上覆煤柱影響下工作面應(yīng)力場分布變化規(guī)律

褚福延，吳愛軍，南 瑋

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

我國近距離煤層的開采方式中，下行開采因投入生產(chǎn)快、初期投資少、有利于巷道維護、煤層穩(wěn)定等優(yōu)點，而得到廣泛應(yīng)用[1]。由于煤層的形成受到地質(zhì)條件和自然環(huán)境的影響，煤層的構(gòu)造十分復(fù)雜，因此開采過程中不可避免的遺留下不可開采的上覆煤柱。上覆煤柱上方巖層荷載及煤柱周圍采空區(qū)上方處于懸空狀態(tài)的巖層部分荷載轉(zhuǎn)移到煤柱上，使得煤柱處于應(yīng)力集中狀態(tài)，并且向下方巖層傳遞造成下層工作面處于應(yīng)力集中狀態(tài)[2-4]，其傳遞規(guī)律與煤柱尺寸、煤層間距、工作面位置等開采有關(guān)[5-8]。下位煤層受到臨近上位煤層上覆煤柱的應(yīng)力集中作用影響，煤柱下方工作面形成高壓應(yīng)力區(qū)。由于高壓應(yīng)力區(qū)的存在，所以開采下位煤層時易發(fā)生沖擊地壓、冒頂、回采巷道支護困難、煤壁片幫和上部采空區(qū)瓦斯流入下部煤層引發(fā)瓦斯爆炸等煤礦災(zāi)害。因此，在有上覆煤柱作用下，下位煤層開采時要做好防沖預(yù)警和相應(yīng)的預(yù)防措施，以防止沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害[9-13]。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

兗州集團鮑店煤礦六采區(qū)位于井田西南部，史家營、北風(fēng)井南側(cè)，韓家堂村東，平陽寺村北約200 m處，前、中、后鮑店村東約200 m以西。六采區(qū)由原三采區(qū)、六采區(qū)合并而成，區(qū)內(nèi)地勢平緩，煤層傾角較小，基本在7°左右。采區(qū)內(nèi)含有2號煤層、3號煤層、6號煤層，其中，2號煤層雖然結(jié)構(gòu)簡單但是由于厚度較小且不穩(wěn)定(0～1.5 m)，所以只有部分區(qū)域可采；6號煤層因厚度不穩(wěn)定，為不可采煤層；3號煤層埋深318～378 m，儲煤厚度為8.35～9.90 m，結(jié)構(gòu)上相對于其他煤層更簡單，為主要可采煤層，硬度f=3.1～3.9。因為2號煤層和3號煤層之間高度差僅為19.9 m，屬于近距離煤層，所以開采過程中采取下行式開采方式。由于上位煤層(2號煤層)只有局部可采，因此必然會留下不可開采的煤柱，造成煤巖體應(yīng)力高度集中，并且該集中應(yīng)力會傳遞至底板深處，輕者可能造成下位煤層工作面頂板破碎，回采時巷道支護困難，嚴重時則有可能導(dǎo)致沖擊地壓危險。

1.2 研究內(nèi)容

在煤柱的設(shè)計過程中，根據(jù)煤柱屈服區(qū)的寬度計算公式推導(dǎo)出煤柱極限應(yīng)力計算公式[14]，見式(1)。

(1)

f=tanφ

(2)

式中：σzl為煤柱極限應(yīng)力；C為煤層頂?shù)装褰佑|面的黏聚力，MPa；φ為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角；PX為煤壁的側(cè)向約束力，MPa；α為屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)；rp為煤柱塑性區(qū)寬度，m；M為煤柱厚度，m；開采擾動因子d=1.5～3.0。

從式(1)和式(2)可以得到煤柱厚度影響煤柱極限應(yīng)力。因為當(dāng)煤柱寬高比達到8時，煤柱的極限應(yīng)力不再增加[14]。為方便計算，本文中取煤柱寬度為30 m。

不同尺寸上覆煤柱導(dǎo)致下位煤層開采過程中支承應(yīng)力場的分布特征不同。由于2號煤層厚度的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致煤柱厚度不同，了解不同厚度煤柱對下位煤層支承應(yīng)力場的影響，有利于提高下位煤層開采過程中的安全性。因此，本文運用FLAC3D軟件對不同厚度煤柱下，對下位煤層開采前后及過程中支承應(yīng)力場的影響規(guī)律進行研究，其成果可為上覆煤柱作用下近距離煤層群的開采提供一定的理論依據(jù)。

