上遺留邊界煤柱影響下巷道應力異常段圍巖控制技術研究

楊增強，孫凱華，李豐碩，李崗偉，任長樂，支藝翔

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221116； 2.山東省深部沖擊地壓災害評估工程實驗室，山東 濟南 250104； 3.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013； 4.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

煤層群開采期間，尤其間距較小的煤層群順序開采期間，上、下開采煤層之間由于在開采順序上存在先后，會導致下煤層開采期間受到上煤層開采后遺留煤柱所形成的應力集中影響[1-4]。眾多學者之前關于煤層群開采的研究多集中于煤與瓦斯突出方面[5-7]，旨在通過開采上保護煤層實現(xiàn)對于被保護煤層的卸壓增透作用，而往往忽視開采上保護層時遺留下來的采空區(qū)邊界煤柱將會對被保護煤層開采造成應力集中影響。當被保護煤層采掘位置受上保護煤層開采遺留煤柱影響時，多重采動應力疊加作用下將會導致采掘空間圍巖應力環(huán)境惡化而礦壓顯現(xiàn)不斷，尤其針對支護薄弱的巷道空間。

在分析遺留邊界煤柱對底板煤巖體的受力影響時，創(chuàng)新性的考慮了采空區(qū)邊緣至矸石壓實區(qū)的中間過渡區(qū)綜合影響作用，并通過精細化數(shù)值模擬驗證了理論計算結果的準確性。后續(xù)針對受工作面回采擾動影響下051606回風巷應力異常段圍巖偏應力第二不變量模擬結果提出了相應的補強修復支護措施，并通過礦壓監(jiān)測方法進行了驗證。

1 工程地質概況

靈新煤礦年設計生產能力為240萬t，目前接續(xù)五采區(qū)內存在間距19.2～21.5m的15#和16#兩層煤，屬于近距離煤層群開采。15#煤層位于16#煤層上方，目前15#煤層已經開采完畢，且在采空區(qū)四周留有多處遺留煤柱，這些遺留煤柱的存在將會對下方16#煤層開采造成嚴重影響。在此以16#煤層中正在進行回采作業(yè)的051606工作面為工程地質背景進行研究，該工作面一側為已經回采結束的051604采空區(qū)，另外一側為待接續(xù)開采的051608工作面。051606工作面回采期間，沿空側的051606回風巷從15#煤層中遺留的35m寬采區(qū)邊界煤柱下方橫穿而過，進而受到051604采空區(qū)側向支承壓力和35m寬采區(qū)邊界煤柱集中應力的疊加影響，導致051606回風巷存在一定區(qū)間的圍巖應力異常段，后續(xù)該應力異常段巷道還會受到051606工作面回采造成的超前支承應力擾動影響。關于051606工作面附近煤層群開采工作面空間采掘位置關系情況如圖1所示。

圖1 煤層群開采工作面空間采掘位置關系

051606回風巷自掘巷后，在該圍巖應力異常段范圍內礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，例如頂板在靠近20m寬區(qū)段保護煤柱側頂煤較為破碎，存在局部垮冒、支護體失效等問題；同時保護煤柱存在局部內擠變形嚴重、幫部煤體松散破碎等情形。

2 遺留邊界煤柱影響下底板受力特征

2.1 底板受力模型的建立

靈新煤礦近距離煤層群開采期間，以15#煤層開采遺留的35m寬采區(qū)邊界煤柱(其兩側分別為W1415采空區(qū)和051504采空區(qū))為研究對象，以與35m寬采區(qū)邊界煤柱垂直方向做縱向截面，建立底板受力平面應變力學模型[8，9]，如圖2所示。

