不規(guī)則孤島綜放面應(yīng)力場(chǎng)演變規(guī)律及破壞特征研究

裴元成，魏啟明，何 軍，陳振華，殷 鵬，賈柏懿，孫 瑞，李 娟

(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限公司石槽村煤礦，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750411)

0 引言

煤炭作為我國主要能源支柱，不斷推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量快速增長，并且在未來很長一段時(shí)間內(nèi)的主體地位不會(huì)改變[1-3]。但隨著礦井的開采，開采條件簡單的煤層資源已基本開采完畢。為提高煤炭采出率、增加礦井服務(wù)年限，一些礦井不得不面對(duì)孤島工作面開采的難題；孤島工作面處于多面采動(dòng)支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)，具有應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜、圍巖破碎嚴(yán)重、礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象明顯等特點(diǎn)[4-5]。梁東輝等[6]采用數(shù)值模擬的方法研究了遺留煤柱下四面鄰空孤島工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；喬沖等[7]研究了不規(guī)則孤島工作面采動(dòng)過程中應(yīng)力演化特征，結(jié)果表明，工作面的變化會(huì)造成采動(dòng)應(yīng)力傳播的突變；朱斯陶等[8]研究了孤島工作面沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理，結(jié)果表明，采空區(qū)上覆圍巖的自重與巷幫的應(yīng)力之和超過孤島工作面的承受力；年福田[9]通過優(yōu)化注漿工藝與參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了孤島工作面的快速注漿，提升了孤島工作面的承壓能力，實(shí)現(xiàn)了孤島工作面的安全開采；劉懷喜等[10]研究了采動(dòng)過程中孤島工作面近斷層開采保護(hù)煤柱的應(yīng)力變化特征，給出了合理的保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸；王虎勝[11]研究了郭莊煤業(yè)2306孤島工作面留設(shè)窄煤柱的可行性，結(jié)果表明，窄煤柱對(duì)孤島工作面底鼓治理有明顯作用；樊俊鵬等[12]提出了以“小煤柱沿空掘巷+高工作阻力液壓支架+堅(jiān)硬巖層地面水力致裂+巷道卸壓”為核心的孤島工作面安全生產(chǎn)技術(shù)保障體系；張茂微[13]基于孤島工作面過上覆采空區(qū)采場(chǎng)及頂板應(yīng)力演化規(guī)律，得出孤島工作面過上覆采空區(qū)過程中頂板的重點(diǎn)管控區(qū)域；任興[14]研究了綜放孤島工作面覆巖破斷規(guī)律及采場(chǎng)圍巖控制技術(shù)。

孤島工作面巷道圍巖穩(wěn)定控制一直是影響其高效開采的重要因素之一[15]。目前，孤島工作面安全開采技術(shù)在煤柱的留設(shè)尺寸、支護(hù)方式等方面有較多研究，但對(duì)應(yīng)用擴(kuò)、縮面工藝的孤島工作面煤炭回采過程中覆巖應(yīng)力場(chǎng)演變規(guī)律及其破壞特征研究較少。筆者以龜茲煤礦A503不規(guī)則孤島綜放工作面為工程背景，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，模擬工作面推進(jìn)距離與工作面面長變化對(duì)工作面的影響，為實(shí)際開采提供了理論指導(dǎo)。

1 工作面概況

1.1 工作面概況

龜茲煤礦目前正在開采A5煤層，煤層傾角8°，煤層平均厚度5.4 m。煤層頂板主要為中砂巖與細(xì)砂巖，呈灰白色；底板主要為砂巖，含有少量碳屑，整體呈深灰色。A5煤層距上部A6煤層(已全部開采完畢)平均層間距20 m，距下部A3煤層平均層間距為22 m。A503綜放工作面開采A5煤層，南鄰即將結(jié)束回采的A502綜放工作面、北鄰已采空的A504房柱式采空區(qū)，A503屬不規(guī)則孤島工作面。

1.2 A503工作面覆巖結(jié)構(gòu)

A503工作面覆巖結(jié)構(gòu)在A503工作面形成到開采后共分為3個(gè)形成階段。

(1)房柱式開采階段。在A504工作面房柱式開采時(shí)，上覆巖層發(fā)生下沉，產(chǎn)生裂隙發(fā)育，但由于受遺留房柱影響，覆巖運(yùn)動(dòng)使關(guān)鍵層未發(fā)生破斷，載荷仍遺留在房柱上方。

(2)綜放開采階段。在A502綜放工作面開采時(shí)，上覆巖層移動(dòng)下沉，關(guān)鍵層發(fā)生破斷，一部分頂板載荷向A503工作面轉(zhuǎn)移，A503工作面形成孤島工作面結(jié)構(gòu)。