2 建模過程

運用FLAC3D軟件，建立了長×寬×高=400 m×250 m×74 m的三維數(shù)值計算模型，整個模型共190 000個單元格。建模順序和賦予的力學(xué)性質(zhì)見表1。整個模型除模型上表面其余表面全部固定，模擬埋深400 m，模型頂部施加8.00 MPa的垂直壓力，x軸方向、y軸方向初始應(yīng)力分別為7.91 MPa、7.00 MPa，采用摩爾-庫倫強度準則進行計算。三維數(shù)值計算模型的工作面分布情況如圖1所示，開采順序如下所述。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physics and mechanics parameters of coal petrography

圖1 工作面分布位置Fig.1 Position of working face

1) 先形成工作面①，即開挖2號煤層x軸70～185 m和y軸65～185 m處。

2) 隨后形成工作面②及上覆煤柱，即開挖2號煤層x軸215～330 m和y軸65～185 m處。

3) 最后再開采3號煤層，即y軸方向開采范圍為65～185 m，x軸從x=100 m處開采，每次開采20 m，共開采200 m，形成工作面③。

3 模擬分析

3.1 厚2 m煤柱時的下煤頂板支承應(yīng)力場分布特征

3.1.1 未開采時下煤頂板支承應(yīng)力場分布特征

下位煤層未開采時支承應(yīng)力場分布情況如圖2(a)所示，煤層群受到開采擾動影響后，煤巖應(yīng)力重新分布。 圖2中下位煤層頂板處197.98～203.96 m為應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力場中心位于煤柱中心線右側(cè)。從圖2(b)可以看出，下位煤層未開采時，在上覆煤柱作用下，支承應(yīng)力場峰值點位于煤柱中心線正下方，支承應(yīng)力場峰值為19.22 MPa，支承應(yīng)力集中系數(shù)為2.05(下位煤層原巖應(yīng)力為9.37 MPa)，這說明上覆煤柱作用下會使下位煤層未開采前就處于應(yīng)力集中狀態(tài)。

圖2 下位煤層頂板應(yīng)力分布情況Fig.2 Stress distribution of roof in lower coal seam

3.1.2 開采過程中下煤頂板支承應(yīng)力場分布特征

如圖3所示，當(dāng)下煤層工作面推進60 m(左側(cè)采空區(qū)下方)時，應(yīng)力主要集中在采區(qū)前方39.94～44.22 m處；推進100 m(煤柱正下方)時，由于工作面處于煤柱正下方，下位煤層受到應(yīng)力疊加使得處于開采位置前方6.72～10.26 m處的應(yīng)力集中非常顯著；推進140 m(右側(cè)采空區(qū)下方)時，其應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在采區(qū)前方5.34～6.49 m，應(yīng)力集中較為顯著?？梢婋S著距離的增加，工作面前方支承應(yīng)力集中區(qū)域與采區(qū)的距離逐漸減小。

圖3 推進到不同位置時頂板應(yīng)力分布圖Fig.3 Roof stress diagram under different advancing distances

由圖4可知，當(dāng)工作面推進60 m時，采區(qū)前方區(qū)域的支承應(yīng)力場變化趨勢較為平緩，峰值為19.23 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.05；推進100 m時(位于煤柱中心線正下方)，峰值為37.59 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為4.01；推進140 m時，其峰值為28.63 MPa，集中系數(shù)為3.06，較開采100 m時略有下降?？梢?，由于煤柱起到的應(yīng)力疊加作用，支承應(yīng)力場峰值和支承應(yīng)力集中系數(shù)在煤柱正下方時最大，因此工作面推進至煤柱正下方時，開采過程中易發(fā)生沖擊地壓、頂板破碎等危險，圍巖支護困難。

圖4 超前支承應(yīng)力沿走向變化曲線Fig.4 Change curve of advance abumentstress along strike

3.2 不同厚度煤柱的下位煤層未采前頂板支承應(yīng)力場分布特征

在巖層尚未受到開采擾動前，2號煤層不同厚度(1 m、3 m和5 m)情況下，原巖應(yīng)力分別為9.35 MPa、9.38 MPa、9.40 MPa。

由圖5可知，不同上覆煤柱厚度對未開采的下位3號煤層支承應(yīng)力場分布有明顯影響，具體見表2。在下位煤層未開采前，煤層厚度的增加，應(yīng)力集中區(qū)域會向前移動，應(yīng)力集中區(qū)域范圍減小。應(yīng)力集中區(qū)域范圍減小是由于煤柱厚度增加，屈服區(qū)寬度增大，下位煤層最大主應(yīng)力減小(圖6)從而應(yīng)力集中區(qū)域范圍減小。

