斜交煤柱疊加影響下工作面應(yīng)力場分布特征研究

黃 華

（1.山西省晉神能源有限公司，山西 河曲 036500；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030002）

從礦井投產(chǎn)時間和煤層間穩(wěn)定性等方面考慮，近距離煤層群開采時一般采用“下行式”開采。由于受到地表建筑、河流、鐵路和井下地質(zhì)構(gòu)造的影響，所以煤層在開采過程中會留下相應(yīng)尺寸的煤柱，工作面回采完后，遺留下的煤柱是承載上覆巖層的主要承載體，上覆巖層的重力和工作面回采后轉(zhuǎn)移的支承壓力都會作用在遺留煤柱上，并通過煤柱往底板中傳播，造成下伏煤層在開采前就處于應(yīng)力集中狀態(tài)，在下伏煤層開采時易引起工作面冒頂、片幫、支護困難等難題[1-2]。因此，有的學(xué)者[3-6]從煤柱尺寸、底板傳遞規(guī)律等方面對遺留煤柱進行了相關(guān)研究，研究表明遺留煤柱下有較大的集中應(yīng)力，且隨埋深的增加逐漸降低；對此，不少學(xué)者[7-13]對煤柱下工作面和巷道礦壓顯現(xiàn)進行了研究并提出了相應(yīng)的控制措施，其中對于煤柱下回采巷道的布置或巷道圍巖破壞特征及控制技術(shù)研究較多[14-18]；當(dāng)煤層具有沖擊傾向性時，位于遺留煤柱區(qū)的工作面沖擊地壓防治也有相關(guān)的研究[19-20]。

但對于斜交煤柱疊加影響下的工作面應(yīng)力分布特征研究較少，且斜交煤柱對下煤層工作面影響范圍較廣。為此，以山西晉神沙坪煤礦中組煤為工程背景，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對斜交煤柱疊加影響下的工作面應(yīng)力分布特征進行研究。

1 工程背景

山西晉神沙坪煤礦煤層為近水平煤層，目前開采標(biāo)高為+990～+700 m，可采煤層為6#～13#煤層，中組煤為9#～12#煤層，下組煤為13#煤層。中組煤上部有8#和8上#煤層遺留煤柱，煤柱尺寸為15 m 或20 m。煤層平均層間距除8#與9#的層間距（17.2 m）稍微大點，其他2 個煤層間的層間距較小，煤層頂?shù)装宥酁樯百|(zhì)泥巖、粉砂巖和中砂巖。8上#～12#煤層層間距示意如圖1（單位：m）。

圖1 8 上#～12#煤層層間距示意圖Fig.1 Layer spacing diagram from 8 upper coal to 12 coal

由9#煤層目前的規(guī)劃圖可知，9#煤層工作面的布置在空間上與上部遺留煤柱存在70°的斜交，三盤區(qū)9309 和9311 工作面將會受到上部斜交煤柱疊加的影響。斜交煤柱疊加影響區(qū)域如圖2，斜交煤柱疊加影響區(qū)域柱狀圖如圖3。

圖2 斜交煤柱疊加影響區(qū)域Fig.2 Influence area of oblique crossing coal pillars superposition

圖3 斜交煤柱疊加影響區(qū)域柱狀圖Fig.3 Histogram of the influence area of oblique crossing coal pillars superposition

為了解斜交疊加煤柱對下方煤層應(yīng)力場的影響，保障下層工作面的安全開采，采用實驗室測試、理論分析和數(shù)值模擬的方法對其進行深入研究。

2 斜交煤柱下工作面應(yīng)力場分布數(shù)值模擬

2.1 煤巖力學(xué)參數(shù)和數(shù)值模型

通過現(xiàn)場采樣，實驗室測試得出的沙坪煤礦煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖樣力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal samples

