復合頂板條件下綜采工作面過陷落柱圍巖應力分布規律*

王沉 ，郭臣業 ，張鈺，劉明發，虞志鋼，熊斌，李海洋，胡僑云

(1.重慶市能源投資集團有限公司，重慶 400060；2.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；3.重慶能投工程技術有限公司，重慶 400060；4.中建隧道建設有限公司，重慶 401320)

0 引言

復合頂板主要是由多層強度低的軟弱煤巖巖層相間構成，這些煤巖巖層厚度小、節理、層理以及裂隙高度發育，導致各巖層之間黏結力較小甚至缺失，較易產生離層。復合頂板在我國煤層頂板總數量中的占比約為1/3，而我國發生的頂板事故中，尤其以復合頂板事故為多。近年來，大量學者針對綜采工作面過陷落柱圍巖應力分布進行了系統研究。張村等[1]建立了應力厚筒壁四區圍巖模型，提出了穩定回采巷道的一些措施，從而確保在高應力區工作面開采時不會出現頂板壓力過大、煤壁剝落等礦壓顯現問題。宋彥琦等[2]在彈塑性力學的基礎上，運用復變函數進行推導，得出橢圓截面陷落柱厚壁筒力學模型突水模式的臨界判據方程。結果表明：在陷落柱均布力影響下，厚壁橢圓柱的應力由橢圓柱內壁向外壁逐漸變化，且最大應力位于橢圓柱內壁長半軸兩端，最小應力位于橢圓柱的短半軸處。許進鵬等[3]通過理論計算分析了陷落柱柱體及其周邊應力分布，并采用ANSYS 軟件進行模擬佐證。劉沖[4]針對堅硬陷落柱巖性而研制的新型PVC組合裝配式擴裂彈體可以保證柔性乳化炸藥準確送達炮眼指定位置，提高了各藥包間耦合程度。李曉博等[5]通過彈塑性力學及離散元UDEC 分析得出巷道失穩的主要原因，并采用“錨網索+29U 型可縮支架”支護方案，有效控制陷落柱區域巷道圍巖大變形的問題。張鵬沖[6]采用采煤機割桿和多點布置炮眼放炮通過的方式順利通過了陷落柱，提高了工作面的日進度和煤炭資源的回采率。唐長路[7]采取工程類比法對比分析相同類型工作面過陷落柱的處理方法，采取繞過重開切眼的方式過陷落柱。袁超峰等[8]結合近距離陷落柱之間的位置關系和單個陷落柱的塑性擴展區域的大小，提出了判斷陷落柱之間應力狀態的方法。張星宇 等[9]構建了陷落柱“四帶”地質力學模型，系統研究了推采陷落柱工作面支承壓力演變規律。劉勇 勝[10]采用FLAC3D數值模擬采動過程中陷落柱煤層頂底板和陷落柱周圍巖石應力、滲流、位移和塑性破裂帶的變化。

綜上，國內學者在工作面過陷落柱圍巖應力分布方面取得了豐碩的成果，基于此，本文以常順煤礦9108 工作面為研究背景，擬用數值模擬與現場實測的方法對綜采工作面過陷落柱圍巖應力分布進行研究，為類似地質條件下礦井開采提供理論參考。

1 工程背景

常順煤礦距離山西省盂縣西南約12 km，9108工作面傾斜長度約為196 m，推進長度約為460 m，現主采9#煤層，煤層的埋藏深度約為181～221 m，煤層的平均厚度約為3.22 m，煤層傾角在3°～12°之間，采煤工藝為綜采一次采全高。工作面直接頂為泥巖，平均厚度為3 m，主要為層狀，松散易冒落，老頂為泥巖，平均厚度為5.5 m，在直接頂與老頂之間分布著一層平均厚度約為1.5 m 的煤層，頂板結構具有“軟、弱”的特點，屬于復合頂板，巖層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 巖層柱狀圖

2 數值模擬

2.1 模型建立

基于常順煤礦地質條件，建立FLAC3D數值模型。X方向為工作面推進方向，Y方向為礦層傾向。模型尺寸為長（X）×寬（Y）×高（Z）=300m×290m×67 m，推進前預留50 m 的充填區，開挖時每次推進10 m。充填區采用彈性本構模型，陷落柱使用應變軟化本構模型，其余組分使用摩爾-庫倫本構模型，如圖 2 所示。各巖層的基本物理力學參數見表 1。

