蒙陜地區(qū)強(qiáng)沖擊煤層塑性小煤柱沿空回采期間破壞規(guī)律研究

白俊杰，王健健

(1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2.陜西煤礦安全裝備檢測(cè)中心有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

納林河礦區(qū)位于鄂爾多斯市東勝煤田西邊，該礦井田構(gòu)造形態(tài)總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角1°～3°，主采煤層平均埋深550 m，具有強(qiáng)沖擊傾向性，布置300 m超長(zhǎng)大采高綜采工作面。為了降低臨空側(cè)順槽沖擊風(fēng)險(xiǎn)，回風(fēng)順槽采用沿空小煤柱6.6 m布置技術(shù)。已有研究表明沿空小煤柱掘進(jìn)成巷后呈塑性狀態(tài)[1]，但深部開采[2-3]、超長(zhǎng)大采高工作面大尺度覆巖垮落[4]和相鄰采空區(qū)側(cè)向支撐壓力等多種因素造成沿空塑性小煤柱回采期間變形破壞規(guī)律的特殊性。筆者采用固定工作面法對(duì)塑性小煤柱監(jiān)測(cè)應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后劃分4個(gè)階段；再依據(jù)黑箱理論[5]，對(duì)3個(gè)觀測(cè)站附近的煤體力學(xué)參數(shù)等內(nèi)外部因素和不同觀測(cè)站的同一階段監(jiān)測(cè)應(yīng)力值進(jìn)行無(wú)差別對(duì)待，建立受力單元模型，利用Surfer 15軟件[6]繪制4個(gè)階段的應(yīng)力等值線云圖，提出有效塑性支撐面積指標(biāo)，揭示了塑性小煤柱變形破壞的基本規(guī)律。

1 概述

1.1 工作面概況

該礦主采煤層平均厚度6 m，布置超長(zhǎng)大采高綜采工作面，埋深約600 m，兩側(cè)順槽均沿煤層底板布置，相鄰上側(cè)的工作面已回采結(jié)束，本工作面回風(fēng)順槽采用沿空小煤柱布置，小煤柱凈寬度6.6 m，回風(fēng)順槽3.8 m×5.8 m(高×寬)，如圖1所示。工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 工作面傾向布置示意Fig.1 The tendency layout of the working face

表1 工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on the structure of the overlying rock on the working face

1.2 煤層物理力學(xué)指標(biāo)

經(jīng)鑒定，主采煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，見(jiàn)表2，綜合指數(shù)為0.67，沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為中等。

表2 煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果Table 2 Identification results of coal seam bursting liability

1.3 小煤柱支護(hù)狀況

回風(fēng)順槽沿空小煤柱采用“錨網(wǎng)索+鋼帶”進(jìn)行支護(hù)。錨桿為φ22 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度不小于500 MPa，安裝預(yù)緊扭矩不小于300 N·m，錨桿間排距800×900 mm；錨索規(guī)格為φ21.8 mm×3 750 mm(1×19股)高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，安裝張緊強(qiáng)度不小于30 MPa，間排距1 500 mm×2 000 mm。鋪設(shè)φ8 mm鉛絲、網(wǎng)孔40 mm×40 mm的菱形鉛絲網(wǎng)，并滯后掘進(jìn)迎頭200 m進(jìn)行噴漿封閉處理。回采期間回風(fēng)順槽超前0～50 m采用6臺(tái)垛架(ZZ16000/26/44D)支護(hù)，超前50～200 m采用ZQ5000/25/44單元支架支護(hù)。

2 小煤柱鉆孔應(yīng)力計(jì)布置情況

超前工作面回采動(dòng)壓影響300 m以外，在小煤柱幫部腰線1.5 m高處布置煤體鉆孔應(yīng)力計(jì)3組，1#、2#和3#觀測(cè)站相鄰組間距分別為60 m、50 m，4孔/組，深度分別為1 m、2 m、3 m和4 m，應(yīng)力計(jì)初始油壓6 MPa。如圖2所示。

