深部厚煤層動(dòng)靜載荷下區(qū)段煤柱損傷演化分析

雷照源，李團(tuán)結(jié)，崔 峰，郭超奇，易瑞強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引 言

深部煤層賦存原巖應(yīng)力大，厚煤層回采擾動(dòng)應(yīng)力及影響范圍大，易導(dǎo)致回采期間面臨礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、巷道變形量大等現(xiàn)象的發(fā)生[1]。根據(jù)煤柱作用不同，主要分為4類(lèi)[2]。區(qū)段煤柱作為工作面形成的基礎(chǔ)，合理的煤柱尺寸在其內(nèi)部彈性核的作用下起到保護(hù)巷道安全的作用。巷道成型及回采過(guò)程中，煤柱內(nèi)部應(yīng)力釋放分別呈現(xiàn)緩慢釋放和快速釋放2種不同模式，深部厚煤層開(kāi)采進(jìn)一步導(dǎo)致煤柱劇烈變形，給災(zāi)害防治帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

近年來(lái)眾多學(xué)者充分考慮地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采時(shí)空關(guān)系等影響因素，分析了地表與采動(dòng)的關(guān)系[3-5]。隨著煤柱型動(dòng)力災(zāi)害在采動(dòng)下發(fā)生，通過(guò)多手段相結(jié)合模式，針對(duì)“一礦一特色”提出了與之相適應(yīng)的煤柱監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)[6-9]。宋錄生等提出并建立了立“頂板-煤層”結(jié)構(gòu)體模型，通過(guò)對(duì)4種不同模型的沖擊傾向性試驗(yàn)，得出“頂板-煤層”結(jié)構(gòu)體沖擊傾向性高于純煤層或巖層測(cè)定結(jié)果[10]。陳紹杰等對(duì)不同高比的5組頂板砂巖-煤柱結(jié)構(gòu)體進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得出不同的3種結(jié)論和砂巖破壞的動(dòng)態(tài)過(guò)程[11]。祁和剛等針對(duì)深部高應(yīng)力區(qū)段煤柱留設(shè)合理性，開(kāi)展了并提出了“一高一低”的高應(yīng)力區(qū)段煤柱綜合卸荷技術(shù)的研究[12]。付玉凱等在分析煤柱留巷圍巖破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出深部煤柱留巷“卸-支-注”協(xié)同控制原理，術(shù)有效改善了煤柱留巷的圍巖力學(xué)屬性和應(yīng)力狀態(tài)[13]。王濤等分析了臨空煤柱巷道側(cè)沖擊地壓的成因和受夾持煤體的沖擊失穩(wěn)過(guò)程，得出了斷頂卸壓爆破可以有效切斷堅(jiān)硬懸板對(duì)煤柱的應(yīng)力傳遞[14]。伍永平等基于大傾角煤層長(zhǎng)壁工作面“R-S-F”系統(tǒng)，研究了區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律和失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則，最終確定了區(qū)段煤柱寬度k滿足kZH

西安科技大學(xué)深部煤巖動(dòng)力防治團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于深部復(fù)雜煤巖力學(xué)致災(zāi)的理論及實(shí)踐研究[20-26]。筆者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)煤柱成型和煤柱兩側(cè)工作面依次回采形成了不同載荷模式。煤柱成型時(shí)所受的載荷稱(chēng)之為靜載荷；受煤柱兩側(cè)依次回采的影響，作用在煤柱上的載荷稱(chēng)之為動(dòng)載荷。為了揭示深部厚煤層區(qū)段煤柱動(dòng)靜載荷下演化特征，以陜西某礦為背景，建立三維數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)損傷指標(biāo)，判別煤柱的穩(wěn)定性，為礦井巷道布置和煤柱設(shè)留提供基礎(chǔ)。

1 工程背景

1.1 礦井賦存條件

陜西某煤礦位于黃隴礦區(qū)中部，是黃隴礦區(qū)主力生產(chǎn)礦井，生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a。盤(pán)區(qū)內(nèi)礦井初期普查勘探結(jié)果表明，2號(hào)煤層為延安組，其呈一傾向北西西之單斜構(gòu)造將井田一分為二，其一位于井田中部，長(zhǎng)約34 km，寬約2.6～5 km；其二位于井田西部，長(zhǎng)約28 km，寬約3.5 km，幅度20～30 m。目前四盤(pán)區(qū)采范圍內(nèi)的2號(hào)煤層傾角一般1°～5°，煤層的普世系數(shù)(f)在3.8～5.1，平均約為4，屬穩(wěn)定～較穩(wěn)定煤層；盤(pán)區(qū)內(nèi)地表標(biāo)高+1 107～+1 423 m，井下標(biāo)高+711～+732 m，平均埋深約600 m。

