楊創(chuàng)前，馮國瑞

（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）

大同礦區(qū)頂板堅(jiān)硬完整[1-4]，巖石試樣單向抗壓強(qiáng)度一般可達(dá)80～160 MPa，20 世紀(jì)50—90 年代受落后的支護(hù)條件限制，面對堅(jiān)硬頂板的控制問題，多數(shù)礦井使用留設(shè)煤柱支撐頂板的刀柱采煤法。這一方法的運(yùn)用在當(dāng)時(shí)有效解決了開采期間頂板對采場的威脅，但回采率偏低且前期留設(shè)的大量煤柱給后期鄰近煤層的開采帶來困難[5-8]。國內(nèi)外學(xué)者針對垮落法采空區(qū)上行開采進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的研究成果[9-14]。大同礦區(qū)過去使用刀柱采煤法，采寬15～35 m，刀柱煤柱寬4～10 m 不等。刀柱采空區(qū)域僅直接頂發(fā)生部分垮落，基本頂及以上巖層保持完整，其采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)特征與長壁采空區(qū)截然不同，用于指導(dǎo)長壁采空區(qū)上行開采的研究成果不適用刀柱采空區(qū)上行開采。關(guān)于刀柱采空區(qū)上行開采的研究相對匱乏，文獻(xiàn)[15-17]分別研究了上行開采條件下層間巖層可形成的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性，塑性區(qū)分布和運(yùn)動(dòng)預(yù)測模型等。刀柱采空區(qū)上行開采是1個(gè)動(dòng)態(tài)過程，前述研究沒有具體考慮上行采動(dòng)應(yīng)力的影響，刀柱煤柱主要承擔(dān)了上覆巖層的采動(dòng)載荷，確保刀柱煤柱的穩(wěn)定性對實(shí)現(xiàn)安全上行開采至關(guān)重要。因此，迫切需要研究刀柱采空區(qū)上行開采條件下刀柱煤柱的應(yīng)力分布演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

把在巖體活動(dòng)中起主要控制作用的巖層稱為關(guān)鍵層，關(guān)鍵層破斷時(shí)，其上全部或局部巖層的下沉變形協(xié)調(diào)一致[18]。大量研究表明，關(guān)鍵層在控制其上軟弱巖層運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也影響了下方煤層支承壓力的分布[19-21]。以大同礦區(qū)刀柱采空區(qū)上行開采條件和煤巖層力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，將關(guān)鍵層控制的巖層簡化為軟弱巖層，運(yùn)用UDEC 建立數(shù)值模型。模型尺寸設(shè)置為300 m×210 m（長×高），上煤層厚2 m、下煤層厚4 m，上、下煤層間距50 m，亞關(guān)鍵層距上煤層10 m、厚度6 m，主關(guān)鍵層距上煤層36 m、厚度為18 m，其上為90 m 厚的軟弱巖層，數(shù)值模型如圖1。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

對模型左右邊界和底部邊界進(jìn)行位移約束。為消除邊界效應(yīng)，模型沿走向左右邊界各留設(shè)35 m的邊界煤柱，模型可推進(jìn)距離230 m。模型建立過程中，分別在距下煤層頂板1 m 處和距上煤層底板1 m 處布置2 條測線，每條測線上設(shè)有300 個(gè)測點(diǎn)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測刀柱采空區(qū)上行開采過程中上、下煤層應(yīng)力的變化。模型采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，巖層塊體和接觸面的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 UDEC 數(shù)值模型煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal strata in UDEC numerical model

數(shù)值模擬試驗(yàn)過程中，先運(yùn)用刀柱采煤法采下煤層，其中刀柱開采區(qū)域?qū)挾?6 m，留設(shè)刀柱煤柱寬度8 m，刀柱采空區(qū)開采完畢后上行長壁開采上煤層。為方便討論，將下煤層刀柱采空區(qū)中留設(shè)的刀柱煤柱從左至右依次命名為一、二、三、四、五、六刀柱煤柱。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 下煤層刀柱采空區(qū)形成時(shí)應(yīng)力分布特征

下煤層刀柱開采引起應(yīng)力重新分布，刀柱采空區(qū)形成時(shí)下煤層的應(yīng)力分布如圖2。

圖2 下煤層刀柱采空區(qū)形成時(shí)的應(yīng)力分布特征Fig.2 Stress distribution characteristics of gob formation in lower coal seam wedge pillar

下煤層運(yùn)用刀柱法開采，覆巖重力轉(zhuǎn)移至刀柱煤柱，引起刀柱煤柱的應(yīng)力升高表現(xiàn)為應(yīng)力集中。其中，靠近刀柱采空區(qū)中央部分的刀柱煤柱受力大于兩側(cè)，明顯大于邊界煤柱處。刀柱采空區(qū)域所受壓力接近零表現(xiàn)為卸壓，應(yīng)力集中區(qū)與應(yīng)力卸壓區(qū)在水平方向上交替出現(xiàn)。下煤層應(yīng)力分布由采動(dòng)前的原巖應(yīng)力狀態(tài)演化為新的波動(dòng)平衡狀態(tài)。