根據(jù)綜合柱狀圖（圖3）及現(xiàn)場工作面實際布置情況，利用FLAC3D建立的沙坪煤礦斜交煤柱區(qū)域數(shù)值模型如圖4。從上到下逐層開采，回采完8上#和8#煤層工作面后，9309 工作面分步開采，研究9309工作面回采至靠近上部遺留煤柱，處于上部遺留煤柱下方和過遺留煤柱時其頂板應(yīng)力分布特征。

圖4 數(shù)值模型Fig.4 Numerical model

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 9#煤層回采前應(yīng)力分布

8上#和8#煤層工作面回采后，分別在9309 工作面中部頂板3 m 處布置測線，得出上覆遺留煤柱下9309 工作面中部頂板的應(yīng)力分布曲線。9#煤層回采前頂板應(yīng)力分布情況如圖5。

圖5 9#煤層回采前頂板應(yīng)力分布情況Fig.5 Roof stress distribution of 9# coal seam before mining

由圖5（a）可知：8上#和8#煤層工作面回采后，上覆和下伏巖層應(yīng)力釋放，處于卸壓狀態(tài)；釋放的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤柱上，使得煤柱處于應(yīng)力集中狀態(tài)，并向下方巖層傳遞造成煤柱下方的9309 工作面處于應(yīng)力集中狀態(tài)。從圖5（b）可以看出：8上#煤層工作面回采后，單個煤柱下方的9309 工作面頂板支承應(yīng)力峰值為5.1 MPa，支承應(yīng)力集中系數(shù)為1.2（9#煤層原巖應(yīng)力4.2 MPa）；當(dāng)8#煤層工作面回采后，疊加煤柱下方的9309 工作面頂板支承應(yīng)力峰值為9.7 MPa，集中系數(shù)為2.3。對比煤柱疊加前后的9309 工作面頂板應(yīng)力值可知，9309 工作面受煤柱疊加后的應(yīng)力值是單個煤柱集中應(yīng)力影響的1.9 倍。由此可知，疊加煤柱造成其下方9309 工作面在未開采時就處于較高集中應(yīng)力狀態(tài)。

2.2.2 9#煤回采過程中頂板支承應(yīng)力分布

9309 工作面推進至不同位置時頂板應(yīng)力分布如圖6，工作面中部頂板超前支承應(yīng)力變化曲線如圖7。

圖6 9309 工作面推進至不同位置時頂板應(yīng)力分布Fig.6 Roof stress distribution when 9309 working face is advanced to different positions

圖7 工作面中部頂板超前支承應(yīng)力變化曲線Fig.7 Variation curves of advanced supporting stress of central roof of working face

當(dāng)9309 工作面靠近煤柱時，超前支承應(yīng)力在工作面前方42～47 m 處，支承應(yīng)力峰值為5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.2；此時，第1 個煤柱下方應(yīng)力值基本沒變。當(dāng)推進至第1 個煤柱下方時，在上覆疊加煤柱及采動應(yīng)力疊加的影響下，使得處于工作面前方6～10 m 處的超前支承應(yīng)力非常顯著，支承應(yīng)力峰值為24.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為5.8。當(dāng)推進至煤柱后時，超前支承應(yīng)力主要在工作面前5 m 處，但應(yīng)力值不高，接近原巖應(yīng)力，當(dāng)快接近第2 個煤柱時，應(yīng)力開始逐漸增加?？梢?，隨著推進距離的增加，受上覆煤層遺留煤柱及本煤層工作面采動應(yīng)力的影響，工作面前方最大超前支承應(yīng)力距工作面間距離逐漸減小。