煤層上覆100 m內(nèi)的巖層依次為細(xì)砂巖、粉砂巖相互交替疊加，如圖1所示。圍巖賦存特征見(jiàn)表1。

圖1 煤層賦存柱狀圖

表1 煤層頂?shù)装逄匦?/p>

1.2 工作面布置及生產(chǎn)工藝

該礦回采的盤(pán)區(qū)為單翼開(kāi)采，工作面布局如圖2所示。盤(pán)區(qū)內(nèi)依次沿傾向布置回采工作面，各工作面走向長(zhǎng)度在2 632 m左右，傾斜長(zhǎng)度約300 m，平均采高分別為6.2 m。各工作面之間設(shè)留的區(qū)段煤柱為35 m。選用長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤放法。目前回采42018工作面，工作面選用ZYT12000/28/63D支架，共計(jì)175臺(tái)；采空區(qū)垮落處理頂板。

圖2 盤(pán)區(qū)工作面布置

工作面采用“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)方式，進(jìn)、進(jìn)回風(fēng)巷道尺寸分別為4.6 m×3.8 m,5.4 m×3.6 m，輔運(yùn)巷將作為下一工作面的回風(fēng)巷進(jìn)行使用。輔運(yùn)巷頂部采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，煤柱及煤壁幫采用金屬錨桿配合T100鋼帶支護(hù)。受深部大采高采場(chǎng)和臨空開(kāi)采等的多重條件影響，導(dǎo)致覆巖內(nèi)部裂隙發(fā)育、裂隙演化程度高。掌握35 m煤柱演化特征，對(duì)判斷其穩(wěn)定性至關(guān)重要。

2 區(qū)段煤柱采動(dòng)環(huán)境分析

深部大采高工作面回采后，形成典型的“時(shí)-空-強(qiáng)”擾動(dòng)特點(diǎn)。深部煤層的煤柱成型時(shí)，煤柱受到的上覆巖層的均布載荷和巷道側(cè)向應(yīng)力，形成了煤柱的靜載荷(δq)；煤柱兩側(cè)工作面回采加劇了擾動(dòng)應(yīng)力的大小和范圍，并作用于煤柱，形成了煤柱的動(dòng)載荷(δd)。工作面更迭，煤柱受兩側(cè)工作面回采的影響，導(dǎo)致動(dòng)載增大、擾動(dòng)范圍增加，形成了煤柱二次動(dòng)載荷(δd2)。根據(jù)巖層控制理論可知，大采高采場(chǎng)煤柱煤柱兩側(cè)的支承應(yīng)力隨著煤柱寬度L減小，向煤柱內(nèi)部發(fā)生遷移，如圖3所示。煤柱減小至L′時(shí)，側(cè)向應(yīng)力在其內(nèi)部形成重合，形成彈性核。當(dāng)煤柱寬度小于彈性核寬度，易導(dǎo)致煤幫支承應(yīng)力超過(guò)煤體極限強(qiáng)度，形成變形、垮幫，進(jìn)而引發(fā)煤柱型動(dòng)力災(zāi)害。

圖3 煤柱應(yīng)力分布特征

區(qū)段煤柱最小寬度為兩側(cè)工作面擾動(dòng)下彈性區(qū)重合的寬度。同時(shí)考慮煤體儲(chǔ)能能力，最終共同決定煤柱的尺寸。因此分析工作面之間留設(shè)的35 m煤柱，在不同采動(dòng)下的演化特征對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

3 區(qū)段煤柱演化特征

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)煤層賦存情況，參考鉆孔柱狀圖，結(jié)合Itasca公司有限差分法(FLAC3D)的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，采用CAD-Midas圖形導(dǎo)入模式，建立模型，如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬建立