圖2 小煤柱煤體鉆孔應(yīng)力計(jì)布置平面示意Fig.2 Layout of borehole stress gauges for small coal pillars

3 小煤柱鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 基于應(yīng)力值變化的分區(qū)劃分

隨著工作面的回采，塑性小煤柱逐步承壓[7]，其內(nèi)部煤體鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值開始變化，基于固定工作面法，對(duì)1#觀測(cè)站的應(yīng)力監(jiān)測(cè)值及其變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示。

圖3 基于鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)值變化的分區(qū)劃分結(jié)果Fig.3 Partition division results based on changes in borehole stress monitoring values

超前50～100 m范圍應(yīng)力監(jiān)測(cè)值基本不變，應(yīng)力值介于3.6～5.7 MPa，除深度4 m處應(yīng)力監(jiān)測(cè)值小幅降低之外，其余深度1 m、2 m和3 m處的應(yīng)力監(jiān)測(cè)值未出現(xiàn)明顯變化，此階段處于塑性穩(wěn)定階段。

超前0～50 m范圍應(yīng)力監(jiān)測(cè)值，深度1 m、2 m和3 m處應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值先略微小幅升高后又小幅度降低，深度4 m處應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值基本保持不變，小煤柱內(nèi)部開始出現(xiàn)變形、位移，此階段處于塑性破壞初始階段。

滯后工作面0～40 m采空區(qū)范圍各監(jiān)測(cè)位置的應(yīng)力監(jiān)測(cè)值升降幅度各異，深度為1 m和3 m處應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值快速升高至10 MPa左右，升高幅度5～6.5 MPa；深度為2 m和4 m處應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值快速下降至不足2 MPa，降低幅度4～6 MPa，說(shuō)明塑性小煤柱內(nèi)部出現(xiàn)不均勻的變形和位移，甚至局部出現(xiàn)大變形、大位移，此階段處于破裂失穩(wěn)階段[8]。

滯后工作面40～80 m采空區(qū)范圍應(yīng)力監(jiān)測(cè)值快速下降，直至為零(監(jiān)測(cè)纜線被壓斷路)，此階段處于采空區(qū)壓實(shí)階段[9]。

3.2 分階段應(yīng)力演化規(guī)律分析

在上述固定工作面方法基礎(chǔ)上，鑒于煤體為非連續(xù)固體介質(zhì)[10]，并且臨空小煤柱內(nèi)部存在極為復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，依據(jù)黑箱理論，對(duì)3組監(jiān)測(cè)點(diǎn)出的煤巖體狀態(tài)、力學(xué)性能及應(yīng)力環(huán)境等因素進(jìn)行無(wú)差別對(duì)待[11]，將1#、2#和3#觀測(cè)站按1 m等間距均勻分布在走向11 m長(zhǎng)度范圍的小煤柱內(nèi)部。在此基礎(chǔ)上，在塑性小煤柱幫部的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置高度(巷道腰線1.5 m處)建立水平切面的單元模型，尺寸為6.6 m×11 m，以模型左下角為起始點(diǎn)(0，0)建立局部坐標(biāo)系，走向監(jiān)測(cè)范圍長(zhǎng)度X∈(0，11)，小煤柱寬度Y∈(0，6.6)，采用Surfer 15軟件對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出4個(gè)階段的應(yīng)力等值線云圖[12]，如圖4所示。

由圖4分析可知：①超前50～100 m范圍處于塑性支撐階段。模型內(nèi)2～6.5 MPa應(yīng)力面積占總面積的80%以上，此階段小煤柱基本穩(wěn)定，應(yīng)力水平基本不變，最大應(yīng)力值為5.0～6.5 MPa。②超前0～50 m范圍處于塑性破壞初始階段。模型內(nèi)2～6.5 MPa應(yīng)力面積占總面積的65%左右，應(yīng)力先略微升高后小幅度降低，塑性小煤柱內(nèi)部開始出現(xiàn)變形、位移。③滯后工作面0～40 m采空區(qū)范圍處于破裂失穩(wěn)階段。模型內(nèi)2～6.5 MPa應(yīng)力面積占總面積的45%左右，小煤柱內(nèi)部應(yīng)力升降幅度各異，開始出現(xiàn)大變形、大位移。④滯后工作面40～80 m采空區(qū)范圍處于壓實(shí)階段。模型內(nèi)2～6.5 MPa應(yīng)力面積占總面積的25%以下，小煤柱應(yīng)力快速下降(監(jiān)測(cè)線斷路)，此階段塑性支撐區(qū)域呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，且局部最大應(yīng)力值僅4～5 MPa。

