基于相似材料模拟特厚倾斜煤层煤柱应力演化规律研究

郝志贤，朱　峰

(1.辽宁地质工程职业学院，辽宁 丹东 118008；2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)



基于相似材料模拟特厚倾斜煤层煤柱应力演化规律研究

郝志贤1，朱峰2

(1.辽宁地质工程职业学院，辽宁 丹东 118008；2.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

为研究特厚倾斜煤层开采时煤柱应力变化状态，结合抚顺矿区老虎台矿特厚煤层开采现状，针对83003综放面和73005综放面构建力学模型。采用相似材料模拟实验对煤柱应力进行监测，得到了应力演化规律，根据实验结果对现场布置合理的防治冲击地压措施。研究结果表明：煤层赋存越深，煤柱受采动影响的应力值越大，应力集中系数呈增长趋势，变化范围为1.09～3.12；73005综放面和83003综放面之间的煤柱应力明显高于模型边界煤柱应力；工作面之间的煤柱受开采影响次数越多，煤柱应力值越大；工作面推进时，上覆岩层的垮落使岩层中的应力充分释放，随着采空区逐渐压实，应力值有所回升。通过相似材料模拟研究，对工作面的开采进行指导，运用煤层注水、卸压钻孔和加强支护等措施对冲击地压进行防治，达到了理想的效果。

应力集中系数；煤柱；相似材料模拟；特厚倾斜煤层；冲击地压防治

研究回采工作面煤柱应力分布规律，对煤柱宽度的确定、超前支护影响距离的确定和地质动力灾害防治等提供了重要依据，具有十分重要的意义[1-9]。其中，刘正和等研究了回采巷道顶板大深度切缝后煤柱应力分布特征[1]，鲍永生针对复杂特厚煤层综放工作面煤柱应力分布规律进行了研究[7]。目前，对工作面煤柱应力分布规律研究的手段主要有理论分析、数值模拟和现场监测，用实验模拟手段尤其是相似材料模拟对煤柱应力规律的研究较少。相似材料模拟实验作为室内研究的一种重要手段，具有研究周期短、成本低、成果形象直观等特点，已被广泛用于矿山开采岩层移动规律研究中[10-14]。其中，王崇革等通过三维相似材料模拟，将浅埋煤层开采的上覆岩层运动与地表沉陷作为一个整体系统结合起来进行研究，为现场提供决策依据[11]；史俊伟等运用相似材料模拟实验研究了巨厚砾岩诱发冲击地压的危险性[12]；魏久传等进行了相似材料模拟分析了伊犁一矿首采工作面浅埋煤层采动覆岩运动特征，分析了直接顶破坏、老顶破坏、采动覆岩破坏高度发展等规律，并进行了切顶冒落分析[13]。

本文以抚顺矿区老虎台矿为例，运用相似材料模拟老虎台矿特厚倾斜煤层，主要研究73005综放面和83003综放面回采期间煤柱应力变化状态，通过应力分析对回采工作面冲击地压防治进行指导。

1　工程概况

老虎台矿煤层属于特厚煤层，西部煤层厚度平均约110m，西部区域岩性比较单一，底板为凝灰岩，顶板为油页岩，依次到地表为绿色页岩和砂砾岩。现开采工作面为83003工作面，采用综合机械化放顶煤开采。该面开采煤层为四、五分层煤，夹矸3～8层，厚度0.4～13m，平均厚度为11.8m，煤层倾角15～32°，地面标高为+89.1～+95.4m，工作面标高-748.2～-833.5m，覆岩厚度为837.3～928.9m。83003综放面东侧为73005已采空区，两工作面之间存在150～200m的西部煤柱，73005综放面回采期间，工作面发生破坏性冲击地压和矿震，主要受西部煤柱应力集中影响，因此研究各工作面开采时西部煤柱应力变化对83003综放面安全回采有重要的指导意义。