FLAC3D大型三維計(jì)算模型尺寸為900 m×180 m×800 m(長(zhǎng)×寬×高)，設(shè)置2個(gè)回采工作面，工作面中間為煤柱(L)。模型頂部向下施加力為9.6 MPa。煤層劃分網(wǎng)格為1 m，頂、底板劃分網(wǎng)格為2 m。回采計(jì)算中，設(shè)置大變形。利用區(qū)塊鏈理念分析擾動(dòng)下各煤柱運(yùn)動(dòng)特征。沿Z軸350 m取切片(A-A)，分析煤柱成型及兩側(cè)開(kāi)采擾動(dòng)的塑性破壞、位移及應(yīng)力分布規(guī)律。

根據(jù)工程地質(zhì)資料和相關(guān)研究提供巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

3.2 塑性區(qū)演化特征

煤柱的破壞模式主要以剪切破壞為主，如圖5所示，紅色為剪切破壞特征，綠色為剪切-抗壓破壞特征。單側(cè)開(kāi)采下，未采側(cè)呈現(xiàn)“倒臺(tái)階”塑性破壞，開(kāi)采側(cè)出現(xiàn)4～5 m的塑形破壞范圍，整個(gè)塑占比25.2%；雙側(cè)開(kāi)采下，35 m煤柱頂部1 m范圍首先出現(xiàn)貫通性塑性破壞，煤柱內(nèi)部呈現(xiàn)“梯型”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；塑性破壞的邊間均呈現(xiàn)“倒臺(tái)階”，整個(gè)破壞面積達(dá)到了40%。

圖5 塑性破壞特征

煤柱成型后在靜載荷作用下，煤柱兩端均出現(xiàn)了2 m×5 m的塑性破壞破特征，具有明顯的對(duì)稱(chēng)性。煤柱兩幫各破壞范圍面積約20 m2，占整體面積的9.52%。巷道頂、底板的塑性塑性破壞分別為4 m、2 m。

3.3 應(yīng)力演化規(guī)律

煤柱兩側(cè)依次回采，應(yīng)力集中由煤柱兩幫約4 m遷移至8 m處；應(yīng)力峰值由30.25 MPa增加至50 MPa。同時(shí)，煤柱頂板的支承應(yīng)力向未開(kāi)采煤體遷移，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱(chēng)性的應(yīng)力分布特征。煤柱內(nèi)部不同擾動(dòng)下及雙側(cè)擾動(dòng)下35 m范圍內(nèi)頂板的應(yīng)力分布，如圖6(a)～(b)所示。

靜載作用下35 m煤柱內(nèi)部擾動(dòng)應(yīng)力特征呈對(duì)稱(chēng)性，距兩幫約2 m處出現(xiàn)1 m×1 m的應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值約為18.38 MPa。在煤柱上部的老頂內(nèi)部形成了約12，13.05 MPa的應(yīng)力曲線，如圖6(c)所示。

圖6 不同載荷下煤柱應(yīng)力分布特征

如圖7(a)所示，煤柱從成型下的靜載和42016，42018工作面的依次采動(dòng)下，35 m煤柱內(nèi)部應(yīng)力基本呈2倍增大；形成的應(yīng)力峰值距幫部的距離分別為2 m、4 m和7 m。靜載和雙側(cè)擾動(dòng)下的應(yīng)力分布基本呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性，靜載和單側(cè)采動(dòng)下的擾動(dòng)應(yīng)力低于煤體的抗壓強(qiáng)度。煤柱35 m范圍內(nèi)的頂板應(yīng)力分布特征，如圖7(b)所示。不同位置的頂板均呈“凸”狀分布，且擾動(dòng)應(yīng)力峰值隨層位上升向42106工作面?zhèn)纫苿?dòng)。

圖7 煤柱各區(qū)域應(yīng)力擾動(dòng)情況

4 工程實(shí)踐

4.1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)上述對(duì)35 m煤柱不同狀態(tài)下分析可知：隨著煤柱成型、單側(cè)擾動(dòng)、雙側(cè)擾動(dòng)，煤柱內(nèi)部的塑性破壞主要以剪切破壞為主，且最終呈現(xiàn)“梯型”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。不同采動(dòng)下，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力擾動(dòng)基本呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性，雙側(cè)擾動(dòng)下的應(yīng)力分布高于煤體的抗壓強(qiáng)度。因此在雙側(cè)采動(dòng)前對(duì)回風(fēng)巷道不同位置進(jìn)行分區(qū)式的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，達(dá)到保障35 m煤柱穩(wěn)定性的目的。

