馮國(guó)瑞白錦文史旭東戚庭野王朋飛郭 軍王善勇康立勛

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.山西省綠色采礦工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030024; 3.Priority Research Centre for Geotechnical Science & Engineering,the University of Newcastle,Callaghan,NSW 2308)

由于先期開采方法的落后,我國(guó)許多礦井中形成了大量的遺留煤柱,其在空間上密集分布、形態(tài)各異、相互影響、錯(cuò)綜復(fù)雜且尺寸不一,以群落的形式組合形成遺留煤柱群(以下簡(jiǎn)稱“遺留群柱”)[1-2]。

遺留群柱留設(shè)的初衷是為了承擔(dān)覆巖載荷,保障地下采場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[2]。然而,在覆巖應(yīng)力、擾動(dòng)載荷、自然風(fēng)化和積水浸蝕等耦合影響下,局部位置(區(qū)域)遺留煤柱會(huì)發(fā)生由表及里的破裂,進(jìn)而使得承載能力逐漸減弱,可能引發(fā)群柱體系的鏈?zhǔn)狡茐幕颉岸嗝字Z骨牌”失穩(wěn),導(dǎo)致覆巖垮落、地表塌陷、動(dòng)載礦壓、瓦斯外逸或水體下泄等災(zāi)害[3-7]。遺留群柱失穩(wěn)后就會(huì)改變其“發(fā)揮承載作用”的初衷,并轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诘奈：εc隱患。因此,非常有必要系統(tǒng)研究遺留群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的核心機(jī)理,進(jìn)而為遺留群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的科學(xué)防控提供理論支撐。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在煤(礦)柱群的體系穩(wěn)定性方面開展了廣泛地研究。GRAY,KARFAKIS,PRICE 和TAYLOR 等認(rèn)為淺埋廢棄礦井地表的變形沉陷與老空區(qū)遺留煤柱群的破壞失穩(wěn)密切相關(guān),并制定了地表沉陷防治的技術(shù)措施[8-11]。CHEKAN G J 等基于應(yīng)力拱的疊加理論分析了近距離煤層長(zhǎng)壁開采和房式開采的擾動(dòng)影響,并研究了遺留煤柱群的穩(wěn)定性[12]。KAISER P K 和WANG S Y 等運(yùn)用RFPA 數(shù)值軟件分析了礦柱強(qiáng)度和加載系統(tǒng)的剛度等對(duì)礦柱群破壞力學(xué)特性和聲發(fā)射行為的影響[13-14]。AL Heib M 等針對(duì)法國(guó)Senonian 礦區(qū)石膏礦廢棄柱式老采空區(qū)引發(fā)的地表崩塌與沉陷等問(wèn)題,運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式評(píng)價(jià)了廢棄采空區(qū)遺留礦柱群的載荷分布狀況,通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬的方法分別研究了采區(qū)水位分布、層間巖層完整性及其巖性對(duì)雙層遺留礦柱塑性區(qū)分布的影響[15]。TONG 等評(píng)估了中國(guó)徐州廢棄礦井中遺留煤柱群失穩(wěn)對(duì)地表高速公路的影響,并制定了相應(yīng)的防范措施[16]。

國(guó)內(nèi)研究學(xué)者也從不同的研究角度研究了遺留煤(礦)柱群的失穩(wěn)機(jī)理。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的角度出發(fā),張子春和靳鐘銘等研究發(fā)現(xiàn)頂板大面積來(lái)壓冒頂與刀柱式開采遺留煤柱群的面積存在一定的關(guān)系:①當(dāng)采空區(qū)內(nèi)煤柱群面積占采空面積的比例大于30%時(shí),一般不易來(lái)壓及冒落;②當(dāng)煤柱群面積占采空面積的比例低于20%時(shí),往往容易產(chǎn)生大面積來(lái)壓及冒落[17-18]。

運(yùn)用數(shù)值模擬或相似模擬方法,柳宏儒等采用2D-σ程序研究了多煤層條帶開采煤柱群的穩(wěn)定性,揭示了開采寬度、煤柱寬度和充填寬度對(duì)煤柱群穩(wěn)定性的影響規(guī)律[19]。張淑坤等采用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)煤柱群-頂板結(jié)構(gòu)荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行了模擬研究,發(fā)現(xiàn)局部煤柱承載力的衰減會(huì)使得荷載逐漸轉(zhuǎn)移到周圍煤柱之上,臨近煤柱分擔(dān)荷載最多,相隔煤柱受到的影響較小;如果相鄰煤柱因轉(zhuǎn)移荷載而壓潰,則荷載將進(jìn)一步向外轉(zhuǎn)移擴(kuò)散,影響煤柱頂板系統(tǒng)整體穩(wěn)定性[20]。ZHOU 等采用相似材料制備了不同類型的礦柱試樣,開展了單軸壓縮實(shí)驗(yàn),分析了單礦柱及雙礦柱試樣在單軸加載過(guò)程中荷載、變形與聲發(fā)射信息的演變規(guī)律,并采用PFC2D數(shù)值軟件進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,分析了礦柱的安全系數(shù)、礦柱的破壞位置及覆巖的剛度對(duì)礦柱群連鎖動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的影響[21]。朱衛(wèi)兵等開展了下伏近距離煤層開采對(duì)上層房式采空區(qū)遺留煤柱動(dòng)態(tài)失穩(wěn)影響的相似模擬試驗(yàn),揭示了相應(yīng)采動(dòng)條件下工作面切頂壓架的機(jī)理[22-23]。

Voronoi 圖形劃分法可以按間距來(lái)劃分相鄰群柱。崔希民等運(yùn)用Voronoi 圖形劃分法確定了不規(guī)則煤柱的從屬面積,建立了基于載荷轉(zhuǎn)移距離和煤柱有效寬度的不規(guī)則煤柱群穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[3,24-25]。MA 和王金安等提出了礦柱荷載的Voronoi 圖形劃分法,實(shí)現(xiàn)了礦柱失穩(wěn)的動(dòng)態(tài)計(jì)算與預(yù)測(cè),提出了礦柱破壞和荷載轉(zhuǎn)移的計(jì)算方法,模擬了采空區(qū)礦柱群多米諾失穩(wěn)引發(fā)的坍塌,并提出了控制采空區(qū)大面積塌陷的對(duì)策[26-27]。

