基于三維應(yīng)力監(jiān)測及能量判據(jù)的煤柱穩(wěn)定性分析

孟昭河，肖自義，夏 磊，鐘 坤

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦，山東鄒城273513；2.山東省煤礦安全監(jiān)察局魯西分局，山東 濟寧272073；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與國家重點實驗室，湖北 武漢430071）

0 引言

煤柱一般多服務(wù)于兩個回采工作面，受到重復(fù)采動影響，由于外力做功使得煤柱變形能不斷積蓄，當(dāng)煤柱中積蓄的變性能達(dá)到臨界狀態(tài)后,在外力擾動影響下，煤柱的變性能瞬間釋放，造成煤柱失穩(wěn)。煤層在堅硬頂?shù)装宓膴A持作用下，煤體中將積聚大量的彈性能。當(dāng)煤柱受力處于彈性狀態(tài)時，則整個圍巖系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；煤柱受到高應(yīng)力作用處于脆性破壞時，著巨大能量的突然釋放，煤柱失穩(wěn)導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。

對于采空區(qū)煤柱三維應(yīng)力分布及穩(wěn)定性方面研究是一個熱點難點問題。潘帥[1]通過數(shù)值模擬方式，對采區(qū)煤柱受采動影響的應(yīng)力及破壞規(guī)律進行了研究。曾現(xiàn)策等人[2]通過三維有限元數(shù)值模擬，對某煤礦近距離煤層群開采時上煤層開采后留設(shè)的不規(guī)則煤柱對下煤層工作面開采時的影響進行數(shù)值分析。張彥斌[3]等人運用UDEC對采場進出煤柱時的圍巖應(yīng)力及破壞特征進行了研究分析。李少剛[4]針對埋深100m左右淺埋煤層，安設(shè)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)研究采動應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬軟件確定合理煤柱寬度。張廷院[5]等人運用FLAC3D模擬軟件，分析了近距離煤層群煤柱下開采應(yīng)力分布特征。朱志潔等人采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法，對上部重疊煤柱與采動耦合作用下的圍巖應(yīng)力演化規(guī)律進行研究。

學(xué)者大部分采用數(shù)值分析的方式模擬煤柱作用下采場煤巖體應(yīng)力變化規(guī)律，缺少長期動態(tài)的實測值。因此，本文基于地應(yīng)力實測值和擾動應(yīng)力的長期監(jiān)測規(guī)律，從能量判據(jù)角度分析邊界煤柱穩(wěn)定性，指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

鮑店煤礦7302工作面位于該礦七采區(qū)北部，是七采區(qū)西翼3煤層第一個區(qū)段的工作面。北西起工作面切眼，距七采區(qū)邊界線3～19m，距5310（N）工作面采空區(qū)110～114m；南東至工作面設(shè)計停采線，距七采回風(fēng)巷100m；輔運順槽距礦井邊界線31～35m，距興隆莊3煤采空區(qū)55m；東北面臨近鄰近興隆煤礦4318采空面、4320采空面、4322采空面等，以及東灘煤礦14320工作面、14317采空區(qū)等，三礦交界處留有50m的保護煤柱。南西與尚未回采的7304工作面相鄰。7302工作面及周邊位置關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 工作面位置圖

2 三維應(yīng)力測試方案

由于7302工作面鄰近三礦邊界煤柱，且受重復(fù)采動的影響，應(yīng)力較集中，來壓明顯，故采用地應(yīng)力實測技術(shù)及三維應(yīng)力長期擾動監(jiān)測方案分析煤柱穩(wěn)定性。監(jiān)測設(shè)備選取光纖光柵三維應(yīng)力傳感器[7]，在7302工作面軌道順槽邊界煤柱一側(cè)的上方頂板布置四個監(jiān)測斷面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，其分別距離停采線1276m、802m、662m及562m。在每個監(jiān)測斷面處，分別施工一個監(jiān)測鉆孔，斷面布置圖如圖2所示。