2.2 上行開采過程中應(yīng)力分布演化特征

上行長壁開采破壞覆巖原有的平衡狀態(tài)引起覆巖運(yùn)移，造成采場應(yīng)力重新分布。刀柱采空區(qū)上行長壁開采過程中關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對采場應(yīng)力分布演化規(guī)律的影響如圖3。關(guān)于圖中：“上行開采前”代表下煤層刀柱采空區(qū)形成時(shí)測線2 測得的下煤層應(yīng)力分布值，“上行工作面”、“刀柱采空區(qū)”分別代表上行長壁開采過程中測線1、2 測得的上、下煤層應(yīng)力分布值。

圖3 刀柱采空區(qū)上行開采應(yīng)力分布演化規(guī)律Fig.3 Evolution law of upward mining stress distribution in goaf of wedge pillar

圖3（a）為上行工作面推進(jìn)80 m，亞關(guān)鍵層初次破斷時(shí)的應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出：上行工作面超前支承壓力峰值為10.5 MPa，影響范圍37 m，三、四刀柱煤柱受上行采動(dòng)應(yīng)力的影響，應(yīng)力出現(xiàn)明顯升高，應(yīng)力峰值分別由上行開采前的15.6、15.5 MPa 升高到20.8、18.5 MPa。位于上行工作面采空區(qū)下的一、二刀柱煤柱應(yīng)力減小，分別由上行開采前的14.6、15.6 MPa 降低到6、9.9 MPa。位于上行工作面采動(dòng)應(yīng)力影響范圍外的五、六刀柱煤柱應(yīng)力變化不大。

圖3（b）為上行工作面推進(jìn)155 m，主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)的應(yīng)力分布圖。上行工作面超前支承壓力峰值為13.9 MPa，影響范圍約60 m。受上行采動(dòng)應(yīng)力的影響，五、六刀柱煤柱應(yīng)力明顯升高，應(yīng)力峰值分別由上行開采前的14.6、13.6 MPa 升高到28.3、17.8 MPa。位于上行工作面采空區(qū)下的一、二、三、四刀柱煤柱應(yīng)力處于低應(yīng)力狀態(tài)。

圖3（c）為上行工作面推進(jìn)195 m，主關(guān)鍵層下沉壓實(shí)采空區(qū)時(shí)的應(yīng)力分布圖。由于采空區(qū)分擔(dān)了覆巖的部分載荷致使上行工作面支承壓力峰值和影響范圍均減小，此時(shí)，上行工作面超前支承壓力峰值為12 MPa，影響范圍約47 m。受上行采動(dòng)影響的六刀柱煤柱應(yīng)力升高，峰值由13.6 MPa 升高到23.5 MPa，小于主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)五刀柱煤柱承受的應(yīng)力峰值。二、三、四刀柱煤柱位于主關(guān)鍵層斷裂塊體觸矸壓實(shí)區(qū)域，應(yīng)力出現(xiàn)恢復(fù)性升高。

2.3 上行開采刀柱煤柱塑性區(qū)分布規(guī)律

刀柱采空區(qū)上行開采活動(dòng)引起支承壓力重新分布，在支承壓力作用下，一定范圍內(nèi)的刀柱煤柱達(dá)到屈服破壞而處于塑性屈服狀態(tài)，刀柱煤柱的塑性區(qū)分布狀態(tài)可以反映刀柱煤柱的受力演化過程。刀柱采空區(qū)上行開采刀柱煤柱塑性區(qū)分布演化規(guī)律如圖4。

如圖4（a），上行工作面推進(jìn)80 m，亞關(guān)鍵層初次破斷，此時(shí)主關(guān)鍵層尚未破斷其下方存在離層空間。主關(guān)鍵層將自身及上覆巖層載荷傳遞至超前位于工作面下方的三刀柱煤柱，引起三刀柱煤柱應(yīng)力升高，三刀柱煤柱（距左邊界129～137 m）邊緣部分發(fā)生塑性屈服破壞。

主關(guān)鍵層初次破斷前，隨上行工作面推進(jìn)主關(guān)鍵層懸空距增大，支承壓力升高，超前刀柱煤柱塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展。如圖4（b），上行工作面推過四刀柱煤柱后，四刀柱煤柱塑性區(qū)范圍不再變化。當(dāng)上行工作面推至155 m，主關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷，此時(shí)，超前位于其下方的五刀柱煤柱（距左邊界197～205 m）塑性區(qū)發(fā)展最為充分。

圖4 上行開采刀柱煤柱塑性區(qū)分布演化規(guī)律Fig.4 Evolution law of upward mining plastic zone distribution of the coal pillar