圖2 遺留邊界煤柱影響下底板中任意一點受力模型

由圖2可知，15#煤層遺留邊界煤柱(寬L2)以及其兩側的051504采空區(qū)(寬L1)和W1415采空區(qū)(寬L3)均對底板煤巖體內任意一點M(x，y)的受力產生影響。其中關于L2取值為35m，而關于L1和L3的取值情況則根據(jù)眾多學者研究成果確定，匯總眾多相關學者研究文獻可知[10，11]：采空區(qū)邊緣位置處的垂直支承應力約等于0MPa，且隨著遠離采空區(qū)邊緣位置而垂直支承應力逐漸增大，最終在遠離采空區(qū)邊緣位置距離約為0.12～0.3倍采空區(qū)埋深時恢復至原巖應力狀態(tài)，即此處采空區(qū)矸石處于壓實狀態(tài)，而從采空區(qū)邊緣至矸石壓實區(qū)的中間過渡區(qū)中矸石處于未壓實狀態(tài)。051504采空區(qū)和W1415采空區(qū)的埋深分別為H1和H3，在此根據(jù)現(xiàn)場工程地質條件均近似取值為330m，相應的可以計算出在遠離采空區(qū)邊緣位置距離約為39.6～99m位置處矸石處于壓實狀態(tài)，為便于理論計算所需，在此折中取其范圍值的近似平均值，即L1和L3的寬度均取值為70m。可見，對于坐標系xoy中，沿著橫坐標x軸方向取值區(qū)間為0～175m。

同理由圖2可知，沿橫坐標x軸方向可劃分為[0，70 )、[70，105)和[105，175)三個區(qū)間，在此首先以遺留邊界煤柱所處的[70，105)區(qū)間為重點進行受力分析。首先假定該區(qū)間內底板煤巖體承載的垂直均布載荷大小為λ1γH2，在此區(qū)間范圍內任取一微小單元段dl，則可根據(jù)彈性力學中的理論知識得到該微小單元段dl內的垂直均布載荷對底板煤巖體內任意一點M(x，y)的受力表達式：

式中，dσx2、dσy2和dτxy2分別表示在遺留邊界煤柱所處的[70，105)區(qū)間內任取一微小單元段dl內的垂直均布載荷對于底板煤巖體內任意一點M(x，y)的水平應力、垂直應力和剪切應力分量大小，MPa；λ1表示遺留邊界煤柱所處的[70，105)區(qū)間內應力集中系數(shù)均值，取值1.5；γ表示15#煤層上覆巖層的平均容重，取值2.5×104kN/m3；H2表示遺留邊界煤柱的平均埋深，取值330m。

根據(jù)式(1)所示的微小單元段dl內的垂直均布載荷對于底板煤巖體內任意一點M(x，y)的垂直應力、水平應力和剪切應力分量大小，可以積分得到整個遺留邊界煤柱所處的[70，105)區(qū)間內的垂直均布載荷對于底板煤巖體內任意一點M(x，y)的受力表達式：

式中，σx2、σy2和τxy2分別表示在遺留邊界煤柱所處的[70，105)區(qū)間內的垂直均布載荷對于底板煤巖體內任意一點M(x，y)的水平應力、垂直應力和剪切應力分量大小，MPa。

依據(jù)式(1)和(2)中關于遺留邊界煤柱的垂直均布載荷對于底板煤巖體內任意一點M(x，y)的水平應力、垂直應力和剪切應力分量大小的計算方法，同理可以得到051504采空區(qū)和W1415采空區(qū)內的垂直均布載荷對于底板煤巖體內任意一點M(x，y)的受力表達式：

式中，σx1、σy1和τxy1分別表示在051504采空區(qū)所處的[0，70)區(qū)間內的垂直均布載荷對于底板煤巖體內任意一點M(x，y)的水平應力、垂直應力和剪切應力分量大小，MPa；λ0表示采空區(qū)未壓實區(qū)間內應力集中系數(shù)均值，取值0.8；H1表示051504采空區(qū)的平均埋深，取值330m。

式中，σx3、σy3和τxy3分別表示在W1415采空區(qū)所處的[105，175)區(qū)間內的垂直均布載荷對于底板煤巖體內任意一點M(x，y)的水平應力、垂直應力和剪切應力分量大小，MPa；H3表示W(wǎng)1415采空區(qū)的平均埋深，取值330m。

