趙騰飛，種 陽，馬國偉

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065；2.渭南陜煤啟辰科技有限公司，陜西 渭南 714000；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710065)

0 引 言

目前，國內(nèi)外對(duì)于高地應(yīng)力和高礦壓的處理方式只有加強(qiáng)支護(hù)和開采方法避壓兩種手段。國內(nèi)許多礦井支護(hù)工程都是運(yùn)用高強(qiáng)度支護(hù)和讓壓組合的方式，采用支護(hù)形式上有高強(qiáng)度支撐結(jié)構(gòu)和錨固的技術(shù)，支護(hù)器具如高強(qiáng)度U型類鋼支架棚組、包裹著鋼筋或鋼管的混合倒梯形高強(qiáng)混凝土等。錨固方式主要采取預(yù)加載錨固力的錨(索)桿、對(duì)重點(diǎn)區(qū)段進(jìn)行特殊密集加固等，這些都是解決高礦壓巷道的必然措施[1-2]。建新煤礦巷道變形劇烈，也曾采取加強(qiáng)支護(hù)措施、錨索加粗以及采用全錨索支護(hù)等方法，雖有收效，但無法徹底解決問題。除了高強(qiáng)度支護(hù)以外，利用采礦礦壓轉(zhuǎn)移原理避免巷道長期處于高礦壓的方法是可行的，因此沿空留設(shè)巷、沿空采掘巷是確切可行的措施。

張玉祥等[3-4]通過將模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)合建立起巷道圍巖穩(wěn)定性識(shí)別模型，利用智能決策系統(tǒng)劃分出不同寬度的區(qū)段煤柱圍巖完整區(qū)域來明確煤柱穩(wěn)定性的辦法；陳忠輝等[5-6]在大同煤業(yè)集團(tuán)技術(shù)中心對(duì)忻州窯礦8911工作面綜合機(jī)械化開采煤巖體塊斷裂變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)綜合機(jī)械化放采頂板煤層3D回采工作面圍巖損傷進(jìn)行探究，獲取3D條件下單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值、破壞位移值及塑性區(qū)變化范圍結(jié)果；陳學(xué)偉等[7]分析山東兗礦集團(tuán)下屬某礦1306工作面沿空掘巷區(qū)段礦壓活動(dòng)，采用布置聯(lián)絡(luò)巷跨過回采工作面滯后開挖下區(qū)段運(yùn)輸順槽的方法，成功地將區(qū)段煤柱范圍控制在4 m內(nèi)；惠興田[8-9]、謝俊文等[10]對(duì)松軟煤體特厚煤層煤柱體進(jìn)行破斷監(jiān)測并結(jié)合自穩(wěn)隱形拱理論分析，在瓦斯?jié)舛雀叩乃绍浧扑槊簩酉?，運(yùn)用錨網(wǎng)(索)耦合支護(hù)，可以將區(qū)段煤柱尺寸控制在5～7 m之間。由此可見，夾矸厚煤層條件下沿空掘巷的煤柱體應(yīng)力變化規(guī)律以及穩(wěn)定性問題亟需進(jìn)一步深入地研究。

1 區(qū)段煤柱合理寬度計(jì)算

1.1 采空區(qū)邊緣煤柱塑性區(qū)計(jì)算

根據(jù)4203沿空掘巷工作面布置可建立采空區(qū)側(cè)煤柱邊緣力學(xué)計(jì)算模型(圖1)，由此可建立求解塑性區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程(式1)，獲得采空區(qū)側(cè)煤柱邊緣極限強(qiáng)度位置的實(shí)際距離[11]。

圖1 采空區(qū)側(cè)煤柱邊緣體力學(xué)計(jì)算模型

(1)

式中：Ps為采空區(qū)側(cè)散落巖體對(duì)煤壁面沿x方向的約束力，MPa；τxy為煤層與頂?shù)装褰缦薜募羟袘?yīng)力，MPa；M為煤層厚度，m；xs為采空區(qū)側(cè)至煤柱體極限強(qiáng)度作用處的距離，m。

采空區(qū)側(cè)煤柱邊沿的應(yīng)力分布和塑性區(qū)跨度范圍與煤層厚度M、側(cè)壓系數(shù)β及煤柱體極限強(qiáng)度σys維持正增長，與煤體與頂?shù)装屦ぞ哿0、內(nèi)摩擦角φ0、采空側(cè)支護(hù)阻力Ps有負(fù)向聯(lián)系。