隨著工作面的回采，小煤柱先后經(jīng)歷了塑性支撐狀態(tài)、塑性破壞初始階段、塑性破壞失穩(wěn)階段和壓實(shí)階段。在塑性小煤柱承載受壓過(guò)程中，可將應(yīng)力值大于2.0 MPa的面積初步視為有效塑性支撐面積。在4個(gè)階段中塑性支撐面積占比逐步縮小，分別占比80%以上、65%、45%和25%以下，前3個(gè)階段塑性承載面積內(nèi)的應(yīng)力梯度逐步增大，呈現(xiàn)離散化趨勢(shì)，且在塑性破壞初始階段至塑性破壞失穩(wěn)階段的2個(gè)階段最為明顯，最終造成小煤柱內(nèi)部出現(xiàn)不均勻位移，甚至局部地段形成拉伸和剪切破壞，加劇了小煤柱的整體變形失穩(wěn)破壞。

3.3 小煤柱支撐能力分階段變化規(guī)律

對(duì)圖4中4個(gè)階段的應(yīng)力等值線云圖，按梯度Δσ=0.5 MPa劃分的各應(yīng)力梯度單元面積si，對(duì)單元模型內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行積分，分析整體支撐能力F的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖4 4個(gè)階段小煤柱內(nèi)部應(yīng)力等值線云圖Fig.4 Internal stress contour map of small coal pillars in four stages

圖5 4個(gè)階段小煤柱支撐能力分階段變化曲線Fig.5 Stage-by-stage change curve of the support capacity of small coal pillars in 4 stages

(1)

基于以上數(shù)據(jù)，對(duì)式(1)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3所列，后3個(gè)階段支撐能力分別較前一階段出現(xiàn)不同程度的降低，各階段的小煤柱整體承載能力呈現(xiàn)塑性-弱支撐的性能。塑性破壞初始階段的塑性支撐能力下降幅度達(dá)到47.09%，塑性支撐面積占比下降至65%，因此，在塑性小煤柱回采期間應(yīng)做好支護(hù)強(qiáng)度和回采速度的平衡管控，確保沿空塑性小煤柱巷道在回采服務(wù)期間超前50 m范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)大尺度位移和提前失穩(wěn)破壞。

表3 單元模型小煤柱支撐能力分階段統(tǒng)計(jì)Table 3 Stage-by-stage statistics of the support capacity of small coal pillars in the unit model

4 結(jié)論

(1)塑性狀態(tài)的小煤柱，回采期間呈現(xiàn)出明顯的4個(gè)階段應(yīng)力演化特征，直至完全破壞失穩(wěn)。

(2)塑性小煤柱受壓承載過(guò)程中，有效塑性支撐面積占比逐步縮小且呈現(xiàn)離散化，整體承載能力呈現(xiàn)塑性-弱支撐的性能和逐步降低的趨勢(shì)，避免了在采空區(qū)出現(xiàn)支撐性煤柱的沖擊隱患。

(3)有效塑性支撐面積作為塑性小煤柱變形破壞關(guān)鍵指標(biāo)，應(yīng)平衡好塑性小煤柱在塑性破壞初始階段的服務(wù)時(shí)間和支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化布置位置、應(yīng)力環(huán)境、支護(hù)等人工干預(yù)手段對(duì)其面積占比及離散化的發(fā)展程度進(jìn)行有效地控制，避免塑性小煤柱提前出現(xiàn)大變形、大位移，制約工作面安全生產(chǎn)。