2.2.3 回采至煤柱下時工作面應(yīng)力時空分布特征

煤柱下工作面應(yīng)力時空分布如圖8。沿工作面頂板3 m 處布置1 條測線，得出的工作面采動影響下的頂板應(yīng)力分布曲線如圖9。

圖9 工作面頂板垂直應(yīng)力分布Fig.9 Vertical stress distribution of working face roof

由圖8 可知：9309 工作面推進至上覆遺留煤柱下方時，煤柱集中應(yīng)力通過底板傳遞到工作面前方煤巖體上。隨著煤柱受工作面采動影響，應(yīng)力逐漸降低，工作面前方12 m 左右范圍內(nèi)集中應(yīng)力逐漸增加，此時的集中應(yīng)力包括煤柱集中應(yīng)力的轉(zhuǎn)移和采動超前應(yīng)力的疊加。

圖8 煤柱下工作面應(yīng)力時空分布Fig.8 Spatial and temporal distribution of stress in working face under coal pillar

從圖9 中可以看出：在煤柱疊加區(qū)域，工作面頂板支承應(yīng)力異常的高，隨著工作面采動應(yīng)力的疊加，集中應(yīng)力逐漸上升，但上升幅度逐漸減小。當(dāng)回采穩(wěn)定后，工作面上方3 m 處的頂板受斜交疊加煤柱影響的范圍（大于原巖應(yīng)力）為工作面長度的72%，由此可見斜交疊加煤柱對工作面頂板的影響之廣。疊加煤柱區(qū)應(yīng)力普遍在25 MPa 左右，集中系數(shù)在6.0 左右，工作面中部應(yīng)力在27.5 MPa 左右，集中系數(shù)在6.5 左右。

通過數(shù)值模擬得出疊加煤柱對9#煤層應(yīng)力分布的影響，得出在回采過程中，疊加煤柱對9309 工作面超前支承應(yīng)力及頂板沿工作面傾向的應(yīng)力分布影響規(guī)律。但對于煤柱在底板中傳遞的規(guī)律沒有研究，因此，接下來在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，采用理論分析對遺留煤柱下底板應(yīng)力分布規(guī)律進行研究。

3 遺留煤柱下底板應(yīng)力分布規(guī)律

3.1 單一煤柱

建立單一煤柱力學(xué)模型，單一煤柱力學(xué)模型如圖10，其中：a 為煤柱寬度；q 為煤柱集中載荷。

圖10 單一煤柱力學(xué)模型Fig.10 Mechanical model for single coal pillar

根據(jù)半無限體平面上受法向集中載荷作用理論求解出底板中A 點的應(yīng)力[1],如式（1）～式（3）：

式中：σx、σy為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力；τxy為xy 平面剪應(yīng)力。

3.2 疊加煤柱

疊加煤柱力學(xué)模型如圖11。

由圖11 可知：8上#煤層回采后，遺留煤柱對8#煤層的應(yīng)力影響為σx1，其最大的應(yīng)力影響在煤柱中部，其最大值的表達式如式（4）。當(dāng)8#煤回采后，在比較完整的遺留煤柱下方，8#煤層遺留煤柱除了受本煤層工作面采動應(yīng)力的影響，還受到8上#遺留煤柱應(yīng)力傳遞的影響，此時應(yīng)力為式（5）。將式（5）代入式（1）～式（3）可得8上#和8#煤層遺留煤柱疊加作用下底板應(yīng)力分布，其對9#煤層應(yīng)力疊加曲線如圖11 中的σ″x2曲線。

圖11 疊加煤柱力學(xué)模型Fig.11 Mechanical model of superimposed coal pillars

式中：q 為8上#煤柱集中載荷，MPa；H1為8#和8上#煤層層間距，m；ζ 為煤柱寬度，m；k 為集中系數(shù)；ρ 為煤巖層平均密度，g/cm3；h 為8#煤層煤柱埋深，m。

結(jié)合沙坪煤礦現(xiàn)場情況，8#煤層遺留煤柱寬度為15 m 或20 m，由數(shù)值模擬結(jié)果可知，煤柱寬度為20 m 的集中應(yīng)力最大，應(yīng)力值為25 MPa，以最大煤柱集中應(yīng)力考慮，因此將q=25 MPa 代入式（1）～式（3）中，利用Mathematica 軟件可計算得煤柱寬度分別為20 m 和15 m 時底板中水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和剪切應(yīng)力的分布規(guī)律。20 m 煤柱作用下底板應(yīng)力分布如圖12，15 m 煤柱作用下底板應(yīng)力分布如圖13。