(3)孤島工作面開采階段。在A503綜放工作面開采時(shí)，頂板移動(dòng)下沉影響到兩側(cè)采空區(qū)，使頂板載荷繼續(xù)向A503工作面轉(zhuǎn)移，在A503工作面煤體四周及煤柱內(nèi)形成較大的載荷集中。

2 不規(guī)則孤島工作面采場(chǎng)圍巖變形破壞特征

2.1 FLAC模型及開挖方案

為了分析不規(guī)則孤島工作面采場(chǎng)圍巖變形破壞特征，根據(jù)龜茲煤礦地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值模型，分析在A6 煤層、A502工作面、A504工作面采空的情況下，A503不規(guī)則孤島工作面回采過程中覆巖和煤柱應(yīng)力演化特征。由于A503不規(guī)則孤島工作面在開采過程中，擴(kuò)面和縮面均表現(xiàn)為面長變化，其采場(chǎng)演化體征趨向一致，所以本模型僅研究工作面擴(kuò)面過程中采場(chǎng)的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)的變化情況。

數(shù)值模型尺寸為 650 m×260 m×71 m(長×寬×高)，整個(gè)模型從上至下共7層巖層，具體巖層參數(shù)見表 1 。模型頂部施加等效于上覆巖層自重的均布載荷9.03 MPa(按上覆巖層容重 2 300 kN/m3計(jì)算)，兩邊固定水平位移，底邊固定垂直位移。共劃分 155 925個(gè)單元，165 600個(gè)結(jié)點(diǎn)。

表1 不同巖層物理力學(xué)參數(shù)

為模擬不規(guī)則工作面三面鄰空應(yīng)力環(huán)境條件，在正式開挖前需要對(duì)A6 煤層及A502工作面進(jìn)行預(yù)先開挖，設(shè)計(jì)模擬方案如下：對(duì)A503工作面面長恒定為 60 m 的區(qū)域進(jìn)行分步開挖，每次推進(jìn)10 m 至模型平衡；分析工作面推進(jìn)距離為10、20、30、40 m時(shí)，A503工作面應(yīng)力場(chǎng)分布、位移場(chǎng)分布及塑性區(qū)破壞情況；在開挖完初始面長不變區(qū)域后，對(duì)面長變化區(qū)域進(jìn)行開挖，每次推進(jìn)10 m至模型平衡；分析面長為 60、71、105、128、150、160 m 時(shí)，A503工作面應(yīng)力場(chǎng)分布、位移場(chǎng)分布及塑性區(qū)破壞情況。

2.2 不規(guī)則孤島工作面覆巖應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值模擬分析

2.2.1 推進(jìn)距離對(duì)工作面的影響

A503工作面回采時(shí)，當(dāng)面長為 60 m，推進(jìn)距離為 10、20、30、40 m時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制采動(dòng)影響下頂板垂直應(yīng)力曲線，如圖1所示。

圖1 A503工作面面長60 m時(shí)不同推進(jìn)距離下頂板垂直應(yīng)力曲線(面長不變)

由圖1可知，A503工作面開采時(shí)，超前工作面50 m范圍內(nèi)頂板所受垂直應(yīng)力隨一次推進(jìn)距離(面長 60 m)的增加而增大，整體應(yīng)力曲線呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，在距工作面5 m左右出現(xiàn)峰值應(yīng)力，且隨推進(jìn)距離增大，峰值應(yīng)力增加幅度不斷增大。當(dāng)一次推進(jìn)距離為40 m時(shí)，工作面煤壁處的最大垂直應(yīng)力為7.3 MPa，超前工作面50 m的位置其頂板垂直應(yīng)力為3.0 MPa；當(dāng)一次推進(jìn)距離為10 m 時(shí)，工作面煤壁處的最大垂直應(yīng)力為5.1 MPa，超前工作面50 m的位置其垂直應(yīng)力為2.8 MPa，說明推進(jìn)距離的大小對(duì)峰值應(yīng)力影響較大，對(duì)超前工作面 50 m 之外的范圍影響不大。

面長60 m超前工作面50 m范圍內(nèi)A503工作面頂板下沉曲線(面長不變)如圖2所示。

圖2 超前工作面50 m范圍內(nèi)A503工作面頂板下沉曲線(面長不變)