圖2 工作面布置圖

首先，按照一定步驟和方法[7]，在工作面回采前對每個監(jiān)測斷面采用應(yīng)力解除法測量原巖應(yīng)力。應(yīng)力解除實驗完成后繼續(xù)在相同位置鉆孔安裝傳感器，不進行解除，將傳感器通過光纜與光纖解調(diào)分析儀連接，并通過井下局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至井上監(jiān)控室，在監(jiān)測室系統(tǒng)軟件中，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析，得到實時擾動應(yīng)力大小，然后再將擾動應(yīng)力與原巖應(yīng)力相加，得到頂板巖層實時真實應(yīng)力。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 原巖應(yīng)力

由于原巖應(yīng)力測試點地質(zhì)構(gòu)造和所覆巖層性質(zhì)差異不大，4組原巖應(yīng)力測試結(jié)果基本相同。因此選取他們的平均值作為該應(yīng)力場的原巖應(yīng)力值。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理求得大地坐標(biāo)系下的原巖應(yīng)力分量如表1所示，主應(yīng)力如表2所示。大地坐標(biāo)系以X軸向東，Y軸向北，Z軸向上。

表1 大地坐標(biāo)系下的原巖應(yīng)力分量 單位：MPa

備注：正應(yīng)力以壓為正

在大地坐標(biāo)系下，求主應(yīng)力，結(jié)果如表2所示。

表2 大地坐標(biāo)系下原巖主應(yīng)力

備注：方位角北起順時針為正；傾角從水平面向上為正。

由上表結(jié)果可知，最大主應(yīng)力為24.02MPa，接近水平方向；其余兩個主應(yīng)力與水平面有一定夾角。由此可以看出，監(jiān)測位置處受構(gòu)造作用明顯，

以7302工作面開采方向為x軸，豎直向上為z軸，右手法則確定y軸，建立采區(qū)坐標(biāo)系O-xyz，如圖3所示。

圖3 采區(qū)坐標(biāo)系

在采區(qū)坐標(biāo)系中，原巖應(yīng)力分量如下表所示。

表3 大地坐標(biāo)系下的原巖應(yīng)力分量 單位：MPa

由表中可以看出，監(jiān)測斷面處水平應(yīng)力較大，x，y兩水平方向的側(cè)壓力系數(shù)分別為0.74和1.40。

3.2 三維應(yīng)力演化規(guī)律

經(jīng)過幾個月的長期動態(tài)監(jiān)測，得到各個監(jiān)測斷面的三維應(yīng)力變化圖。監(jiān)測斷面Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ位置比較接近，均在三礦交界處，所獲監(jiān)測結(jié)果也將接近，這三個監(jiān)測點選取最后一個監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果作為代表。故對監(jiān)測斷面Ⅰ和監(jiān)測斷面Ⅳ的監(jiān)測結(jié)果進行詳細(xì)分析。

圖4為斷面Ⅰ大地坐標(biāo)系下的主應(yīng)力變化圖。由圖可知，三個主應(yīng)力呈現(xiàn)增長趨勢，最大主應(yīng)力由最初的24.23MPa逐漸上升到26.32MPa，應(yīng)力上升2.09MPa，升高8.6%，；第二主應(yīng)力由14.44MPa上升到16.87MPa，應(yīng)力提升2.43MPa，升高16.8%；第三主應(yīng)力由最初的9.34MPa上升到10.34MPa，升高1MPa，增幅為10.7%。

圖4 監(jiān)測斷面Ⅰ應(yīng)力變化圖

圖5 監(jiān)測斷面Ⅳ應(yīng)力變化圖

圖5 為斷面Ⅳ大地坐標(biāo)系下的主應(yīng)力變化圖。由圖可知，三個主應(yīng)力呈現(xiàn)增長趨勢，最大主應(yīng)力由最初的25MPa逐漸上升到30MPa，應(yīng)力上升5MPa，升高20%，；第二主應(yīng)力由16.2MPa上升到22.9MPa，應(yīng)力提升6.7MPa，升高41.4%；第三主應(yīng)力由最初的10.8MPa上升到15.5MPa，升高4.7MPa，增幅為43.5%。