2　模型设计与制作

2.1模型尺寸和材料配比的设计

根据实验室条件和研究需要，选用立式平面模型实验台，模型装填尺寸长×宽×高=3000mm×300mm×2000mm(图1)。

模型参数主要以煤岩的视密度、抗拉强度、抗压强度作为参考指标。各岩层根据老虎台矿物理力学参数选取相似配比号，见表1；相似材料模拟实验模拟材料的配比如表2所示。

表1　老虎台矿煤岩物理力学参数及相似材料配比

表2　相似材料配比参数

2.2模型制作和应力监测点的布置

模型按2cm一层逐层装填、捣实、抹平。模型经过一段时间干燥后，模拟岩层达到预计强度，进行测点的布设工作。

在模型的煤岩中分别布置了五层压力盒，共计22个应力测点，利用YJZ-32A智能数字应变仪实现应力实时监测。应力测点布置如图1所示。第五层(最上层)压力盒深度位于煤层顶板，从左侧边界煤柱中间开始每隔40cm布置一个测点，共设15～22号8个测点。其它四层压力盒布置于西部煤柱中。第一层深度位于83003综采面底板线，设1～2号2个测点，1号测点距离83003综放面开切眼5cm，2号位于73005停采线下方；第二层至第四层深度分别位于83002、83001、78001综采面底板线，设3～7号、8～11号、12～14号共12个测点，测点间距均为10cm。

工作面开采参数如表3所示。

3　覆岩运动时煤柱应力演化规律

在模型中共布置了五层压力盒，开采过程中，每一层位应力变化状态相似，因此选取每层较为典型的压力盒应力走势进行分析。

图1　应力测点布置图

表3　各工作面开采参数表

工作面名称开采时间开采高度/m工作面走向长度/m780011998.6～2000.111511568002西2000.12～2001.1227428730012003.1～2004.516425830012003.9～2006.924272830022008.6～2012.219242730052013.12～2014.716374830032014.6～12242

3.11号压力盒应力分析

1号压力盒应力位于西部煤柱区的西侧，距离83003综放面开切眼15m，距离73005停采线155m，垂深为784m。从1号压力盒的应力监测数据可以看出(图2)，煤层开采前应力值为20.0MPa；78001综放面刚开采时，受其采动影响测点处煤柱应力有剧烈的波动，78001综放面开采结束时，该测点处煤柱应力由20.0MPa上升到31.1MPa，应力集中系数为1.56；随着68002综放面的开采，该测点处煤柱应力逐渐升高至34.2MPa，煤柱应力相对集中，应力集中系数达到1.71；开采83001综放面和73001综放面时，由于1号压力盒位于83001综放面下部，煤柱边缘区域卸压，使该测点应力值降低至10.3MPa，开采结束后，煤柱应力降低至17.2MPa；83002综放面开采结束后，煤柱应力增大至18.6MPa。

73005综放面开采过程中，该测点处煤柱应力值变化缓慢，停采时应力达19.5MPa；83003综放面开采过程中，煤柱应力又缓慢升高至21.8MPa，应力集中系数为1.09；73005综放面停采至83003综放面停采过程中，煤柱应力整体呈现增长趋势，应力值增长11.8%。

3.24号压力盒应力分析

4号压力盒位于西部煤柱区中部偏东，距离83003综放面45m，距离73005停采线125m，垂深为762m。从4号压力盒的应力监测数据可以看出(图3)，最初78001综放面开采时，西部煤柱因受该工作面岩层垮落的影响，应力值由最初的20.0MPa上升到28.8MPa，应力集中系数为1.44；开采68002综放面时，煤柱应力持续升高，应力值最高达34.2MPa，应力集中系数为1.71；在开采83001综放面时，上覆岩层运动剧烈，煤柱应力因围岩的垮落而集中，应力值升高至55.4MPa，应力集中系数为2.77；83002综放面开始时煤柱应力变化平缓，略有升高。

图2　1号煤柱区域应力走势图

图3　4号煤柱区域应力走势图

73005综放面开采过程中，煤柱应力由60.8MPa升高至61.6MPa，应力变化缓慢，应力集中系数为3.08；83003综放面回采阶段，煤柱应力由62.0MPa升高至62.4MPa。73005综放面停采至83003综放面停采整个过程中，应力增长1.3%，煤柱应力始终保持在高的应力值，开采过程中无卸压现象，应力集中系数最高达3.12。由于煤柱应力集中系数较大，煤柱有发生冲击地压的危险，随时有冲击破坏的可能性。