重整化群理論通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的基本組成單元進(jìn)行一系列的自相似變換,可以獲取宏觀系統(tǒng)的特性描述。郭生茂等利用重整化群理論建立了礦山采空區(qū)群的一維和二維模型,在考慮應(yīng)力重分布對(duì)穩(wěn)定性影響的情況下,求解了礦山采空區(qū)群一維和二維狀態(tài)下礦柱群的臨界失穩(wěn)概率[28]。張淑坤等運(yùn)用重整化群理論深入研究了煤柱個(gè)體與相鄰煤柱之間的荷載傳遞規(guī)律,分析了采空區(qū)煤柱群的穩(wěn)定性,確定了煤柱群失穩(wěn)的臨界概率范圍,探討了荷載傳遞系數(shù)與煤柱群臨界破壞概率之間的關(guān)系[29]。朱德福等研究了石圪節(jié)煤礦雙層柱式采空區(qū)重疊遺留煤柱、部分重疊遺留煤柱和完全交錯(cuò)遺留煤柱群的整體穩(wěn)定性,提出了基于重整化群理論的淺埋房式采空區(qū)煤柱群穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法,并驗(yàn)證了該方法的可靠性[30]。

除此之外,許多學(xué)者還運(yùn)用應(yīng)變能熵值[31-32]、尖點(diǎn)突變理論[6,33]、層次分析法(AHP)[34]、綜合指數(shù)法、模糊評(píng)價(jià)法[35]和Monte-Carlo 法[36]等理論與方法,分析了遺留煤(礦)柱群的穩(wěn)定性。

上述研究成果可以深化認(rèn)識(shí)煤(礦)柱群的失穩(wěn)破壞機(jī)理。然而,現(xiàn)有研究并未從遺留煤柱群鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的源頭出發(fā)來(lái)揭示其失穩(wěn)機(jī)理。清晰定位鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的誘發(fā)位置是深入認(rèn)知遺留煤柱群系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本出發(fā)點(diǎn)。筆者提出了遺留煤柱群的最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式,界定了關(guān)鍵柱的基本概念,分析了關(guān)鍵柱的主要特征,研發(fā)了關(guān)鍵柱判別的技術(shù)方法,揭示了關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)的誘災(zāi)機(jī)理,形成了遺留煤柱群鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的關(guān)鍵柱理論,并對(duì)其潛在的應(yīng)用范圍與領(lǐng)域進(jìn)行了展望。

1 遺留煤柱群的最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式

圖1分別為大同礦區(qū)馬脊梁煤礦402 盤區(qū)和挖金灣煤礦404 盤區(qū)遺留群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)引發(fā)的地表塌陷示意圖。表1統(tǒng)計(jì)了大同礦區(qū)侏羅紀(jì)老采空區(qū)遺留群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)引發(fā)的聯(lián)動(dòng)影響。這充分說(shuō)明:遺留煤柱群的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)表現(xiàn)出明顯的聯(lián)動(dòng)失穩(wěn)致災(zāi)效應(yīng)。究其原因,是與煤礦采空區(qū)不同區(qū)位遺留煤柱的內(nèi)在物理力學(xué)性質(zhì)和外在環(huán)境因素等差異性密切相關(guān)[37-38]。

圖1 遺留煤柱群失穩(wěn)引發(fā)的地表塌陷Fig.1 Surface collapsing induced by the instability of residual coal pillars

表1 大同礦區(qū)遺留群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)引發(fā)的聯(lián)動(dòng)影響(不完全統(tǒng)計(jì))Table 1 Statistics of typical chain collapse disasters induced by instability of residual coal pillars in Datong mining area

在內(nèi)在物理力學(xué)性質(zhì)方面,遺留煤柱的差異性主要表現(xiàn)在:

(1)尺寸的差異性。先期開采普遍采用刀柱式、房柱式、條帶式、短壁式、巷采式、倉(cāng)房式、跳采式或房式等落后的開采方法[39-40],導(dǎo)致不同層位(甚至同一層位的不同區(qū)域)遺留煤柱的寬度、長(zhǎng)度和高度等存在較大的差異。

(2)形態(tài)的差異性。煤礦采空區(qū)不同區(qū)位遺留煤柱的形態(tài)主要有長(zhǎng)條狀、墩柱狀、平行六面體狀、刀把狀和圓柱狀等[41]。

(3)強(qiáng)度的差異性。一方面,不同區(qū)位遺留煤柱內(nèi)部的物質(zhì)組分有所差異,導(dǎo)致強(qiáng)度迥異;另一方面,采動(dòng)損傷、自然風(fēng)化、積水浸蝕等對(duì)遺留煤柱的劣化效應(yīng)不同[42],使得其強(qiáng)度表現(xiàn)出較大的差異。

(4)不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的差異性。遺留煤柱中包含有節(jié)理、割理和斷層等不連續(xù)面。采空區(qū)不同區(qū)位遺留煤柱中不連續(xù)面的數(shù)量、角度和貫通程度等均有差異[43]。

在外在環(huán)境因素方面,遺留煤柱的差異性主要表現(xiàn)在:

(1)覆蓋層載荷的差異性。一方面,水平地貌條件下不同層位遺留煤柱由于埋深的不同,承擔(dān)的覆巖載荷必然有所區(qū)別[37-38];另一方面,沖溝發(fā)育地貌條件下同一層位不同位置遺留煤柱承擔(dān)的載荷也有巨大的差異[44-45]。此外,煤礦采空區(qū)遺留煤柱所承擔(dān)的地表建筑載荷和堆積物載荷等也有許多不同[46],進(jìn)而導(dǎo)致覆蓋層載荷的多樣性。

(2)擾動(dòng)載荷的差異性。一方面,相同層位鄰近采掘活動(dòng)會(huì)引發(fā)強(qiáng)弱不一的擾動(dòng)載荷;另一方面,鄰近近距離煤層開采方法、推進(jìn)速率及層間距等的不同會(huì)導(dǎo)致擾動(dòng)載荷的差異性[6-7,47]。

(3)自然風(fēng)化程度的差異性。煤礦采空區(qū)不同區(qū)位遺留煤柱的外露面有所差異,即遺留煤柱所經(jīng)受的自然風(fēng)化面積不同;同時(shí),鄰近煤層開采通風(fēng)的影響會(huì)有差異,使得遺留煤柱所經(jīng)歷的自然風(fēng)化程度也不盡相同[48]。

(4)積水浸蝕程度的差異性。一方面,煤礦采空區(qū)不同區(qū)位的積水情況不同,有的區(qū)位中會(huì)分布有積水,有的區(qū)位無(wú)任何積水,這就使得不同區(qū)位遺留煤柱受積水浸蝕的劣化程度有所差異。另一方面,采空區(qū)積水水位的高度和水質(zhì)等都會(huì)有所差異,使得不同區(qū)位遺留煤柱受積水浸蝕的程度表現(xiàn)出明顯的多樣性[49]。