在成巷的支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行巷道全斷面分區(qū)式補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)方案如圖8所示。巷道煤柱幫、頂板采用錨索支護(hù)，煤墻幫采用錨桿支護(hù)。

圖8 巷道支護(hù)方案

根據(jù)巷道變形實(shí)際情況，錨桿、錨索施工位置可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，確保支護(hù)效果。為了防治煤柱側(cè)受雙重?cái)_動(dòng)影響產(chǎn)生的大變形，采用錨索進(jìn)行支護(hù)。巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)采用的錨索均為19芯非防腐錨索，并配合索具；錨索之間用錨網(wǎng)片連接完整。煤柱兩幫底角采用金屬錨桿支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 800 mm，傾角30°。巷道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 巷道支護(hù)參數(shù)

4.2 煤柱穩(wěn)定性檢測(cè)

42018工作面回風(fēng)巷經(jīng)歷了完整的“動(dòng)-靜”載荷作用，通過(guò)對(duì)其頂、煤柱幫變形監(jiān)測(cè)，分析其穩(wěn)定性。在工作面3聯(lián)巷的頂板及煤柱幫分別采用LBY-3離層儀和BGK-A3多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行圍巖觀測(cè)，檢測(cè)設(shè)備有效監(jiān)測(cè)最大位移分別為300，500 mm。當(dāng)工作面距監(jiān)測(cè)回風(fēng)3聯(lián)巷200 m時(shí)開(kāi)始記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

雙側(cè)回采影響，巷道頂板及煤柱幫出現(xiàn)3種不同速率的沉降特征，Ⅰ、Ⅱ區(qū)變化規(guī)律基本相同，Ⅲ區(qū)加速變化，如圖9所示。頂板3#，4#檢測(cè)特征如圖9(a)所示，Ⅰ區(qū)200～55 m頂板下沉呈線性增加，沉降量逐步增至30 mm左右；Ⅱ區(qū)55～5 m頂板受采動(dòng)影響下沉速率加快，沉降范圍在75～30 mm，平均增長(zhǎng)率為0.6；Ⅲ區(qū)工作面位置至采空區(qū)70 m，下沉速率最快(沉降率約為3.6)；距采空區(qū)70 m時(shí)，頂板加速變并出現(xiàn)變化拐點(diǎn)，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在-50，-80 m發(fā)生垮落。煤柱的水平移動(dòng)量如圖9(b)所示。煤柱幫經(jīng)過(guò)了“穩(wěn)定增加-增加-迅速增加”3個(gè)變化，其中Ⅰ區(qū)200～85 m煤柱水平位移呈線性增架，逐步增加至30 mm左右；Ⅱ區(qū)0～80 m頂板受采動(dòng)影響下沉速率加快，沉降范圍在60～30 mm，0～80 m煤柱位移呈線性增加，距采空區(qū)80 m時(shí)煤柱位移量達(dá)到監(jiān)測(cè)最值。

圖9 35 m煤柱雙側(cè)擾動(dòng)變形特征

上述可知：35 m煤柱在“單、沿空”采動(dòng)影響的作用下，巷道頂板及煤柱幫經(jīng)歷3種變化的位移特征，并在采空區(qū)內(nèi)發(fā)生完全垮落。35 m煤柱能有效阻止深部礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生，起到良好的支撐作用。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，動(dòng)載作用是主要影響煤柱穩(wěn)定性的因素，尤其雙側(cè)擾動(dòng)下的煤柱極易超過(guò)煤體極限強(qiáng)度，發(fā)生損傷破壞。

2)依次通過(guò)“動(dòng)-靜”影響下的煤柱，其內(nèi)部應(yīng)力峰值位置從2 m遷移至8 m，且雙側(cè)“動(dòng)載”的應(yīng)力高于煤體的抗壓強(qiáng)度；同時(shí)，其內(nèi)部塑性破壞占比從9.52%增加至40%；雙側(cè)“動(dòng)載”下在其內(nèi)部形成穩(wěn)定的“梯型”結(jié)構(gòu)。

3)根據(jù)巷道的不同采動(dòng)影響及煤柱寬度等因素，進(jìn)行分區(qū)支護(hù)。巷道頂板及煤柱幫經(jīng)歷3種變化的位移特征，最終在70～90 m采空區(qū)的運(yùn)動(dòng)達(dá)到極限。35 m煤柱設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)需求，起到良好的支護(hù)作用。