán)境分析，其靜載荷來源主要來自于側(cè)向采空區(qū)和超前采動應(yīng)力的疊加影響造成的回風巷應(yīng)力集中。而工作面回采期間受上方高位頂板影響，其動載荷主要來源于工作面上方頂板的運移、垮斷。

(4)針對沿空區(qū)域采掘工作面高應(yīng)力顯現(xiàn)的防治，要從避免頂板大面積懸頂和降低煤體內(nèi)的集中高應(yīng)力兩個方面著手。