采空區(qū)側(cè)的煤柱情況比較復(fù)雜，由于臨近202工作面回采工作后塌落的煤體和巖塊相互咬合鉸接，將采空區(qū)充填，這些碎脹的煤巖塊與未放煤層段是相互聯(lián)系的，存在相互耦合關(guān)系，同時(shí)頂板垮落的煤巖塊對(duì)煤柱也有側(cè)向的壓力，是多種參數(shù)耦合作用的結(jié)果，因此需將采空區(qū)邊緣的支護(hù)參數(shù)考慮進(jìn)去，可利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，見式(2)。

(2)

式中：γ為破碎煤體重度，kN/m3；M為煤層厚度，m；φ0為煤巖塊的內(nèi)摩擦角，(°)。

將式(2)帶入式(1)，能夠獲得有支護(hù)的情形中邊緣塑性區(qū)寬度的具體計(jì)算公式見式(3)。

(3)

將4203工作面地質(zhì)工況數(shù)據(jù)代入到式(3)可以獲得當(dāng)煤層厚度M=8 m時(shí)，在Ps≠0的情況下寬度xs=2.58 m。

1.2 巷道側(cè)邊緣煤柱塑性區(qū)計(jì)算

根據(jù)4203沿空掘巷工作面布置可建立巷道側(cè)煤柱邊緣力學(xué)計(jì)算模型(圖2)，由圖2可得求解平衡方程(式2)，獲得巷道側(cè)煤柱邊緣極限強(qiáng)度位置的實(shí)際距離[12]。

圖2 巷道側(cè)煤柱邊緣體力學(xué)計(jì)算模型

(4)

式中：Pt為掘巷支護(hù)對(duì)煤壁面沿水平的約束力，MPa；τxy為煤體與頂?shù)装褰缦尢幍募羟辛?，MPa；m為開采煤層厚度，m；xp為運(yùn)輸巷幫至煤柱體極限強(qiáng)度作用處距離，m。

極限平衡區(qū)跨度范圍是塑性區(qū)的寬度，煤體邊緣應(yīng)力分布與煤柱體極限強(qiáng)度σyp(即支承壓力峰值)、煤層開采厚度m、側(cè)壓系數(shù)β、煤體與頂板的黏聚力C0、摩擦角φ0及巷道煤壁面一側(cè)支護(hù)阻力Pt都具有密切聯(lián)系。

由式(4)可以看出，塑性區(qū)寬度與煤層埋深、煤層開采厚度、側(cè)壓系數(shù)保持正相關(guān)，與內(nèi)摩擦角、煤體與頂板的黏聚力和煤幫側(cè)向支護(hù)阻力保持負(fù)相關(guān)。依據(jù)國內(nèi)外的研究報(bào)告，在煤層開采深度為100～500 m范圍內(nèi)應(yīng)力平衡區(qū)的寬度范圍幾乎與開采的深度成正比增長。界面內(nèi)摩擦角φ0及黏聚力C0對(duì)應(yīng)力極限平衡區(qū)跨度范圍干擾較廣，一般而言，內(nèi)摩擦角與底板圍巖的力學(xué)參數(shù)及接觸面的完整平滑度相關(guān)，與巖體自身破壞裂隙發(fā)展無關(guān)。

隨著不斷增加的煤厚度層，同樣地質(zhì)情況和支護(hù)強(qiáng)度的應(yīng)力極限平衡區(qū)的跨度范圍也隨之增加，對(duì)于特厚煤層條件下，為了使計(jì)算的塑性區(qū)寬度更符合實(shí)際工程情況，要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀３猪數(shù)装宓耐暾?，加固巷道圍巖體保持巷道完整度。界面黏聚力會(huì)隨著煤層的破壞而減小，尤其是受到采動(dòng)的影響，在煤層與頂?shù)装彘g接觸面黏聚力減小的情況下，增加支護(hù)參數(shù)值對(duì)于巷道圍巖完整性具有較大的作用，同時(shí)也能更好地控制應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度范圍，保證回采順利完工。

考慮到區(qū)段煤柱屬于核心承載區(qū)，對(duì)于煤柱的承載力的研究尤其重要，而目前采取的Mohr-Coulomb屈服原理、Wilson簡化荷載計(jì)算公式均未能研究到主動(dòng)應(yīng)力的作用，因此采用平面應(yīng)變狀態(tài)下的SMP破壞標(biāo)準(zhǔn)，建立空間滑動(dòng)面研究3個(gè)主應(yīng)力的破壞標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)SMP標(biāo)準(zhǔn)煤柱體極限強(qiáng)度計(jì)算公式見式(5)～式(7)。

