刀柱采空區上行開采應力分布規律數值模擬

楊創前，馮國瑞

（1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原030024；2.山西省綠色采礦工程技術研究中心，山西 太原030024）

大同礦區頂板堅硬完整[1-4]，巖石試樣單向抗壓強度一般可達80～160 MPa，20 世紀50—90 年代受落后的支護條件限制，面對堅硬頂板的控制問題，多數礦井使用留設煤柱支撐頂板的刀柱采煤法。這一方法的運用在當時有效解決了開采期間頂板對采場的威脅，但回采率偏低且前期留設的大量煤柱給后期鄰近煤層的開采帶來困難[5-8]。國內外學者針對垮落法采空區上行開采進行了大量的研究，取得了豐碩的研究成果[9-14]。大同礦區過去使用刀柱采煤法，采寬15～35 m，刀柱煤柱寬4～10 m 不等。刀柱采空區域僅直接頂發生部分垮落，基本頂及以上巖層保持完整，其采動覆巖結構特征與長壁采空區截然不同，用于指導長壁采空區上行開采的研究成果不適用刀柱采空區上行開采。關于刀柱采空區上行開采的研究相對匱乏，文獻[15-17]分別研究了上行開采條件下層間巖層可形成的結構、穩定性，塑性區分布和運動預測模型等。刀柱采空區上行開采是1個動態過程，前述研究沒有具體考慮上行采動應力的影響，刀柱煤柱主要承擔了上覆巖層的采動載荷，確保刀柱煤柱的穩定性對實現安全上行開采至關重要。因此，迫切需要研究刀柱采空區上行開采條件下刀柱煤柱的應力分布演化規律。

1 試驗設計

把在巖體活動中起主要控制作用的巖層稱為關鍵層，關鍵層破斷時，其上全部或局部巖層的下沉變形協調一致[18]。大量研究表明，關鍵層在控制其上軟弱巖層運動的同時也影響了下方煤層支承壓力的分布[19-21]。以大同礦區刀柱采空區上行開采條件和煤巖層力學實驗數據為依據，將關鍵層控制的巖層簡化為軟弱巖層，運用UDEC 建立數值模型。模型尺寸設置為300 m×210 m（長×高），上煤層厚2 m、下煤層厚4 m，上、下煤層間距50 m，亞關鍵層距上煤層10 m、厚度6 m，主關鍵層距上煤層36 m、厚度為18 m，其上為90 m 厚的軟弱巖層，數值模型如圖1。

圖1 數值模型Fig.1 Numerical model

對模型左右邊界和底部邊界進行位移約束。為消除邊界效應，模型沿走向左右邊界各留設35 m的邊界煤柱，模型可推進距離230 m。模型建立過程中，分別在距下煤層頂板1 m 處和距上煤層底板1 m 處布置2 條測線，每條測線上設有300 個測點，以實時監測刀柱采空區上行開采過程中上、下煤層應力的變化。模型采用摩爾-庫倫破壞準則，巖層塊體和接觸面的力學參數見表1。

表1 UDEC 數值模型煤巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal strata in UDEC numerical model

數值模擬試驗過程中，先運用刀柱采煤法采下煤層，其中刀柱開采區域寬度26 m，留設刀柱煤柱寬度8 m，刀柱采空區開采完畢后上行長壁開采上煤層。為方便討論，將下煤層刀柱采空區中留設的刀柱煤柱從左至右依次命名為一、二、三、四、五、六刀柱煤柱。

2 試驗結果與分析

2.1 下煤層刀柱采空區形成時應力分布特征

下煤層刀柱開采引起應力重新分布，刀柱采空區形成時下煤層的應力分布如圖2。

圖2 下煤層刀柱采空區形成時的應力分布特征Fig.2 Stress distribution characteristics of gob formation in lower coal seam wedge pillar