(5)煤巖界面的差異性。采空區(qū)不同層位遺留煤柱圍巖的巖性有所差異,在煤巖交界面附近產(chǎn)生的摩擦力也有所區(qū)別:正作用摩擦力會(huì)限制煤層頂?shù)装鍏^(qū)域發(fā)生橫向擴(kuò)張,進(jìn)而形成三軸應(yīng)力狀態(tài),可以提高遺留煤柱的強(qiáng)度;負(fù)作用摩擦力會(huì)使得煤層頂?shù)装鍘r層發(fā)生拉伸破壞,形成張性應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)而降低遺留煤柱的強(qiáng)度[50]。

上述差異導(dǎo)致采空區(qū)遺留群柱的破壞呈現(xiàn)出多樣化的失穩(wěn)致災(zāi)模式,比如:強(qiáng)度主控型失穩(wěn)致災(zāi)模式、模量主控型失穩(wěn)致災(zāi)模式、尺寸主控型失穩(wěn)致災(zāi)模式、結(jié)構(gòu)面主控型失穩(wěn)致災(zāi)模式和外在載荷主控型失穩(wěn)致災(zāi)模式等。

雖然采空區(qū)遺留群柱擁有眾多的失穩(wěn)致災(zāi)模式,但是其鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)通常最先發(fā)生在穩(wěn)定性最弱的遺留煤柱中,即穩(wěn)定性最弱遺留煤柱的局部失穩(wěn)是采場(chǎng)遺留群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的源頭?；诖?筆者提出了遺留群柱的“最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式”,它是指:遺留群柱體系中局部失穩(wěn)最早出現(xiàn)的失穩(wěn)致災(zāi)模式,或者遺留群柱體系中穩(wěn)定性最弱遺留煤柱的失穩(wěn)致災(zāi)模式。

“最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式”的核心原理是:采空區(qū)穩(wěn)定性最弱的遺留煤柱決定著遺留群柱體系的整體承載能力和鏈?zhǔn)狡茐牡陌l(fā)展方向。最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式的發(fā)生是遺留群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)發(fā)生的基本前提。該模式認(rèn)為:采空區(qū)遺留群柱體系中任一失穩(wěn)致災(zāi)模式發(fā)生時(shí),最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式必然已經(jīng)發(fā)生,即遺留群柱體系發(fā)生鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)時(shí),穩(wěn)定性最弱的遺留煤柱必然發(fā)生了失穩(wěn)。同時(shí),最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式發(fā)生時(shí),采場(chǎng)遺留群柱體系并不一定會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)。最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式不發(fā)生時(shí),采場(chǎng)遺留群柱體系的整體穩(wěn)定性一定非常良好。因此,認(rèn)清遺留群柱的最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式,是揭示煤礦采空區(qū)遺留群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)機(jī)理最基本的出發(fā)點(diǎn)。

2 關(guān)鍵柱的基本概念與特征

基于遺留群柱的最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式,筆者將采空區(qū)中最先可能發(fā)生局部失穩(wěn)的遺留煤柱稱為“關(guān)鍵柱”。此時(shí),關(guān)鍵柱鄰近區(qū)域穩(wěn)定性稍強(qiáng)的遺留煤柱可以稱為“次關(guān)鍵柱”。

“關(guān)鍵柱”之所以“關(guān)鍵”,是因?yàn)槲ㄓ胁煽諈^(qū)“關(guān)鍵柱”發(fā)生局部失穩(wěn),鄰近區(qū)域穩(wěn)定性稍強(qiáng)的遺留煤柱的失穩(wěn)破壞才可能被活化,采場(chǎng)遺留群柱的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)(多米諾骨牌失穩(wěn))也才可能發(fā)生。換言之,如果采空區(qū)“關(guān)鍵柱”不發(fā)生局部失穩(wěn),鄰近范圍穩(wěn)定性稍強(qiáng)的遺留煤柱一定不會(huì)發(fā)生破壞,采場(chǎng)遺留群柱的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)也更不可能發(fā)生。

采空區(qū)遺留群柱中的“關(guān)鍵柱”通常具有以下特征:①幾何特征:其他條件一定時(shí),寬高比相對(duì)最小的遺留煤柱通常為采空區(qū)遺留群柱中的“關(guān)鍵柱”;②強(qiáng)度特征:其他條件一定時(shí),單軸抗壓強(qiáng)度最小的遺留煤柱通常為采空區(qū)遺留群柱中的“關(guān)鍵柱”;③不連續(xù)結(jié)構(gòu)面特征:其他條件一定時(shí),含不連續(xù)結(jié)構(gòu)面最多的遺留煤柱通常為采空區(qū)遺留群柱中的“關(guān)鍵柱”;④承載特征:其他條件一定時(shí),承擔(dān)外在載荷最多的遺留煤柱通常為采空區(qū)遺留群柱中的“關(guān)鍵柱”;⑤失穩(wěn)特征:“關(guān)鍵柱”的局部失穩(wěn)可能會(huì)引發(fā)鄰近區(qū)域部分或全部遺留煤柱的失穩(wěn)破壞,即可能引發(fā)采空區(qū)大范圍遺留群柱的鏈?zhǔn)狡茐??！瓣P(guān)鍵柱”不發(fā)生局部失穩(wěn),采空區(qū)大規(guī)模遺留群柱的“多米諾骨牌”失穩(wěn)一定不會(huì)出現(xiàn)。

3 關(guān)鍵柱的判別方法與原則

“關(guān)鍵柱”是采空區(qū)遺留群柱中的最薄弱環(huán)節(jié)?！瓣P(guān)鍵柱”局部失穩(wěn)是遺留群柱體系鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)的“導(dǎo)火索”。因此,在遺留群柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性防控方面,必須盡早掐斷這一導(dǎo)火索,進(jìn)而將“關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)”扼殺在搖籃之中。這就要求我們從采空區(qū)眾多的遺留群柱中精準(zhǔn)定位并判別出哪一個(gè)遺留煤柱為“關(guān)鍵柱”,以便采取相應(yīng)的穩(wěn)定性強(qiáng)化措施,進(jìn)而保障采場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。因此,關(guān)鍵柱的判別是遺留群柱失穩(wěn)防控最核心的問(wèn)題之一。筆者提出了關(guān)鍵柱判別的新方法,包含6 個(gè)步驟:

步驟1:充分利用礦井原有地質(zhì)技術(shù)資料,借助補(bǔ)充勘探等技術(shù)手段,調(diào)研圈定研究范圍內(nèi)采空區(qū)遺留群柱的分布層位、位置、形態(tài)及尺寸等,繪制出遺留煤柱群分布的剖面圖,并依次編號(hào)。

步驟2:基于步驟1 獲取的遺留煤柱的幾何參數(shù),鉆孔取芯確定相應(yīng)遺留煤柱試樣的單軸抗壓強(qiáng)度,運(yùn)用表 2 呈現(xiàn)的遺留煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式[37-38,51-54],分別求得不同公式情形下遺留煤柱的強(qiáng)度,并確定其最小值min{σpi}(i=1,2,…,m)。