σc=c0cotφ

(5)

σyp=D(γH+σc)-σc

(6)

(7)

式中：C0為煤體黏聚力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；σyp為煤體的極限強(qiáng)度(即支承壓力峰值)，MPa；σc為主應(yīng)力表達(dá)式中的黏結(jié)應(yīng)力，MPa；γ為煤體的平均體積力，kN/m3；H為煤層埋深，m。

對(duì)于建新煤礦4203工作面的實(shí)際工況，煤厚度為7.8 m，埋藏深度H=500 m，煤體的內(nèi)摩擦角φ=36°，黏聚力C0=2 MPa，取煤體的平均體積力γ=25 kN/m3。將建新煤礦實(shí)際工況參數(shù)代入式(6)中計(jì)算得煤柱的極限強(qiáng)度σyp=10.6 MPa?，F(xiàn)場測得建新煤礦203工作面其他地質(zhì)參數(shù)為煤層開采高度m=5 m，μ=0.3，β=μ/1-μ=0.428，Pt=0.5 MPa，將測得參數(shù)代入式(4)，可得到巷道側(cè)煤柱邊緣塑性區(qū)寬度xp=2.61 m。

1.3 沿空掘巷區(qū)段煤柱合理寬度計(jì)算

區(qū)段煤柱的完整性受塑性區(qū)寬度的干擾較大，塑性區(qū)寬度越長，煤柱體易破壞，因此在設(shè)計(jì)寬度時(shí)需要將塑性區(qū)的最大情況計(jì)算進(jìn)去，判定煤柱體的合理范圍寬度E計(jì)算公式見式(8)。

E=k(xp+xs+xh)

(8)

式中：K為煤體采動(dòng)影響因子，與頂板巖層完整性有關(guān)；xp為巷道側(cè)煤柱邊緣塑性區(qū)寬度，m；xs為采空區(qū)側(cè)煤柱邊緣塑性區(qū)寬度，m；xh為區(qū)段煤柱核心承載寬度，m；由于煤層厚度較大，需要增加煤柱寬度的安全量，通常按照(xp+xs)值的30%～50%進(jìn)行運(yùn)算。

當(dāng)煤體開采高度為5 m、煤均厚度為8 m時(shí)，取xh=0.4(xp+xs)，k=1.5，依據(jù)建新煤礦203工作面實(shí)際地質(zhì)狀況參數(shù)代入式(8)中可得區(qū)段煤柱合理寬度E=10.959 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

4203回采工作面是建新煤礦4-2煤層的主采煤層，井下標(biāo)高為+790～+874 m，回采工作面東側(cè)為4202工作面，已回采完畢。根據(jù)表1建立沿空掘巷數(shù)值模擬仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖2)，類似于圖3的數(shù)值計(jì)算模型從3D網(wǎng)格組運(yùn)用循環(huán)法開展相應(yīng)的分割區(qū)分，在巷道附近產(chǎn)生發(fā)散，邊界處網(wǎng)格寬度最大，區(qū)段煤柱和巷道處網(wǎng)格寬度為1 m×1 m×1 m，邊界處網(wǎng)格寬度為2 m×2 m×2 m。在模擬過程中，錨桿及錨索采用植入式桁架單元，煤層及其他巖層采用實(shí)體單元。

表1 巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模擬結(jié)果分析

上區(qū)段回采完畢的采空區(qū)側(cè)區(qū)段煤柱開展相應(yīng)的應(yīng)力模擬工作，在確認(rèn)具體的施工階段過程中，對(duì)于采空區(qū)進(jìn)行相關(guān)材質(zhì)的充填處理，冒落穩(wěn)定堆積可以將其看作連續(xù)體。順著采空區(qū)的方向預(yù)置5 m煤柱，后續(xù)區(qū)間也擴(kuò)展5 m，對(duì)于實(shí)際圍巖應(yīng)力變動(dòng)的具體狀況開展論述。對(duì)比煤柱邊緣應(yīng)力的具體參數(shù)，多種區(qū)間的煤柱體即5～20 m四類情形的塑性區(qū)變化開展分析(圖4)。

由圖4可知，20 m寬度的煤柱，頂板位置的下沉量顯著超出其他寬度位置，最高變形量為1 325 mm，該數(shù)據(jù)近乎其他組別最大數(shù)值的2倍。結(jié)合具體的變形特征可知，由于區(qū)段煤柱寬度指標(biāo)相對(duì)較長，會(huì)造成頂板之上的巖梁臂出現(xiàn)斷裂等問題，回轉(zhuǎn)所帶來的彎矩未能進(jìn)行有效的卸載，沒有產(chǎn)生垮落的煤層，可能會(huì)由于壓力聚集進(jìn)而造成破斷，對(duì)于后續(xù)的工作面產(chǎn)生滑動(dòng)下沉的變化，進(jìn)一步增進(jìn)相關(guān)頂板的下沉現(xiàn)象。