下煤層運用刀柱法開采，覆巖重力轉移至刀柱煤柱，引起刀柱煤柱的應力升高表現為應力集中。其中，靠近刀柱采空區中央部分的刀柱煤柱受力大于兩側，明顯大于邊界煤柱處。刀柱采空區域所受壓力接近零表現為卸壓，應力集中區與應力卸壓區在水平方向上交替出現。下煤層應力分布由采動前的原巖應力狀態演化為新的波動平衡狀態。

2.2 上行開采過程中應力分布演化特征

上行長壁開采破壞覆巖原有的平衡狀態引起覆巖運移，造成采場應力重新分布。刀柱采空區上行長壁開采過程中關鍵層運動對采場應力分布演化規律的影響如圖3。關于圖中：“上行開采前”代表下煤層刀柱采空區形成時測線2 測得的下煤層應力分布值，“上行工作面”、“刀柱采空區”分別代表上行長壁開采過程中測線1、2 測得的上、下煤層應力分布值。

圖3 刀柱采空區上行開采應力分布演化規律Fig.3 Evolution law of upward mining stress distribution in goaf of wedge pillar

圖3（a）為上行工作面推進80 m，亞關鍵層初次破斷時的應力分布圖。從圖中可以看出：上行工作面超前支承壓力峰值為10.5 MPa，影響范圍37 m，三、四刀柱煤柱受上行采動應力的影響，應力出現明顯升高，應力峰值分別由上行開采前的15.6、15.5 MPa 升高到20.8、18.5 MPa。位于上行工作面采空區下的一、二刀柱煤柱應力減小，分別由上行開采前的14.6、15.6 MPa 降低到6、9.9 MPa。位于上行工作面采動應力影響范圍外的五、六刀柱煤柱應力變化不大。

圖3（b）為上行工作面推進155 m，主關鍵層初次破斷時的應力分布圖。上行工作面超前支承壓力峰值為13.9 MPa，影響范圍約60 m。受上行采動應力的影響，五、六刀柱煤柱應力明顯升高，應力峰值分別由上行開采前的14.6、13.6 MPa 升高到28.3、17.8 MPa。位于上行工作面采空區下的一、二、三、四刀柱煤柱應力處于低應力狀態。

圖3（c）為上行工作面推進195 m，主關鍵層下沉壓實采空區時的應力分布圖。由于采空區分擔了覆巖的部分載荷致使上行工作面支承壓力峰值和影響范圍均減小，此時，上行工作面超前支承壓力峰值為12 MPa，影響范圍約47 m。受上行采動影響的六刀柱煤柱應力升高，峰值由13.6 MPa 升高到23.5 MPa，小于主關鍵層初次破斷時五刀柱煤柱承受的應力峰值。二、三、四刀柱煤柱位于主關鍵層斷裂塊體觸矸壓實區域，應力出現恢復性升高。

2.3 上行開采刀柱煤柱塑性區分布規律

刀柱采空區上行開采活動引起支承壓力重新分布，在支承壓力作用下，一定范圍內的刀柱煤柱達到屈服破壞而處于塑性屈服狀態，刀柱煤柱的塑性區分布狀態可以反映刀柱煤柱的受力演化過程。刀柱采空區上行開采刀柱煤柱塑性區分布演化規律如圖4。

如圖4（a），上行工作面推進80 m，亞關鍵層初次破斷，此時主關鍵層尚未破斷其下方存在離層空間。主關鍵層將自身及上覆巖層載荷傳遞至超前位于工作面下方的三刀柱煤柱，引起三刀柱煤柱應力升高，三刀柱煤柱（距左邊界129～137 m）邊緣部分發生塑性屈服破壞。

主關鍵層初次破斷前，隨上行工作面推進主關鍵層懸空距增大，支承壓力升高，超前刀柱煤柱塑性區進一步擴展。如圖4（b），上行工作面推過四刀柱煤柱后，四刀柱煤柱塑性區范圍不再變化。當上行工作面推至155 m，主關鍵層發生初次破斷，此時，超前位于其下方的五刀柱煤柱（距左邊界197～205 m）塑性區發展最為充分。

圖4 上行開采刀柱煤柱塑性區分布演化規律Fig.4 Evolution law of upward mining plastic zone distribution of the coal pillar