聯(lián)立式(2)—(4)可以計算得到[0，70 )、[70，105)和[105，175)三個區(qū)間內的垂直均布載荷綜合作用下底板煤巖體內任意一點M(x，y)的受力表達式：

式中，σx、σy和τxy分別表示在[0，70 )、[70，105)和[105，175)三個區(qū)間內的垂直均布載荷綜合作用下底板煤巖體內任意一點M(x，y)的水平應力、垂直應力和剪切應力分量大小，MPa。

2.2 底板受力特征的分析

采用專業(yè)數(shù)學軟件matlab對公式(5)進行解算，進而可以求出在[0，70 )、[70，105)和[105，175)三個區(qū)間內的垂直均布載荷綜合作用下底板煤巖體內的水平應力、垂直應力和剪切應力分量如圖3所示(圖中應力的正負號僅表示方向，正號表示與坐標軸指向相同，負號則相反)。

圖3 解算后的底板煤巖體內應力分量

由圖3(a)可知，底板煤巖體內的水平應力影響范圍較小，基本在底板埋深為20m的16#煤層位置處已經處于較低值，此時最大水平應力僅為3MPa左右，且最大值位于遺留邊界煤柱中軸線的正下方位置處。這表明051606回風巷應力異常段中間位置處將會受到一定程度水平應力的擠壓作用，這將促使巷道頂板水平擠壓出現(xiàn)離層、冒頂?shù)鹊V壓顯現(xiàn)；由圖3(b)可知，底板煤巖體內的垂直應力影響范圍較大，基本在底板埋深為20m的16#煤層位置處依舊處于較高值，此時最大垂直應力約為13MPa左右，且最大值同樣位于遺留邊界煤柱中軸線的正下方位置處。這表明051606回風巷應力異常段中間位置處將會受到較大程度垂直應力的垂向壓縮作用，進一步促使巷道頂板破碎程度增加，進而更易發(fā)生冒頂事故。同時較高的垂直應力還會致使巷道兩幫煤體因垂向壓縮而產生內擠變形嚴重等問題，進一步導致051606回風巷應力異常段中間位置處支護困難；由圖3(c)可知，底板煤巖體內的剪切應力影響范圍也較大，基本在底板埋深為20m的16#煤層位置處依舊處于較高值，此時最大剪切應力約為±6.5MPa左右，且最大值位于遺留邊界煤柱兩側的正下方位置處。這表明051606回風巷應力異常段兩側位置處將會受到較大程度剪切應力的剪切作用，這將促使巷道圍巖中支護體結構剪切失效，失去對圍巖的支護效能。

綜上分析可知，051606回風巷應力異常段在遺留邊界煤柱中軸線正下方位置處主要受垂直應力影響，以水平應力影響為輔，而在遺留邊界煤柱兩側正下方位置處主要受剪切應力影響。

3 遺留邊界煤柱影響下底板受力數(shù)值模擬

3.1 三維模型的建立

根據(jù)圖1所示的煤層群開采工作面空間采掘位置關系圖，建立三維數(shù)值模型。

三維模型尺寸為150m×175m×65m(長×寬×高)，模型四周邊界采用水平位移約束，底面邊界采用固定位移約束。模型上表面距離地表310m，因此施加等效于覆巖重力的等效均布載荷7.75MPa，重力加速度在此取值為10m/s2。為了提高數(shù)值模擬運算結果的精細化程度，再次對煤巖體和采空區(qū)矸石分別選用不同的本構模型，其中煤巖體采用Mohr-Column本構模型，而采空區(qū)矸石采用Double-Yield本構模型[12]。因為煤巖體采用Mohr-Column本構模型，在此可以根據(jù)現(xiàn)場取得的煤巖樣物理力學參數(shù)測定結果確定，見表1。