對比斷面Ⅰ和Ⅳ的監(jiān)測結(jié)果可知，斷面Ⅳ監(jiān)測所得三維應(yīng)力結(jié)果無論是增長幅值還是增長幅度均大于監(jiān)測斷面Ⅰ的結(jié)果。分析斷面所處位置及地質(zhì)構(gòu)造可知，斷面Ⅳ位于三礦交界處，煤柱上方頂板活動較強烈，堅硬頂板巖層應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤柱體上方，煤柱及頂板集聚彈性能，可能導(dǎo)致沖擊危險的發(fā)生。另外，該斷面離Ⅶ-F63較近，因此，該區(qū)域應(yīng)加強監(jiān)測。

3.3 基于能量判據(jù)的煤柱穩(wěn)定性分析

由能量原理[8]可知，在主應(yīng)力空間下煤巖體總能量可表示為：

其中，Ud為煤巖體消耗能，Ue為煤巖體可釋放彈性應(yīng)變能。

適合工程應(yīng)用的煤巖體單元可釋放應(yīng)變能[9]可表示為：

沖擊荷載作用下，短時間內(nèi)的高應(yīng)力會使一部分煤巖體單元產(chǎn)生損傷，強度降低；而大部分單元則迅速儲存了很大的彈性應(yīng)變能。當(dāng)Ue儲存并達(dá)到煤巖體單元某種表面能U0時，應(yīng)變能Ue釋放使煤巖體單元發(fā)生破壞。

在監(jiān)測斷面鉆孔位置取一定數(shù)量巖芯并制成標(biāo)準(zhǔn)式樣，開展三軸試驗，通過不同圍壓應(yīng)力水平下的卸圍壓實驗，求取巖石極限儲存能。發(fā)現(xiàn)，圍壓對巖石極限儲存能有顯著的影響。隨著圍壓的增大，巖石極限儲存能大幅度提高，兩者之間具有良好的線性關(guān)系，可表示為：

基于以上公式得到監(jiān)測斷面的能量指標(biāo)如表4所示。

表4 能量指標(biāo)

由表可知，監(jiān)測斷面Ⅰ、Ⅳ兩處由于初始應(yīng)力場一致，初始圍壓幾乎一樣，因此煤巖體的極限儲存能也差異不大。由于采動及邊界煤柱來壓影響，導(dǎo)致了斷面Ⅳ處集聚的彈性應(yīng)變能明顯高于監(jiān)測斷面Ⅰ處，該監(jiān)測斷面位于興隆莊煤礦與鮑店礦交界位置，兩側(cè)采空后，頂板壓力由煤柱承擔(dān)，頂板下部受壓，形成拱效應(yīng)。由彈性應(yīng)變能與極限儲存能之比可知,7302工作面邊界煤柱整體偏于安全，但是隨著工作面的進一步回采，三維應(yīng)力有繼續(xù)增加的趨勢，彈性應(yīng)變能會進一步集聚，應(yīng)密切關(guān)注監(jiān)測結(jié)果，尤其是三礦交界處，該段是沖擊危險性較大的區(qū)域。

4 結(jié) 論

1）采用應(yīng)力解除法測得初始應(yīng)力場的三個主應(yīng)力分別為24.02MPa、14.43MPa和9.02MPa，最大主應(yīng)力接近水平方向；其余兩個主應(yīng)力與水平面有一定夾角。由此可以看出，監(jiān)測位置處受構(gòu)造作用明顯。

2）監(jiān)測斷面Ⅰ主應(yīng)力升高最大值為2.43MPa，升高最大幅度為16.8%；監(jiān)測斷面Ⅳ主 應(yīng)力升高最大值為6.7MPa，升高最大幅度為43.5%；斷面Ⅳ位于三礦交界處，同時離斷層Ⅶ-F63較近，煤柱上方頂板活動較強烈，易集聚彈性應(yīng)變能。

3）監(jiān)測區(qū)域最大彈性應(yīng)變能為26.10kJ/m2，彈性應(yīng)變能與極限儲能比還沒到達(dá)煤巖體破壞臨界值，邊界保護煤柱整體偏于安全，應(yīng)進一步關(guān)注監(jiān)測結(jié)果，尤其是三礦交界處，該段是沖擊危險性較大的區(qū)域。