圖2 數值模型

模型的邊界條件：在模型z面上約束x、y、z方向位移范圍為(-0.1,0.1)；在模型x面約束x方向位移范圍為(-0.1,0.1)∪(299.9,300.1)；在模型y面約束y方向位移范圍為(-0.1,0.1)∪(289.9,290.1)。

載荷的施加：沿模型的頂部施加沿Z軸負方向的均布載荷以模擬地層載荷，載荷大小為2.14 MPa。各巖層物理力學參數見表1。

表1 各巖層物理力學參數

2.2 工作面揭露陷落柱前

工作面過陷落柱前，工作面圍巖應力分布如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在工作面揭露陷落柱前，工作面推進10 m 時，工作面前方煤壁所受最大壓應力為6.16 MPa，工作面頂板所受拉應力為3.25 MPa；在工作面推進50 m 至陷落柱處時，工作面前方煤壁所受最大壓應力發生激增，達到了17.6 MPa，工作面頂板所受拉應力同時也發生激增，達到了9 MPa。造成這樣的原因主要是工作面向前推進越來越接近陷落柱時，由于陷落柱的自身性質，其內部巖石松散，且多為粘土充填粘結，陷落柱基本不對頂板產生支撐，導致工作面前方煤壁及頂板所受應力越來越大。

圖3 工作面揭露陷落柱前應力分布

2.3 工作面揭露陷落柱時

工作面過陷落柱時，工作面圍巖應力分布如圖4 所示。

由圖4 可以看出，在工作面揭露陷落柱時，工作面推入陷落柱10 m 時，工作面前方煤壁所受最大壓應力為8 MPa，發生了快速降低，工作面頂板所受拉應力為7 MPa，也發生了降低；在工作面推入陷落柱40 m 時，此時工作面將要推出陷落柱，工作面前方煤壁所受最大壓應力幾乎不變，為7.5 MPa，工作面頂板所受拉應力也幾乎不變，為7 MPa。工作面推入陷落柱時，可以發現頂板與前方煤柱的應力都發生了快速降低，但是在陷落柱推進的過程中，頂板與前方煤柱的應力幾乎不發生變化，這是因為陷落柱基本不對頂板進行支撐，同樣的頂板也不對陷落柱產生應力。因此，工作面在陷落柱中推進時，雖然相較于推入前頂板及前方煤壁所受應力降低，但在工作面推進過程中，頂板及前方煤柱所受應力不發生變化。

圖4 工作面揭露陷落柱時應力分布

2.4 工作面揭露陷落柱后

工作面過陷落柱后，工作面圍巖應力分布如圖5 所示。

圖5 工作面揭露陷落柱后應力分布

由圖5 可以看出，在工作面揭露陷落柱后，工作面推出陷落柱10 m 時，工作面前方煤壁所受最大壓應力為12.5 MPa，再次發生了快速增大，工作面頂板所受拉應力為10 MPa，也發生了增大；在工作面推出陷落柱30 m 時，此時工作面已經距離陷落柱較遠，工作面前方煤壁所受最大壓應力達到了15 MPa，工作面頂板所受拉應力為12 MPa，相較于剛推出陷落柱時，頂板及工作面前方煤壁所受應力僅僅有少量的增大，但是相較于工作面在陷落柱內推進時，仍然是產生了較大的增幅。工作面推進中前方煤壁受力情況如圖6 所示。

圖6 工作面推進時前方煤壁受力情況

3 結論

綜上所述，可知工作面推進時前方煤壁具體受力情況。在工作面推進過程中，可將工作面的推進分為過陷落柱前、揭露陷落柱、推過陷落柱3 個階段。工作面過陷落柱過程可將圍巖所受應力變化分為增大、異常增大、降低、二次增大階段。

（1）在工作面揭露陷落柱前，工作面頂板及前方煤壁所受應力隨工作面推進距離的增大而增大，且在即將揭露陷落柱時產生激增。

（2）在工作面揭露陷落柱中，由于陷落柱內部巖石松散，且多為粘土充填粘結，陷落柱對頂板沒有支撐作用，同時頂板也對陷落柱沒有作用應力，導致工作面頂板及前方煤壁的應力明顯降低。

（3）在工作面揭露陷落柱后，工作面又回到了此前揭露陷落柱前的狀態，工作面頂板及前方煤壁的應力又開始增大，直至達到原巖應力區以后，工作面頂板及前方煤壁所受應力開始不發生明顯變化。