表2 頂板應(yīng)力集中區(qū)域范圍Table 2 Range of the stress concentrationarea of the roof

圖5 下位煤層頂板應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distribution of roof in lower coal seam

圖6 最大主應(yīng)力云圖Fig.6 Distribution of max principal stress

由圖7可知，在下位煤層未開采時，頂板支承應(yīng)力場關(guān)于煤柱中心線基本呈對稱分布，厚度在1 m、3 m、5 m時支承應(yīng)力場峰值分別為19.32 MPa、19.21 MPa、19.12 MPa，支承應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.07、2.05、2.03?？梢婋S著煤柱厚度增加，下位煤層支承應(yīng)力場峰值和支承應(yīng)力集中系數(shù)減小。

圖7 支承應(yīng)力場應(yīng)力變化曲線Fig.7 Change curve of abutment stress

3.3 不同厚度上覆煤柱下的下位煤頂板支承應(yīng)力開采過程中的變化特征

由圖8和圖9(a)可知，在厚度為1 m的上覆煤柱作用下，當(dāng)工作面推進60 m時，采區(qū)前方39.98～45.15 m處為應(yīng)力集中區(qū)域；推進100 m時，采區(qū)前方6.64～10.31 m處為應(yīng)力集中區(qū)域；推進140 m時，應(yīng)力集中區(qū)域為采區(qū)前方5.22～6.61 m。 工作面推進60 m、100 m、140 m時，支承應(yīng)力峰值分別為19.35 MPa、37.70 MPa、28.78 MPa，支承應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.07、4.03、3.07。

圖8 1 m厚煤柱推進至不同位置時應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distribution of 1 m thick coal pillar is mined to different positions

由圖9(b)可知，在厚度為3 m的上覆煤柱作用下， 當(dāng)工作面推進60 m時， 采區(qū)前方40.24～44.04 m處為應(yīng)力集中區(qū)；推進100 m時，采區(qū)前方6.82～10.11 m處為支承應(yīng)力場集中區(qū)；推進140 m時，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)于采區(qū)前方5.45～6.37 m。 工作面推進60 m、100 m、140 m時，支承應(yīng)力峰值分別為19.23 MPa、37.50 MPa、28.52 MPa，支承應(yīng)力場集中系數(shù)分別為2.05、4.00、3.04。

由圖9(c)可知，在厚度為5 m上覆煤柱作用下，當(dāng)工作面推進60 m時，采區(qū)前方41.45～42.29 m處為應(yīng)力集中區(qū)域； 推進100 m時， 采區(qū)前方6.99～9.84 m處為應(yīng)力集中區(qū)域； 推進140 m時，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)于采區(qū)前方5.68～6.20 m。工作面推進60 m、100 m、140 m時，支承應(yīng)力場峰值分別為19.12 MPa、37.28 MPa、28.25 MPa，支承應(yīng)力場集中系數(shù)分別為2.03、3.97、3.01。

圖9 不同厚度煤柱超前支承應(yīng)力沿走向變化曲線Fig.9 Change curve of advance abument stress of different thickness pillar along strike

綜上所述，當(dāng)工作面推進60 m、100 m、140 m時，煤柱厚度由1 m增加至5 m，工作面前方支承應(yīng)力峰值分別減小0.22 MPa、0.42 MPa、0.53 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別減小0.04、0.06、0.06?？梢?，隨著工作面推進距離的增加，煤柱厚度變化對工作面前方支承應(yīng)力峰值的影響增大。整體而言，在下位煤層的開采過程中煤柱厚度越小，工作面前方頂板支承應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)和集中區(qū)域范圍越大，應(yīng)力集中區(qū)域與工作面的距離越小，越應(yīng)注意防止頂板破碎和沖擊地壓等頂板事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1) 上覆煤柱會使下位煤層在未開采前就處于應(yīng)力集中狀態(tài)，且隨著工作面的推進，工作面前方頂板應(yīng)力集中區(qū)域前移，應(yīng)力集中范圍逐漸縮小，支承應(yīng)力場峰值與應(yīng)力集中系數(shù)先增大后減小。

2) 在下位煤層未開采前，支承應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤柱中心線附近，煤柱厚度增大，下位煤層頂板支承應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力集中區(qū)域范圍減小。

3) 開采下位煤層過程中，煤柱厚度越小，工作面前方頂板支承應(yīng)力峰值、集中系數(shù)和集中范圍越大，應(yīng)力集中區(qū)域與工作面的距離越小，開采過程中越應(yīng)注意預(yù)防頂板破碎和沖擊地壓等頂板事故的發(fā)生。