由圖12 和圖13 可知：

圖12 20 m 煤柱作用下底板應(yīng)力分布Fig.12 Stress distribution of floor under 20 m coal pillar

圖13 15 m 煤柱作用下底板應(yīng)力分布Fig.13 Stress distribution of floor under 15 m coal pillar

1）煤柱下底板中集中應(yīng)力關(guān)于煤柱中軸線呈對稱分布，且都隨著距煤柱底板距離的增加而逐漸降低。垂直應(yīng)力主要沿煤柱底板正下方傳播，水平應(yīng)力主要沿煤柱底板兩側(cè)方向傳播，而剪切應(yīng)力主要沿煤柱“兩腳”向外傳播。

2）當(dāng)遺留煤柱寬度為15 m 時，10 MPa 垂直應(yīng)力等值線在垂直方向的影響范圍為22 m，在水平方向的影響范圍為18 m；3 MPa 水平應(yīng)力等值線在垂直方向的影響范圍為18 m，在水平方向的影響范圍為42 m；4 MPa 剪切應(yīng)力等值線在垂直方向的影響范圍為17 m，在水平方向的影響范圍為22 m。

3）當(dāng)遺留煤柱寬度為20 m 時，10 MPa 垂直應(yīng)力等值線在垂直方向的影響范圍為28 m，在水平方向的影響范圍為20 m；3 MPa 水平應(yīng)力等值線在垂直方向的影響范圍為24 m，在水平方向的影響范圍為48 m；4 MPa 剪切應(yīng)力等值線在垂直方向的影響范圍為22 m，在水平方向的影響范圍為25 m。

由此可知，遺留煤柱從15 m 增大至20 m 后，應(yīng)力集中影響范圍在垂直方向增大1.3 倍，在水平方向增大1.1 倍，煤柱寬度的增加，其集中應(yīng)力在底板中的傳播距離越遠，影響范圍越廣。

綜上可知，上覆遺留疊加煤柱對下伏9#煤層的安全開采有很大影響。在煤柱疊加區(qū)和煤柱尺寸較大時，工作面頂板集中應(yīng)力較大，需加強頂板管理與控制。

4 結(jié) 語

1）研究了斜交煤柱下工作面應(yīng)力場分布特征，9309 工作面受疊加煤柱影響，在未開采時就處于較高集中應(yīng)力狀態(tài)，集中系數(shù)為2.3；工作面頂板受疊加煤柱影響的范圍為工作面長度的72%，煤柱疊加區(qū)應(yīng)力普遍在25 MPa，集中系數(shù)6.0 左右。

2）分析了煤柱下工作面推進至不同位置時的應(yīng)力分布規(guī)律，9309 工作面靠近煤柱時，超前支承應(yīng)力在工作面前方42～47 m 處；在煤柱下方時，超前支承應(yīng)力在工作面前方6～10 m 處；過煤柱后，超前支承應(yīng)力主要在工作面前方5 m 處；超前支承應(yīng)力距工作面距離隨推進距離增加而逐漸減小。

3）理論分析了疊加煤柱下底板應(yīng)力分布規(guī)律，利用Mathematica 軟件繪制出不同尺寸煤柱下的底板應(yīng)力影響范圍；對比分析了不同尺寸煤柱下的集中應(yīng)力傳遞規(guī)律，遺留煤柱從15 m 增大至20 m后，應(yīng)力集中影響范圍在垂直方向增大1.3 倍，在水平方向增大1.1 倍，煤柱寬度的增加，其集中應(yīng)力在底板中的傳播距離越遠，影響范圍越廣。