表2 遺留煤柱強(qiáng)度計(jì)算的主要公式[37-38,51-54]Table 2 Main formulas for calculating the strength of residua coal pillar[37-38,51-54]

步驟3:分別獲取柱采區(qū)域的寬度、采出率、覆巖厚度、平均體積力等參數(shù),計(jì)算出圈定范圍內(nèi)各個(gè)遺留煤柱承載的載荷Spi(i=1,2,…,m)。

步驟4:根據(jù)步驟2 和3 中所述的遺留煤柱自身的強(qiáng)度和承擔(dān)的載荷,運(yùn)用式(1),分別計(jì)算采空區(qū)不同區(qū)位遺留煤柱穩(wěn)定性的安全系數(shù)。

步驟5:依次比較采空區(qū)各個(gè)遺留煤柱穩(wěn)定性的安全系數(shù),確定其最小值min{Fp1,Fp2,…,Fpi}。

步驟6:將步驟5 中安全系數(shù)最小的遺留煤柱判定為采空區(qū)遺留群柱中的“關(guān)鍵柱”。

需要指出,在判別采空區(qū)遺留群柱中“關(guān)鍵柱”的時(shí)候,應(yīng)該遵循4 個(gè)原則:

(1)區(qū)域性判別原則。采空區(qū)遺留群柱中關(guān)鍵柱的位置與圈定的研究區(qū)位密切相關(guān)。在特定層位上,采區(qū)范圍內(nèi)關(guān)鍵柱的位置與盤區(qū)范圍內(nèi)關(guān)鍵柱的位置不一定相同。在不同層位上,雙層復(fù)合采空區(qū)中關(guān)鍵柱的位置與3 層復(fù)合采空區(qū)中關(guān)鍵柱的位置也不一定相同。因此,在判別關(guān)鍵柱位置時(shí),一定要遵循區(qū)域性原則。

(2)相對(duì)性判別原則。遺留群柱中的“關(guān)鍵柱”是相對(duì)鄰近“次關(guān)鍵柱”而言的。在不同開采時(shí)期和載荷條件下,“關(guān)鍵柱”并不是一成不變的,即其位置可能會(huì)發(fā)生調(diào)整,進(jìn)而演變?yōu)椤按侮P(guān)鍵柱”。換而言之,遺留群柱中“關(guān)鍵柱”是一個(gè)相對(duì)的概念。因此,在判別采空區(qū)遺留群柱中的關(guān)鍵柱時(shí),需要遵循相對(duì)性的基本原則。

(3)動(dòng)態(tài)性判別原則。關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)后,鄰近區(qū)域遺留群柱可能會(huì)繼續(xù)保持穩(wěn)定,也可能會(huì)發(fā)生局部或全部的失穩(wěn)。當(dāng)關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)能帶動(dòng)鄰近區(qū)域遺留群柱的全部失穩(wěn)時(shí),認(rèn)為該關(guān)鍵柱為遺留群柱體系中唯一的“薄弱環(huán)節(jié)”。當(dāng)關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)未能帶動(dòng)鄰近區(qū)域遺留群柱的全部失穩(wěn)時(shí),就需要在未發(fā)生失穩(wěn)破壞的“次關(guān)鍵柱”中重新識(shí)別定位新的“關(guān)鍵柱”,并進(jìn)一步分析其引發(fā)“鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)”的可能性。這就要求我們?cè)谂袆e遺留群柱中的關(guān)鍵柱時(shí),一定要遵循動(dòng)態(tài)性的基本原則。

(4)復(fù)合性判別原則。群柱體系中最早可能有兩個(gè)或多個(gè)遺留煤柱發(fā)生同步局部失穩(wěn),即這些遺留煤柱的安全系數(shù)均最小且非常接近。也就是說(shuō),遺留群柱中可能存在多個(gè)關(guān)鍵柱,進(jìn)而形成“復(fù)合關(guān)鍵柱”。在同一層位上,復(fù)合關(guān)鍵柱不僅可能是相鄰遺留煤柱的組合,還可能是間隔遺留煤柱的組合。在不同層位上,復(fù)合關(guān)鍵柱不僅可能是重疊式遺留煤柱的組合,還可能是錯(cuò)位式遺留煤柱的組合。復(fù)合關(guān)鍵柱的同步局部失穩(wěn)更容易引發(fā)鄰近區(qū)域遺留煤柱的失穩(wěn),更可能帶動(dòng)整個(gè)群柱體系的鏈?zhǔn)狡茐?所造成的失穩(wěn)影響程度也更強(qiáng)烈。這就要求我們?cè)谂袆e遺留群柱的關(guān)鍵柱時(shí),一定要關(guān)注其復(fù)合效應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合關(guān)鍵柱位置的精準(zhǔn)識(shí)別。

4 關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)的誘災(zāi)機(jī)理

關(guān)鍵柱的局部失穩(wěn)可能會(huì)引發(fā)鄰近遺留群柱的鏈?zhǔn)狡茐呐c失穩(wěn)。那么,深藏在該現(xiàn)象背后的本質(zhì)機(jī)理是什么呢? 筆者認(rèn)為:關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)引發(fā)的載荷轉(zhuǎn)移是鄰近遺留群柱鏈?zhǔn)狡茐牡谋举|(zhì)原因。

選定復(fù)合采空區(qū)遺留群柱為研究對(duì)象(圖2),運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)理論,構(gòu)建遺留群柱-覆巖結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)模型,分析上位/下位采空區(qū)關(guān)鍵柱與鄰近遺留煤柱的載荷關(guān)系,并探討相應(yīng)區(qū)域關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)誘發(fā)的載荷響應(yīng)特征[55]。

圖2 復(fù)合采空區(qū)遺留群柱-覆巖結(jié)構(gòu)體系示意Fig.2 System of residual coal pillars and overburden structure in the compound mining area

4.1 遺留群柱-覆巖結(jié)構(gòu)體系力學(xué)模型

假設(shè)圖2中上位采空區(qū)的關(guān)鍵柱為遺留煤柱C,下位采空區(qū)的關(guān)鍵柱為遺留煤柱C′。此時(shí),上位遺留群柱主要承受上覆巖層產(chǎn)生的載荷,下位遺留群柱不僅承受層間巖層產(chǎn)生的載荷,還承受上位遺留煤柱所傳遞下來(lái)的載荷。