主關鍵層初次破斷后，其中部斷裂、下沉、觸矸，以中部觸矸點為界，主關鍵層一端由采空區支撐，另一端由工作面煤體支撐。隨著上行工作面推進，超前位于上行工作面下方的六刀柱煤柱支承壓力逐步升高。如圖4（c），上行工作面推進195 m，超前位于其下方的六刀柱煤柱（距左邊231～239 m）邊緣部分產生塑性屈服破壞區，但不及主關鍵層初次破斷時五刀柱煤柱的塑性破壞區范圍大。顯然，刀柱采空區上行開采過程中，超前位于上行工作面下方的臨近刀柱煤柱的塑性區分布演化規律與2.2 節中應力分布演化規律一致。

綜上，刀柱采煤法開采下煤層引起刀柱煤柱的應力集中，上行長壁開采引起刀柱煤柱應力分布的進一步演化，根據刀柱煤柱受力特點大體可將其分為3 個區間：位于上行工作面采空區下的刀柱煤柱處于應力降低區，受上行工作面超前采動應力影響的刀柱煤柱處于應力升高區，位于上行工作面采動應力影響范圍外的刀柱煤柱處于應力穩定區。主關鍵層運動影響采場應力分布，主關鍵層初次破斷時，受超前采動應力影響的臨近刀柱煤柱支承壓力達到最大值，塑性區分布范圍也最大。

3 現場驗證

晉華宮礦河南402 盤區12 號煤層西南部過去采用刀柱法開采，刀柱采空區域范圍東西長350 m，南北長600 m，其中刀柱間距25 m，留設煤柱寬9 m，采高3 m。在礦井儲量日益瀕臨枯竭的情況下，決定上行復采9 號煤層，煤層均厚1.4 m。主關鍵層為厚約46.8 m 的灰白石英粗砂巖，距9 號煤層約126.2 m。

由于下煤層刀柱采空區條件異常復雜，上行開采期間難以對下煤層刀柱煤柱進行應力監測。刀柱煤柱和層間巖層受采動應力的影響會產生壓縮變形和彎曲變形，繼而引起上行工作面底板的下沉，因此，上煤層的底板位移情況能夠反映刀柱煤柱的受力。巷道掘進開采期間，在巷道開口40 m 處設置第1 道位移觀測站，以后間隔100 m 設置1 道。

上行開采期間，經位移測站實測發現隨著上行工作面推進，底板下沉量逐漸加大，主關鍵層初次破斷時底板下沉約86 mm 達到最大，初次破斷后底板下沉量減小。晉華宮礦刀柱采空區上行開采，底板下沉變化趨勢符合本文數值模擬得到的刀柱采空區上行開采刀柱煤柱支承壓力的動態演化規律。

根據刀柱采空區上行開采過程中，超前位于上行工作面下方的刀柱煤柱的應力在主關鍵層初次破斷前隨上行工作面推進而不斷增大的特征。建議刀柱采空區上行開采時，工作面需配備注漿充填系統，發現圍巖變形明顯、底板下沉加快等異?，F象，需停止工作面推進，對刀柱采空區進行充填。

4 結 論

1）刀柱法開采下煤層引起刀柱煤柱應力集中，刀柱煤柱受力明顯高于兩側邊界煤柱。刀柱采空區內應力集中區與應力卸壓區在水平方向上交替出現。

2）刀柱采空區上行開采引起刀柱煤柱應力分布的進一步演化，根據刀柱煤柱受采動應力的影響將其分為3 個區間，即應力降低區、應力升高區和應力穩定區。應力升高區內刀柱煤柱的穩定性是決定刀柱采空區安全上行開采的關鍵。

3）主關鍵層運動決定采場應力分布，主關鍵層初次破斷時，上行工作面及超前位于其下方的刀柱煤柱應力峰值和塑性區分布范圍均達到最大。主關鍵層初次破斷后明顯減小。晉華宮礦刀柱采空區上行開采期間的底板位移觀測結果與研究得到的刀柱煤柱應力分布規律相符。