表1 煤巖物理力學參數(shù)賦值表

而關于采空區(qū)矸石因其采用Double-Yield本構模型，根據(jù)該本構模型的特性，首先對矸石壓實之前的初始密度進行賦值，在此根據(jù)現(xiàn)場調研情況取值為1100kg/m3。然后建立三維模型尺寸為1.0×1.0×1.0m(長×寬×高)的正方體單元子模型，通過迭代法[13]使得其運算得到的應力-應變關系曲線與采用Salamon經驗公式[14]理論計算得到的應力-應變關系曲線相吻合，如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬與理論計算的應力-應變關系曲線

通過迭代法確定的最合理采空區(qū)矸石物理力學參數(shù)情況見表2。

表2 采空區(qū)矸石物理力學參數(shù)賦值表

3.2 數(shù)值模擬結果分析

3.2.1 底板煤巖體主應力差分析

數(shù)值模擬精細化運算后，通過提取16#煤層頂?shù)装逦恢锰幍淖畲笾鲬?σ1)、最小主應力(σ3)和剪切應力(τ)的數(shù)據(jù)值，進行后續(xù)的分析。在此可近似認為最大主應力與垂直應力相等，最小主應力與水平應力相等，主應力差分布云圖如圖5所示。

圖5 主應力差分布

由圖5可知，051606回風巷應力異常段頂板主應力差約為9.5～10.5MPa，底板主應力差約為8.5～9.5MPa，且由主應力差分布云圖可知，主應力差最大值位置主要集中在遺留邊界煤柱中軸線的正下方位置處，這一模擬結果與前述理論計算分析結果較吻合(理論計算主應力差約為10MPa)。

同理可以做出關于16#煤層頂?shù)装逦恢锰幍募羟袘Ψ植荚茍D如圖6所示。

圖6 剪切應力分布

由圖6可知，051606回風巷應力異常段頂板剪切應力約為6.0～7.0MPa，底板剪切應力約為5.0～6.0MPa，且由剪切應力分布云圖可知，剪切應力最大值位置主要集中在遺留邊界煤柱兩側的正下方位置處，這一模擬結果與前述理論計算分析結果也較吻合(理論計算剪切應力約為6.5MPa)。

可見理論分析與數(shù)值模擬精細化運算結果吻合性較高，表明所建三維數(shù)值模型能夠滿足數(shù)值模擬仿真計算的要求，其精細化計算結果能夠作為后續(xù)現(xiàn)場施工的參考依據(jù)。

3.2.2 巷道應力異常段圍巖應力分析

偏應力第二不變量能夠直觀反應煤巖體變形破壞的本質特征[15，16]，基于此可以得出后續(xù)051606工作面回采期間巷道應力異常段圍巖的應力分布情況，如圖7所示。

圖7 巷道應力異常段圍巖偏應力演化規(guī)律

由圖7可知，巷道應力異常段圍巖偏應力分布整體呈現(xiàn)非對稱的分布形式，其中煤柱側偏應力值在14.1～18.9MPa之間，實體煤側偏應力值在5.3～2.5MPa之間，處于較低偏應力水平，整體上煤柱側較實體煤側偏應力值要高很多，這表明在后續(xù)051606工作面回采期間煤柱側更容易發(fā)生變形破壞；而關于頂板內偏應力值分別在9.5～5.5MPa(中軸線位置)、10.0～4.8MPa(靠近煤柱側位置)和8.8～6.1MPa(靠近實體煤側位置)之間，同樣處于較高的偏應力水平，但整體差異性不大，這說明頂板在后續(xù)051606工作面回采期間也極易發(fā)生變形破壞。因此，考慮到后續(xù)051606工作面回采擾動影響，有必要針對巷道應力異常段頂板和實體煤幫加強支護，提高巷道圍巖的整體承載性能。

4 巷道應力異常段圍巖控制研究

4.1 巷道圍巖支護參數(shù)設計

根據(jù)上述理論計算與數(shù)值模擬分析研究可知，051606回風巷應力異常段掘出后，圍巖主要受垂直應力和剪切應力影響，同時以水平應力影響為輔，綜合作用下巷道應力異常段圍巖發(fā)生頂煤較為破碎、局部垮冒、支護體失效等問題，以及煤柱體存在局部內擠變形嚴重、幫部煤體松散破碎等情況；后續(xù)受051606工作面回采擾動影響煤柱幫較實體煤幫更容易發(fā)生變形破壞。因此針對巷道應力異常段圍巖采用非對稱補強修復措施來提高圍巖的整體承載能力和抗變形能力。