4.1.1 上位遺留群柱-覆巖結(jié)構(gòu)體系力學(xué)模型

根據(jù)上位遺留煤柱的承載特性,本文將上位“遺留群柱-覆巖”的耦合承載體系簡(jiǎn)化為如圖3所示的多跨連續(xù)梁力學(xué)模型。圖中共包含5 個(gè)支座,從左往右依次編號(hào)為:A,B,C,D 和E,分別代表上位采空區(qū)中的遺留煤柱,其中C 支座代表上位關(guān)鍵柱。各支座的垂直中心線與遺留煤柱的垂直中心線重合,相鄰支座的間距l(xiāng)相等,且與鄰近遺留煤柱垂直中心線的間距相同。支座上方的梁表示上位遺留群柱的頂板巖層,承受的覆巖載荷為q1。

圖3中上位“遺留群柱-覆巖”承載體系的力學(xué)模型為超靜定結(jié)構(gòu)模型。運(yùn)用力法的基本原理與思路,把相應(yīng)超靜定結(jié)構(gòu)模型中多余約束解除,并將上述結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)模型,如圖4所示。圖中X1,X2和X3分別為代替B,C 和D 支座中多余約束的未知力矩。

圖3 上位“遺留群柱-覆巖”承載體系的超靜定力學(xué)模型Fig.3 Statically static mechanical model of upper“residual pillar-overburden” bearing system

4.1.2 下位遺留群柱-覆巖結(jié)構(gòu)體系力學(xué)模型

圖4 上位“遺留群柱-覆巖”承載體系的靜定力學(xué)模型Fig.4 Static mechanical model of upper “residual pillar-overburden” bearing system

根據(jù)下位遺留煤柱的承載特性,本文將下位“遺留群柱-覆巖”的耦合承載體系簡(jiǎn)化為如圖5所示的多跨連續(xù)梁力學(xué)模型[55]。圖中也包含5 個(gè)支座,從左往右依次編號(hào)為:A′,B′,C′,D′和E′,分別代表下位采空區(qū)中遺留煤柱,其中C′支座代表下位關(guān)鍵柱。各支座的垂直中心線與遺留煤柱的垂直中心線重合,相鄰支座的間距l(xiāng)相等,且與鄰近遺留煤柱垂直中心線的間距相同。支座上方的梁表示下位遺留群柱的頂板巖層。支座上方的梁不僅承受層間巖層產(chǎn)生的載荷q2,還承受上位支座(遺留煤柱)所傳遞下來(lái)的載荷F。

圖5 下位“遺留群柱-覆巖”承載體系的超靜定力學(xué)模型Fig.5 Statically static mechanical model of bottom “residual pillar-overburden” bearing system

本文分別用FA,FB,FC,FD和FE表示上位采空區(qū)A,B,C,D 和E 支座所承擔(dān)的載荷。由于上位支座產(chǎn)生的載荷在層間巖層中傳遞時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的衰減(衰減系數(shù)為k),因此本文將上位支座所傳遞下來(lái)的載荷分別表示為kFA,kFB,kFC,kFD和kFE(需要指出,這里僅指載荷的大小,不含方向)。

圖5中下位“遺留群柱-覆巖”承載體系的力學(xué)模型為超靜定結(jié)構(gòu)模型。本文運(yùn)用力法的基本原理與思路,把相應(yīng)超靜定結(jié)構(gòu)模型中多余的約束解除,并將圖5中的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為靜定結(jié)構(gòu)模型,如圖6所示。圖中X′1,X′2和X′3分別為代替B′,C′和D′支座中多余約束的未知力矩。

圖6 下位“遺留群柱-覆巖”承載體系的靜定力學(xué)模型Fig.6 Static mechanical model of bottom “residual pillar-overburden” bearing system

4.2 關(guān)鍵柱與鄰近遺留煤柱的載荷關(guān)系

4.2.1 上位關(guān)鍵柱與鄰近煤柱的載荷關(guān)系

為了分析上位關(guān)鍵柱與鄰近遺留群柱載荷之間的相互關(guān)系,本文將圖4中力學(xué)模型中的關(guān)鍵柱C用支反力F1來(lái)代替,如圖7所示。

圖7 上位“遺留群柱-覆巖”承載體系的簡(jiǎn)化力學(xué)模型Fig.7 Simplified mechanical model of upper “residual pillar-overburden” bearing system

利用力法求解,可以列出上位“遺留群柱-覆巖”承載體系結(jié)構(gòu)模型的典型方程組:

式中,δij為單位多余未知力矩在=1 獨(dú)立作用時(shí)所引起的沿Xi方向的位移,m;ΔnP為上位基本結(jié)構(gòu)在載荷作用下沿著Xn方向的位移,m;X1和X3分別為代替上位連續(xù)梁模型B 支座和D 支座中多余約束的未知力矩,N·m。

分別作只有X1,X3,q1或F1作用時(shí)上位結(jié)構(gòu)模型的彎矩圖,如圖8所示。

利用圖乘法,分別求解列出方程組(2)系數(shù)δ11,δ13,Δ1P,δ31,δ33和Δ3P的值。

式中,E為梁的彈性模量;I為梁的截面慣性矩。

將式(3),(4)和(5)代入方程組(2)中,可以求解得到:上位采空區(qū)結(jié)構(gòu)模型下方B 支座和D 支座處的彎矩為

由此,可以列出B 支座左側(cè)的彎矩平衡方程:

將式(7)代入式(6)中,可以求解得到支座A 處的承載力FA為

圖8 上位結(jié)構(gòu)模型的彎矩Fig.8 Bending moment diagram of upper structure model

由于A 支座和E 支座到關(guān)鍵支座C 的水平距離相等,根據(jù)上位結(jié)構(gòu)模型的對(duì)稱性,可以得到支座E處的承載力FE為

然后,列出上位結(jié)構(gòu)模型整體承載力的平衡方程:

將式(9)代入式(10)中,并根據(jù)上位連續(xù)梁的對(duì)稱性,可以求解得到支座B 和D 處的承載力FB和FD:

綜上,上位采空區(qū)中關(guān)鍵柱C 與鄰近煤柱的載荷關(guān)系為

由此可知:

(1)上位關(guān)鍵柱C 鄰近遺留煤柱的受力特性與上覆巖層產(chǎn)生的載荷q1、關(guān)鍵柱載荷的大小F1和梁的跨度l密切相關(guān)。

(2)由于鄰近遺留煤柱B 和D 到關(guān)鍵柱C 的水平距離相等,二者承擔(dān)的載荷呈現(xiàn)出明顯的對(duì)稱等效特性。同理,遺留煤柱A 和E 所承擔(dān)的載荷也表現(xiàn)出對(duì)稱等效特性。

(3)當(dāng)上覆巖層的載荷q1和梁的跨度l一定時(shí),鄰近遺留煤柱B 和D 承擔(dān)的載荷與上位關(guān)鍵柱C 的載荷F1呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系,負(fù)相關(guān)系數(shù)為-11/16。