結(jié)合圖4的變化曲線可知，巷道兩側(cè)位置的相對(duì)變形量數(shù)據(jù)超過了中間位置，圍巖變形可能會(huì)造成應(yīng)力重分布的現(xiàn)象，對(duì)承載區(qū)產(chǎn)生顯著影響，實(shí)際寬度數(shù)據(jù)為5～10 m，頂板變形量的實(shí)際參數(shù)在400～600 mm之間，10 m位置最低變形參數(shù)為347 mm，相對(duì)于10 m和15 m寬度而言，由于核心區(qū)可以較好地承載兩側(cè)斷裂擠壓所產(chǎn)生的變動(dòng)，煤巖體轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的塑性區(qū)，但沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，邊緣支撐實(shí)際位于降低區(qū)的位置，可以達(dá)到較為理想的泄壓效果，也可大大節(jié)約煤炭資源。

圖4 區(qū)段煤柱不同寬度頂板下沉量變動(dòng)

對(duì)巷道直接頂30 m區(qū)域內(nèi)x方向和y方向應(yīng)力進(jìn)行分析，繪制不同寬度下掘巷頂板應(yīng)力分布變化曲線如圖5和圖6所示。

圖5 不同煤柱寬頂板30 m區(qū)間的水平應(yīng)力變化

圖6 不同煤柱寬度下巷道頂板30 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力變化曲線

由圖5和圖6可知，距巷道頂板5 m處的水平應(yīng)力值最大，同一寬度下，水平應(yīng)力先增加后降低，再緩慢增加，煤柱寬度為20 m時(shí)水平應(yīng)力變化范圍較大，通過觀察5 m、10 m、15 m處水平應(yīng)力可知，其變化范圍大致在8～30 MPa，平均應(yīng)力值在20～25 MPa趨于穩(wěn)定，沿空掘巷開挖巷道受到采空區(qū)側(cè)邊緣應(yīng)力影響和區(qū)段煤柱側(cè)向水平擠壓作用，對(duì)于巷幫的支護(hù)阻力要求很大，預(yù)留的煤柱寬度較小時(shí)，加快掘進(jìn)速率，可大大降低水平應(yīng)力的集中現(xiàn)象，對(duì)于頂板的支護(hù)管理有顯著作用。

煤柱寬度為20 m時(shí)，由于上覆巖梁體的破壞導(dǎo)致拱形結(jié)構(gòu)變形，不能夠提供穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，上部垮落的巖體塊產(chǎn)生滑落下沉，對(duì)于垂直方向應(yīng)力過大，距離頂板為15～20 m距離的垂直應(yīng)力增加速率降低，頂板上部開采煤層厚度為8 m左右，垂直應(yīng)力降低說明有效的支護(hù)形式和合理的煤柱寬度對(duì)綜采放頂煤有一定的碎煤作用，觀察5 m、10 m、15 m豎向壓力范圍是10～30 MPa，距頂板20 m范圍外豎直壓力有所降低。

3 結(jié) 論

1) 本文通過建立極限平衡區(qū)計(jì)算模型，針對(duì)建新煤礦4203工作面地質(zhì)參數(shù)計(jì)算得到采空區(qū)側(cè)煤柱邊緣塑性區(qū)寬度。

2) 綜合分析多種區(qū)段煤柱寬度，引發(fā)實(shí)際的應(yīng)力變動(dòng)以及重分布現(xiàn)象，對(duì)于煤柱核心區(qū)域的實(shí)際承載力出現(xiàn)顯著轉(zhuǎn)變，通常會(huì)產(chǎn)生常規(guī)預(yù)留的煤柱寬度過度增長的變化，因此而造成承載能力有一定程度的下降，煤柱之中會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力疊加，內(nèi)部則會(huì)有巖體遭到破壞，過寬的煤柱可能會(huì)造成擠壓變形裂隙發(fā)育，下沉現(xiàn)象顯著，大幅度提升人工投入，干涉到掘進(jìn)效率。

3) 研究邊緣應(yīng)力以及塑性區(qū)的相關(guān)分析數(shù)據(jù)，比較相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證寬度，對(duì)類似場景的作業(yè)給予良好的借鑒。