由圖2可知，A503 工作面開采時(shí)，超前工作面50 m范圍內(nèi)頂板最大垂直位移隨單次推進(jìn)距離的增加而增大，整體的位移曲線與應(yīng)力曲線呈先增后減趨勢(shì)，在距工作面5 m處頂板下沉量最大。當(dāng)單次推進(jìn)距離為40 m時(shí)，工作面煤壁處的最大垂直位移為0.026 m，超前工作面10 m外時(shí)，頂板垂直位移曲線基本保持穩(wěn)定，其頂板垂直位移約為0.018 m；當(dāng)單次推進(jìn)距離為10 m時(shí)，工作面煤壁處的最大垂直位移為0.010 m，超前工作面50 m的位置其頂板幾乎沒有下沉，主要是由于 A503 工作面整體處于卸壓區(qū)中，圍巖變形受一次采動(dòng)影響較小。

2.2.2 面長對(duì)工作面的影響

A503工作面回采時(shí)，當(dāng)推進(jìn)距離為50 m，面長分別為60、71、105、128、150、160 m時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制面長影響下頂板垂直應(yīng)力曲線，如圖3所示。由圖3可知，A503工作面開采時(shí)，超前工作面50 m范圍內(nèi)頂板所受垂直應(yīng)力隨面長的增加而增大，垂直應(yīng)力曲線呈現(xiàn)先增后減，最后基本趨于平緩，在距工作面5 m左右出現(xiàn)峰值應(yīng)力。面長60 m時(shí)，工作面峰值應(yīng)力為3.0 MPa，超前工作面50 m的位置其頂板垂直應(yīng)力為1.0 MPa；面長160 m時(shí)，工作面峰值應(yīng)力為6.8 MPa，超前工作面50 m的位置其垂直應(yīng)力為1.9 MPa，說明面長的大小不僅對(duì)峰值應(yīng)力影響較大，對(duì)超前工作面50 m外位置仍有較大的影響。

超前工作面50 m范圍內(nèi)A503 工作面不同面長頂板下沉曲線如圖4所示。由圖4可知，在 A503 工作面開采時(shí)，超前工作面 50 m 范圍內(nèi)頂板最大垂直位移隨面長的增大先增大后減小，且最大下沉位移點(diǎn)均出現(xiàn)在距工作面 5 m 左右。面長 60 m 時(shí)，工作面的峰值位移為 0.023 m，超前工作面頂板垂直位移隨著超前工作面長度的增加逐漸減小，靠近超前工作面50 m處的頂板垂直位移為0.017 m；面長160 m時(shí)，工作面峰值位移為0.064 m，超前工作面40 m以后，頂板垂直位移變化幅度較小，且隨著超前工作面長度的增加，垂直位移的變化幅度越來越小，頂板位移趨于穩(wěn)定，說明面長對(duì)超前工作面50 m之外的擾動(dòng)較小。

2.3 不規(guī)則孤島工作面煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.3.1 推進(jìn)距離對(duì)區(qū)段煤柱的影響

A503工作面回采時(shí)，當(dāng)面長60 m，工作面推進(jìn)距離為10、20、30、40 m時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制采動(dòng)影響下超前工作面10 m處垂直于推進(jìn)方向鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱應(yīng)力曲線，如圖5所示，圖中橫坐標(biāo) 0 點(diǎn)對(duì)應(yīng)鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱煤壁，0 點(diǎn)左側(cè)代表巷道頂板及 A502工作面部分頂板，0 點(diǎn)右側(cè)代表鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱。

由圖5可知，區(qū)段煤柱內(nèi)的應(yīng)力遠(yuǎn)高于采空區(qū)側(cè)，隨著工作面推進(jìn)距離的增大，煤柱內(nèi)的峰值應(yīng)力逐漸增大，且峰值應(yīng)力出現(xiàn)在距采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱煤壁約5.3 m處。峰值應(yīng)力的大小受單次推進(jìn)距離影響，隨推進(jìn)距離增加而增大，當(dāng)單次推進(jìn)距離10 m時(shí)，峰值應(yīng)力最大為6.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.9；當(dāng)單次推進(jìn)距離40 m時(shí)，峰值應(yīng)力最大為 7.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù) 2.2。

A503工作面面長60 m時(shí)，不同推進(jìn)距離下鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱頂板位移曲線如圖6所示。由圖6可知，鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱頂板位移隨單次推進(jìn)距離增加而增加，且最大頂板下沉出現(xiàn)在區(qū)段煤柱左側(cè)，距采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱煤壁-2 m處，即A502 工作面巷道頂板，當(dāng)推進(jìn)距離為40 m時(shí)，此時(shí)巷道頂板的下沉量最大，達(dá)到0.036 m；而區(qū)段煤柱內(nèi)的位移隨著距區(qū)段煤柱煤壁的距離的增加而減小，主要是由于區(qū)段煤柱內(nèi)部雖然壓力逐漸增大，但處于三向受力狀態(tài)，因此煤柱的承載能力較強(qiáng)。