(4)當(dāng)上覆巖層的載荷q1和梁的跨度l一定時(shí),鄰近遺留煤柱A 和E 承擔(dān)的載荷與上位關(guān)鍵柱C 的載荷F1呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系,正相關(guān)系數(shù)為3/16。

4.2.2 下位關(guān)鍵柱與鄰近煤柱的載荷關(guān)系

為了分析下位關(guān)鍵柱與鄰近遺留群柱之間的載荷關(guān)系,本文將圖6中下位“遺留群柱-覆巖”結(jié)構(gòu)模型中的關(guān)鍵柱C′用支反力F2代替,如圖9所示。

圖9 下位“遺留群柱-覆巖”承載體系的簡(jiǎn)化力學(xué)模型Fig.9 Simplified mechanical model of bottom “residual pillar-overburden” bearing system

利用力法求解,可以列出下位“遺留群柱-覆巖”承載結(jié)構(gòu)模型的典型方程組:

式中,δi′j′為單位多余未知力矩在=1 獨(dú)立作用時(shí)所引起的沿Xi′方向的位移,m;Δn′P為基本體系在載荷作用下沿著Xn′方向的位移,m;X1′和X3′分別為代替下位結(jié)構(gòu)模型B′支座和D′支座中多余約束的未知力矩,N·m。

分別作出只有X1′,X3′,q2或F2作用時(shí)下位結(jié)構(gòu)模型的彎矩圖,如圖10所示。

圖10 下位結(jié)構(gòu)模型的彎矩Fig.10 Bending moment diagram of bottom structure model

利用圖乘法,分別求解列出方程組(13)中系數(shù)δ1′1′,δ1′3′,Δ1′P,δ3′1′,δ3′3′和Δ3′P的值:

將式(14)～(16)代入式(13)中,可以求解得到下位連續(xù)梁B′支座和D′支座處的彎矩為

基于此,可以列出B′支座左側(cè)的彎矩平衡方程:

將式(17)代入式(18)中,可以求解得到支座A′的承載力FA′為

此時(shí),根據(jù)下位結(jié)構(gòu)模型的對(duì)稱性,可以得到支座E′處的承載力FE′:

然后,列出下位結(jié)構(gòu)模型整體承載力的平衡方程:

將式(20)代入式(21)中,并根據(jù)下位結(jié)構(gòu)模型的對(duì)稱性,可以求解得到B′支座和D′支座的承載力FB′和FD′:

綜上,下位采空區(qū)中關(guān)鍵柱C′與鄰近煤柱的載荷關(guān)系為

由此可知:

(1)下位采空區(qū)關(guān)鍵柱C′鄰近遺留煤柱的受力特性與上位采空區(qū)覆巖載荷q1、層間巖層載荷q2、關(guān)鍵柱C′載荷的大小F2、上覆遺留煤柱載荷在層間巖層中的衰減系數(shù)k和梁的跨度l密切相關(guān)。

(2)由于鄰近遺留煤柱B′和D′支到關(guān)鍵柱C′的水平距離相等,二者承擔(dān)的載荷呈現(xiàn)出明顯的對(duì)稱等效特性。同理,遺留煤柱A′和E′所承擔(dān)的載荷也表現(xiàn)出明顯的對(duì)稱等效特性。

(3)當(dāng)上位采空區(qū)覆巖載荷q1、層間巖層載荷q2、上覆遺留煤柱載荷在層間巖層中的衰減系數(shù)k和梁的跨度l一定時(shí),鄰近遺留煤柱B′和D′承擔(dān)的載荷隨著下位關(guān)鍵柱C′載荷F2呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,負(fù)相關(guān)系數(shù)為-11/16。

(4)當(dāng)上位采空區(qū)覆巖載荷q1、層間巖層載荷q2、上覆遺留煤柱載荷在層間巖層中的衰減系數(shù)k和梁的跨度l一定時(shí),鄰近遺留煤柱A′和E′承擔(dān)的載荷隨著下位關(guān)鍵柱C′載荷F2呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,正相關(guān)系數(shù)為3/16。

4.3 關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)的載荷響應(yīng)特征

上位關(guān)鍵柱C 在局部失穩(wěn)過(guò)程中,自身所承擔(dān)的載荷F1會(huì)逐漸減小。根據(jù)式(12)中上位關(guān)鍵柱與鄰近煤柱的載荷關(guān)系,遺留煤柱B 和D 承擔(dān)的載荷會(huì)隨著F1的減小逐漸增大,即關(guān)鍵柱C 局部失穩(wěn)會(huì)引發(fā)載荷向鄰近遺留煤柱B 和D 中轉(zhuǎn)移。當(dāng)上位關(guān)鍵柱C 完全失穩(wěn)時(shí),其所承擔(dān)的載荷F1減小至0。此時(shí),上位關(guān)鍵柱鄰近的遺留煤柱B 和D 承擔(dān)的載荷達(dá)到最大。如果遺留煤柱B 和D 承擔(dān)的載荷達(dá)到其自身極限強(qiáng)度,就會(huì)引發(fā)進(jìn)一步的失穩(wěn)破壞。在此之后,覆巖的載荷會(huì)轉(zhuǎn)移擴(kuò)散到遺留煤柱A 和E 中,進(jìn)而可能會(huì)引發(fā)整個(gè)上位群柱體系的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)。

同樣地,根據(jù)式(23)可知:遺留煤柱B′和D′承擔(dān)的載荷隨著下位關(guān)鍵柱C′載荷F2的減小會(huì)逐漸增大,即關(guān)鍵柱C′局部失穩(wěn)會(huì)引發(fā)載荷向鄰近遺留煤柱B′和D′中轉(zhuǎn)移。當(dāng)下位關(guān)鍵柱C′完全失穩(wěn)時(shí),其所承擔(dān)的載荷F2減小至0。此時(shí),下位關(guān)鍵柱鄰近的遺留煤柱B′和D′承擔(dān)的載荷達(dá)到最大。當(dāng)遺留煤柱B′和D′承擔(dān)的載荷超過(guò)其自身極限強(qiáng)度時(shí),就會(huì)引發(fā)進(jìn)一步的失穩(wěn)破壞。在此之后,上位遺留煤柱傳遞的載荷和層間巖層產(chǎn)生的載荷會(huì)擴(kuò)散到鄰近遺留煤柱A′和E′中,進(jìn)而可能會(huì)引發(fā)整個(gè)下位群柱體系的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)。

綜上,無(wú)論對(duì)于上位遺留群柱還是下位遺留群柱,關(guān)鍵柱的局部失穩(wěn)都會(huì)引發(fā)覆巖載荷向最鄰近的遺留煤柱中轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散,引發(fā)進(jìn)一步的失穩(wěn)破壞,并最終可能引發(fā)遺留群柱體系的多米諾鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)。這便是關(guān)鍵柱局部失穩(wěn)的誘災(zāi)機(jī)理。