考慮到16#煤層平均傾角為13°，屬于緩傾斜煤層，且煤層厚度為3.3m，因此051606回風巷沿煤層頂板掘進形成了倒梯形狀斷面的巷道。該倒梯形巷道斷面尺寸為煤柱幫高2300mm，實體煤幫高3200mm，中軸線位置處高2750mm，巷道寬4800mm，關于其補強修復后的支護方案如圖8所示。

圖8 巷道應力異常段圍巖補強修復支護方案(mm)

該補強修復后的圍巖支護方案能夠針對性的提高圍巖的承載能力和抗變形能力，進而支護體與圍巖耦合作用在巷道應力異常段淺部煤巖體內形成一強結構區(qū)，對于后續(xù)051606工作面回采擾動影響能夠起到很好的防治效果。

4.2 巷道圍巖礦壓監(jiān)測

當后續(xù)051606工作面回采至051606回風巷應力異常段附近時，通過布置在應力異常段內間隔17.5m的3個測站對其圍巖的承載能力和抗變形能力進行監(jiān)測(3個測站分別位于遺留邊界煤柱中軸線正下方和兩側邊界的正下方位置處)，監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值如圖9所示。

圖9 巷道應力異常段圍巖平均變形量監(jiān)測

由圖9可知，當051606工作面回采推進至距離巷道應力異常段35m左右時，巷道應力異常段圍巖開始受到051606工作面回采擾動影響而發(fā)生圍巖變形。從圖9(a)中可以看出圍巖中頂板最大平均變形量為109mm，底板最大平均變形量為142mm，頂?shù)装遄畲笃骄諗苛繛?51mm，較巷道中軸線位置處高度2750mm相比，平均收斂率為9.1%；從圖9(b)中可以看出圍巖中煤柱側最大平均變形量為68mm，實體煤側最大平均變形量為41mm，兩幫側最大平均收斂量為109mm，較巷道寬度4800mm相比，平均收斂率為2.3%。可見，對051606回風巷應力異常段圍巖進行補強修復后，圍巖整體變形量控制良好，頂?shù)装迨諗柯士刂圃?0%以內，兩幫側收斂率控制在3%以內，能夠很好的滿足051606工作面回采推過巷道應力異常段期間的運輸、行人和通風等要求。

5 結 論

1)對上遺留采區(qū)邊界煤柱及其兩側采空區(qū)邊緣至矸石壓實區(qū)的中間過渡區(qū)綜合影響下底板煤巖體內的水平應力、垂直應力和剪切應力分量進行了計算和求解，指出051606回風巷應力異常段在遺留邊界煤柱中軸線正下方位置處主要受垂直應力影響，以水平應力影響為輔，而在遺留邊界煤柱兩側正下方位置處主要受剪切應力影響。

2)對煤巖體和采空區(qū)矸石分別選用Mohr-Column本構模型和Double-Yield本構模型，提高了數(shù)值模擬運算結果的精細化程度。且數(shù)值模擬運算結果中關于底板煤巖體的受力情況與理論計算分析結果，一致性較高。

3)基于數(shù)值模擬結果，分析了后續(xù)051606工作面回采期間巷道應力異常段圍巖的偏應力第二不變量分布情況，指明在后續(xù)051606工作面回采期間煤柱側較實體煤側更容易發(fā)生變形破壞，同時頂板也極易發(fā)生變形破壞。

4)針對巷道應力異常段圍巖采用非對稱補強修復措施來提高圍巖的整體承載能力和抗變形能力，后續(xù)圍巖整體變形量控制良好，能夠很好的滿足051606工作面回采推過巷道應力異常段期間的運輸、行人和通風等要求。