圖6 A503工作面面長60 m時(shí)不同推進(jìn)距離下鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱頂板位移曲線

2.3.2 面長變化對(duì)區(qū)段煤柱的影響

A503 工作面回采時(shí)，當(dāng)推進(jìn)距離為50 m，面長分別為60、71、105、128、150、160 m時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制面長影響下鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱頂板應(yīng)力曲線，如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)0點(diǎn)對(duì)應(yīng)鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱煤壁，0 點(diǎn)右側(cè)對(duì)應(yīng)鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布，其大小隨面長增加而增大，峰值應(yīng)力出現(xiàn)在5 m左右處。由圖7可知，面長 60 m 時(shí)，峰值應(yīng)力為2.4 MPa；面長 160 m 時(shí)，峰值應(yīng)力為 6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為 1.8。

圖7 A503工作面推進(jìn)距離50 m不同面長鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱應(yīng)力曲線

鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱工作面頂板下沉情況如圖8所示，隨著工作面面長的增大，頂板最大位移呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，且最大位移出現(xiàn)在采空區(qū)側(cè)；當(dāng)面長為60 m時(shí)，采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力最小，此時(shí)頂板最大位移量也最小，最大頂板位移量僅為0.010 m，且距離區(qū)段煤柱較近，當(dāng)面長為150 m時(shí)，頂板位移最大值為0.042 m，并且頂板位移隨著向區(qū)段煤柱內(nèi)部延深而減小，主要是區(qū)段煤柱內(nèi)部處于三向受力狀態(tài)，限制了頂板的變形，并且越向煤柱內(nèi)部延深，其所有的限制越大，因此頂板位移量逐漸減小。

圖8 A503工作面推進(jìn)距離50 m不同面長鄰房柱式采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱頂板位移曲線

2.4 不規(guī)則孤島工作面區(qū)段煤柱穩(wěn)定性校核

基于SMP準(zhǔn)則，結(jié)合煤礦實(shí)際地質(zhì)條件，得出區(qū)段煤柱彈性核區(qū)寬度與煤柱寬度關(guān)系公式：

Lp=-5.19+W

(1)

式中：Lp——區(qū)段煤柱彈性核區(qū)寬度，m；

W——煤柱寬度，m。

結(jié)合數(shù)值模擬分析，并對(duì)龜茲煤礦A5 煤層A503工作面極不規(guī)則區(qū)段煤柱的合理寬度設(shè)計(jì)進(jìn)行分析以及煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行校核，可為A503工作面極不規(guī)則區(qū)段煤柱的合理寬度設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，結(jié)果見表 2。煤柱寬度與彈性核區(qū)寬度關(guān)系如圖9所示。

圖9 煤柱寬度與彈性核區(qū)寬度關(guān)系

表2 彈性核區(qū)寬度校核

A503工作面為了盡可能多地回收煤炭資源，采用極不規(guī)則布置，使得邊界煤柱寬度在不斷變化，因此需要對(duì)煤柱的強(qiáng)度進(jìn)行校核。各區(qū)域理論彈性核區(qū)小于實(shí)際彈性核區(qū)寬度，理論面長范圍所受最大載荷大于實(shí)際所受最大載荷。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，按照不規(guī)則布置所留的煤柱寬度其強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，所以方案合理。

3 結(jié)論

(1)隨著推進(jìn)距離增加，工作面頂板所受垂直應(yīng)力的峰值應(yīng)力也在不斷增大，距工作面5 m左右出現(xiàn)峰值應(yīng)力，覆巖整體應(yīng)力曲線呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，且隨推進(jìn)距離增大，峰值應(yīng)力增加幅度不斷增大；工作面頂板所受垂直應(yīng)力隨面長的增加而增大，整體應(yīng)力曲線呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，最后基本趨于平緩，且隨面長增大，峰值應(yīng)力的增加幅度不斷減小。

(2)推進(jìn)距離與煤柱的峰值應(yīng)力及頂板位移呈正相關(guān)，即隨著推進(jìn)距離的不斷增大，煤柱的峰值應(yīng)力與煤柱頂板位移均不斷增大；隨著面長的增加，煤柱的峰值應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，煤柱頂板位移呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。

(3)基于SMP準(zhǔn)則，結(jié)合龜茲煤礦實(shí)際地質(zhì)條件，得出區(qū)段煤柱彈性核區(qū)寬度的關(guān)系公式，結(jié)合數(shù)值模型模擬結(jié)果，對(duì)三面鄰空環(huán)境下煤柱極限彈性核區(qū)寬度進(jìn)行校核，得出所留設(shè)的煤柱寬度條件下，煤柱不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的結(jié)論。