5 關(guān)鍵柱理論的應(yīng)用展望

5.1 柱采區(qū)鄰近煤層開采

柱式采空區(qū)上覆蹬空煤層分布廣泛,具有良好的開采價(jià)值。柱式采空區(qū)“遺留群柱-控制層”結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性是蹬空煤層安全高效開采的核心保障[1,40]。在這個(gè)耦合承載體系中,層間巖層中的控制層主要依靠下伏采空區(qū)中的遺留群柱所支撐。當(dāng)下伏采空區(qū)中遺留群柱發(fā)生局部或整體失穩(wěn)時(shí),層間巖層中控制層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)受到影響,進(jìn)一步威脅蹬空煤層的安全開采。因此,非常有必要在蹬空煤層開采之前,運(yùn)用關(guān)鍵柱理論識(shí)別出下伏采空區(qū)遺留群柱中最先可能發(fā)生局部失穩(wěn)的煤柱,進(jìn)而采取相應(yīng)的失穩(wěn)防控措施,來(lái)保障遺留群柱體系的整體穩(wěn)定性,進(jìn)一步強(qiáng)化層間巖層中控制層的穩(wěn)定性,并實(shí)現(xiàn)上覆蹬空煤層的安全開采。

柱式采空區(qū)的下方通常分布有許多的可采煤層,其與上覆柱式采空區(qū)的層間距較小,會(huì)引發(fā)顯著的采掘擾動(dòng)影響[6-7],主要表現(xiàn)在以下2 個(gè)方面:①隨著下伏煤體的逐漸采出,上覆柱式采空區(qū)中遺留煤柱會(huì)失去支撐而發(fā)生失穩(wěn);②下伏煤層開采形成的超前支承壓力逐漸演變,會(huì)在柱式采空區(qū)遺留煤柱中形成應(yīng)力集中區(qū),進(jìn)而誘發(fā)超前失穩(wěn)等事故[44]。因此,在開展柱式采空區(qū)下伏煤層開采時(shí),必須運(yùn)用關(guān)鍵柱理論動(dòng)態(tài)關(guān)注上覆單層或多層采空區(qū)中遺留群柱的穩(wěn)定性,采取針對(duì)性的防控措施,避免“關(guān)鍵柱”超前局部失穩(wěn)而誘發(fā)上覆采空區(qū)遺留群柱的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn),并保障下伏煤層的安全開采。

復(fù)合柱式采動(dòng)影響下中層遺煤開采也會(huì)運(yùn)用到關(guān)鍵柱理論。一方面,復(fù)合柱式采空區(qū)重疊式遺留群柱本來(lái)就形成了疊加應(yīng)力集中區(qū);另一方面,中層遺煤開采時(shí)工作面前方形成的支承壓力,會(huì)進(jìn)一步形成擾動(dòng)影響。此時(shí),復(fù)合柱式采空區(qū)中“關(guān)鍵柱”發(fā)生局部失穩(wěn)的概率會(huì)增大,遺留群柱體系的整體穩(wěn)定性會(huì)受到威脅,并進(jìn)一步對(duì)中層遺煤的安全開采造成影響[2,56-57]。如果運(yùn)用關(guān)鍵柱理論判別出復(fù)合采空區(qū)遺留群柱中最先可能發(fā)生局部失穩(wěn)的煤柱,并采取針對(duì)性的失穩(wěn)防控技術(shù)措施,可以保障中層遺煤的安全開采。

5.2 采場(chǎng)強(qiáng)礦壓控制

采場(chǎng)強(qiáng)礦壓控制是煤炭資源安全開采的基本保障。目前,在開采過(guò)程中遇到強(qiáng)礦壓時(shí),主要選用鉆孔卸壓法、深孔爆破法、低溫液氮預(yù)裂法、等離子體預(yù)裂法、微波加熱預(yù)裂法、水力壓裂法及地面壓裂法等,來(lái)削弱采場(chǎng)強(qiáng)礦壓,進(jìn)而保障安全開采[58]。

上述消減方法有的作用于采場(chǎng)厚硬難垮頂板中,有的作用于采場(chǎng)遺留煤柱中[59]。針對(duì)后者,目前的處理方式并沒(méi)有區(qū)分遺留群柱的差異性。然而,該方法并不完全合理,其原因是:當(dāng)強(qiáng)礦壓消減技術(shù)的作用對(duì)象為遺留群柱中的關(guān)鍵柱時(shí),預(yù)裂鉆孔在形成過(guò)程中會(huì)對(duì)遺留煤柱產(chǎn)生震動(dòng)損傷與破壞作用,進(jìn)而劣化其強(qiáng)度;一旦關(guān)鍵柱發(fā)生失穩(wěn)破壞,就會(huì)影響鄰近遺留群柱體系的整體穩(wěn)定性,并威脅安全生產(chǎn)。

因此,需要運(yùn)用關(guān)鍵柱理論判別出強(qiáng)礦壓分布區(qū)遺留群柱中最可能先發(fā)生失穩(wěn)的煤柱,然后規(guī)避開“關(guān)鍵柱”來(lái)實(shí)施預(yù)裂等技術(shù)措施,進(jìn)而消減采場(chǎng)強(qiáng)礦壓。

5.3 煤柱留設(shè)

對(duì)于“三下”優(yōu)質(zhì)煤炭資源的開采而言,柱式開采仍是安全高效開采的方法之一。這就會(huì)在采場(chǎng)空間中形成尺寸不一、形態(tài)多樣和密集分布的遺留群柱[60]。此時(shí),遺留煤柱的尺寸必須科學(xué)設(shè)計(jì)與合理留設(shè),否則將會(huì)埋下失穩(wěn)隱患的“種子”。因此,在柱式開采設(shè)計(jì)時(shí),需要規(guī)避采場(chǎng)空間中形成關(guān)鍵柱,并使得采場(chǎng)空間中留設(shè)的煤柱群均衡承載且長(zhǎng)期穩(wěn)定。

5.4 充填開采

充填開采可以有效控制覆巖運(yùn)動(dòng)與地表沉陷。近年來(lái),為了解決充填材料來(lái)源不足和成本較高等技術(shù)難題,許多研究學(xué)者開發(fā)了部分充填、巷旁充填、條帶充填、墩柱充填、局部充填、短壁充填、帶狀充填、間隔充填、柱旁充填、結(jié)構(gòu)充填、功能充填和骨架式充填等技術(shù)方法,并在許多煤礦應(yīng)用推廣[61-65]。上述充填開采技術(shù)方法難免在采空區(qū)中留設(shè)有不同尺寸和形態(tài)的充填柱,且以群柱的形式分布。此時(shí),采空區(qū)中充填群柱尺寸的合理設(shè)計(jì)是一個(gè)值得關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。同時(shí),在覆巖載荷、擾動(dòng)載荷、礦井水浸蝕、硫酸鹽腐蝕和氯鹽腐蝕等耦合作用下,采空區(qū)中遺留充填群柱的強(qiáng)度會(huì)逐漸變?nèi)?其穩(wěn)定性也會(huì)變差[66]。也就是說(shuō),采空區(qū)中遺留充填群柱的失穩(wěn)防控成為充填開采中又一個(gè)亟需關(guān)注的技術(shù)難題。