主關(guān)鍵層初次破斷后，其中部斷裂、下沉、觸矸，以中部觸矸點(diǎn)為界，主關(guān)鍵層一端由采空區(qū)支撐，另一端由工作面煤體支撐。隨著上行工作面推進(jìn)，超前位于上行工作面下方的六刀柱煤柱支承壓力逐步升高。如圖4（c），上行工作面推進(jìn)195 m，超前位于其下方的六刀柱煤柱（距左邊231～239 m）邊緣部分產(chǎn)生塑性屈服破壞區(qū)，但不及主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)五刀柱煤柱的塑性破壞區(qū)范圍大。顯然，刀柱采空區(qū)上行開采過程中，超前位于上行工作面下方的臨近刀柱煤柱的塑性區(qū)分布演化規(guī)律與2.2 節(jié)中應(yīng)力分布演化規(guī)律一致。

綜上，刀柱采煤法開采下煤層引起刀柱煤柱的應(yīng)力集中，上行長壁開采引起刀柱煤柱應(yīng)力分布的進(jìn)一步演化，根據(jù)刀柱煤柱受力特點(diǎn)大體可將其分為3 個(gè)區(qū)間：位于上行工作面采空區(qū)下的刀柱煤柱處于應(yīng)力降低區(qū)，受上行工作面超前采動(dòng)應(yīng)力影響的刀柱煤柱處于應(yīng)力升高區(qū)，位于上行工作面采動(dòng)應(yīng)力影響范圍外的刀柱煤柱處于應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。主關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)影響采場應(yīng)力分布，主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)，受超前采動(dòng)應(yīng)力影響的臨近刀柱煤柱支承壓力達(dá)到最大值，塑性區(qū)分布范圍也最大。

3 現(xiàn)場驗(yàn)證

晉華宮礦河南402 盤區(qū)12 號煤層西南部過去采用刀柱法開采，刀柱采空區(qū)域范圍東西長350 m，南北長600 m，其中刀柱間距25 m，留設(shè)煤柱寬9 m，采高3 m。在礦井儲量日益瀕臨枯竭的情況下，決定上行復(fù)采9 號煤層，煤層均厚1.4 m。主關(guān)鍵層為厚約46.8 m 的灰白石英粗砂巖，距9 號煤層約126.2 m。

由于下煤層刀柱采空區(qū)條件異常復(fù)雜，上行開采期間難以對下煤層刀柱煤柱進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。刀柱煤柱和層間巖層受采動(dòng)應(yīng)力的影響會產(chǎn)生壓縮變形和彎曲變形，繼而引起上行工作面底板的下沉，因此，上煤層的底板位移情況能夠反映刀柱煤柱的受力。巷道掘進(jìn)開采期間，在巷道開口40 m 處設(shè)置第1 道位移觀測站，以后間隔100 m 設(shè)置1 道。

上行開采期間，經(jīng)位移測站實(shí)測發(fā)現(xiàn)隨著上行工作面推進(jìn)，底板下沉量逐漸加大，主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)底板下沉約86 mm 達(dá)到最大，初次破斷后底板下沉量減小。晉華宮礦刀柱采空區(qū)上行開采，底板下沉變化趨勢符合本文數(shù)值模擬得到的刀柱采空區(qū)上行開采刀柱煤柱支承壓力的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

根據(jù)刀柱采空區(qū)上行開采過程中，超前位于上行工作面下方的刀柱煤柱的應(yīng)力在主關(guān)鍵層初次破斷前隨上行工作面推進(jìn)而不斷增大的特征。建議刀柱采空區(qū)上行開采時(shí)，工作面需配備注漿充填系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)圍巖變形明顯、底板下沉加快等異?，F(xiàn)象，需停止工作面推進(jìn)，對刀柱采空區(qū)進(jìn)行充填。

4 結(jié) 論

1）刀柱法開采下煤層引起刀柱煤柱應(yīng)力集中，刀柱煤柱受力明顯高于兩側(cè)邊界煤柱。刀柱采空區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)與應(yīng)力卸壓區(qū)在水平方向上交替出現(xiàn)。

2）刀柱采空區(qū)上行開采引起刀柱煤柱應(yīng)力分布的進(jìn)一步演化，根據(jù)刀柱煤柱受采動(dòng)應(yīng)力的影響將其分為3 個(gè)區(qū)間，即應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)刀柱煤柱的穩(wěn)定性是決定刀柱采空區(qū)安全上行開采的關(guān)鍵。

3）主關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)決定采場應(yīng)力分布，主關(guān)鍵層初次破斷時(shí)，上行工作面及超前位于其下方的刀柱煤柱應(yīng)力峰值和塑性區(qū)分布范圍均達(dá)到最大。主關(guān)鍵層初次破斷后明顯減小。晉華宮礦刀柱采空區(qū)上行開采期間的底板位移觀測結(jié)果與研究得到的刀柱煤柱應(yīng)力分布規(guī)律相符。