因此,非常有必要將關(guān)鍵柱理論運(yùn)用于充填開采中:一方面,用于指導(dǎo)采空區(qū)充填群柱尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)——需要遵循“規(guī)避留設(shè)/形成關(guān)鍵柱”的基本原則,保證采空區(qū)中充填群柱的安全系數(shù)均衡;另一方面,用于指導(dǎo)采空區(qū)遺留充填群柱的失穩(wěn)防控——需要運(yùn)用關(guān)鍵柱的判別技術(shù)方法與流程,識(shí)別出采空區(qū)遺留充填群柱中的“關(guān)鍵柱”,進(jìn)而采取內(nèi)置鋼筋、摻和纖維、對(duì)拉錨索和外置錨網(wǎng)等防控技術(shù)措施,避免關(guān)鍵柱發(fā)生局部失穩(wěn),并保障充填采場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

5.5 瓦斯抽采

地面鉆井穿透遺留煤柱抽采多層老空區(qū)瓦斯的方法可以提高煤礦老空區(qū)中殘留瓦斯的抽采效率,并取得了良好的效果[67-68]。然而,該技術(shù)在布置老空區(qū)中的穿柱鉆井時(shí),并未區(qū)分遺留煤柱的穩(wěn)定性差異。如果老空區(qū)中某遺留煤柱的穩(wěn)定性安全系數(shù)最小,再采取上述方法將其壓裂,會(huì)加速其局部失穩(wěn),并可能產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)破壞。

因此,在布置老空區(qū)中穿柱抽采鉆孔前,首先運(yùn)用關(guān)鍵柱理論判別出老空區(qū)遺留群柱中最可能先發(fā)生失穩(wěn)破壞的煤柱,然后規(guī)避開“關(guān)鍵柱”,進(jìn)而避免鉆井震動(dòng)和壓裂作業(yè)等引發(fā)關(guān)鍵柱的局部失穩(wěn),并提高瓦斯的抽采效率。

5.6 水害防治

隔水控制層是地下開采中防止水害發(fā)生的重要屏障,其通常由采空區(qū)中遺留群柱的支撐來(lái)保障長(zhǎng)期穩(wěn)定性。一旦局部或全部區(qū)域煤柱發(fā)生失穩(wěn),隔水控制層就會(huì)受到損傷破壞,進(jìn)而形成多條積水滲流通道,可能引發(fā)突水水害等事故[69]。因此,維持地下采空區(qū)中遺留群柱體系的整體穩(wěn)定性是煤礦水害防治的基本前提。這就要求我們:運(yùn)用關(guān)鍵柱理論,識(shí)別出采空區(qū)中最可能先發(fā)生失穩(wěn)的煤柱,然后采取柱旁充填等技術(shù)措施強(qiáng)化“關(guān)鍵柱”的穩(wěn)定性,使其與鄰近遺留煤柱實(shí)現(xiàn)均衡承載,進(jìn)而保障采場(chǎng)隔水控制層結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,并避免水害的發(fā)生。

關(guān)鍵柱理論還可以用于指導(dǎo)煤礦地下水庫(kù)中煤柱壩體和人工壩體的失穩(wěn)防控,二者是維持地下水庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的核心承載體[70-72]。借助關(guān)鍵柱理論,可以指導(dǎo)煤柱壩體和人工壩體的科學(xué)設(shè)計(jì),進(jìn)而保障煤礦地下水庫(kù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

總之,關(guān)鍵柱理論在煤礦地下開采中潛在應(yīng)用的領(lǐng)域與范圍較廣,其還能推廣應(yīng)用于非煤礦山資源開采礦柱群的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)防控等領(lǐng)域。

6 結(jié) 論

(1)遺留煤柱內(nèi)在物理力學(xué)性質(zhì)和外在環(huán)境因素等的差異性,導(dǎo)致采場(chǎng)遺留群柱呈現(xiàn)出最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式。采空區(qū)遺留群柱體系中任一失穩(wěn)致災(zāi)模式發(fā)生時(shí),最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式必然已經(jīng)發(fā)生。同時(shí),最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式發(fā)生時(shí),采場(chǎng)遺留群柱體系并不一定會(huì)發(fā)生鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)。最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式不發(fā)生時(shí),采場(chǎng)遺留群柱體系的整體穩(wěn)定性一定非常良好。

(2)基于遺留群柱的最弱失穩(wěn)致災(zāi)模式,界定了關(guān)鍵柱的基本概念:采空區(qū)中最先可能發(fā)生局部失穩(wěn)的遺留煤柱。“關(guān)鍵柱”之所以“關(guān)鍵”,是因?yàn)槲ㄓ胁煽諈^(qū)“關(guān)鍵柱”發(fā)生局部失穩(wěn),鄰近區(qū)域穩(wěn)定性稍強(qiáng)遺留煤柱的失穩(wěn)破壞才可能被活化,采場(chǎng)遺留煤柱群的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)也才可能發(fā)生。

(3)提出了遺留群柱中關(guān)鍵柱判別的技術(shù)方法——安全系數(shù)最小的遺留煤柱可以判別為煤柱群體系中的“關(guān)鍵柱”;在進(jìn)行關(guān)鍵柱判別的時(shí)候需要遵循區(qū)域性、相對(duì)性、動(dòng)態(tài)性和復(fù)合性等四大原則。

(4)根據(jù)關(guān)鍵柱與鄰近遺留煤柱的載荷關(guān)系,發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵柱載荷的逐漸減小會(huì)引發(fā)最鄰近遺留煤柱承擔(dān)的載荷線性增大,即關(guān)鍵柱的局部失穩(wěn)會(huì)促使覆巖載荷向最鄰近的遺留煤柱中轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散,導(dǎo)致進(jìn)一步的失穩(wěn)破壞,并最終可能引發(fā)遺留群柱體系的“多米諾”鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)。

(5)關(guān)鍵柱理論不僅可以用于柱采區(qū)鄰近煤層開采、強(qiáng)礦壓控制、煤柱留設(shè)、充填開采、瓦斯抽采和水害防治等技術(shù)領(lǐng)域,還能推廣應(yīng)用于非煤礦山礦柱群的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)防控等領(lǐng)域。