3.39号压力盒应力分析

9号压力盒位于西部煤柱区中央，距离83003综放面84m，距离73005停采线90m，垂深为729m。从9号压力盒的应力监测数据可以看出(图4)，煤柱中应力走向趋势和4号压力盒相似，应力整体呈增长趋势：开采78001综放面、68002西综放面、83001和73001综放面、83002综放面、73005综放面、83003综放面，应力分别增大了3.1MPa、5.4MPa、16.6MPa、0.8MPa、1.2MPa和0.7MPa。该测点煤柱的应力从初始的18.7MPa受到各工作面开采的影响，最终上升到51.2MPa，应力集中系数为2.74。

73005综放面停采时，应力达50.1MPa，应力集中系数为2.68；在83003综放面回采阶段，应力值又有所升高，应力增长2.2%。由此可见，相比4号压力盒，9号测点煤柱受采动影响略微减小，但煤柱应力值仍很高，83003综放面回采过程中应加强对煤柱的防护。

图4　9号煤柱区域应力走势图

3.415号、18号和22号压力盒应力分析

煤柱上方共布置3个压力盒，18号压力盒位于西部煤柱上方，应力趋势与在煤柱中的压力盒相似，应力值都是随着工作面的开采呈升高状态，由18.0MPa上升到50.1MPa，应力集中系数为2.78。15号和22号压力盒位于边界煤柱的上方，其中15号应力值由18.0MPa上升到31.8MPa，应力集中系数为1.77；22号应力值由18.0MPa上升到37.6MPa，应力集中系数为2.09，应力趋势如图5所示。模型开采完后，边界煤柱上方(15号和22号)应力显然小于西部煤柱(18号)应力值，说明煤柱受两侧开采影响的程度比单侧开采剧烈，西部煤柱应力更容易集中，因此应加强对西部煤柱的防护，减少对煤柱的扰动，增强83003综放面开采时的煤层卸压措施。

3.5综合应力分析

将相似材料模拟中典型的压力盒数据综合到图6。煤层上覆顶板应力先下降，随着采空区压实，又略有回升；煤柱区域的应力均呈现上升趋势，应力集中系数增大，说明工作面开采越深，对西部煤柱的扰动越大。

图5　22号压力盒应力走势图

图6　煤柱应力变化总体走势图

4　工程应用

从相似材料模拟实验可知，73005综放面开采后，西部煤柱应力保持持续升高状态，目前83003综放面正处于回采阶段，因此应采取合适的措施释放煤体中的应力，避免因能量集中而引起工作面或煤柱发生冲击地压和矿震。建议使用煤层注水、卸压钻孔和加强支护措施。

4.1煤层注水

在83003综放面的回风顺槽和运输顺槽均布置高压注水钻孔。钻孔孔径φ42mm，注水孔每隔15m布置一组，钻孔仰角15°，孔深不低于20m。钻孔施工完成后立即用铁管和聚氨酯封孔，然后进行静压注水工作至回采结束，要求注水压力在8MPa以上，钻孔布置如图7所示。

4.2卸压钻孔

高压注水措施实施完毕后，对有冲击危险的巷道继续进行卸压钻孔措施。卸压孔每隔5m布置一组，巷道两帮每组各1个；仰角10°，孔径89mm，孔深不低于15m，钻孔布置与图7相似。

在卸压钻孔施工完毕后，经效果检验，指标小于临界值时可恢复作业，否则按此卸压钻孔设计循环往复施工卸压钻孔直至措施有效。

4.3加强支护

83003综放面位于老虎台矿深部，从煤柱引起可知，煤层赋存越深应力越大。在支护过程中，为了避免或减轻发生冲击地压造成巷道底臌现象，支护形式应由帮顶支护变为全断面支护。过去架棚支护无论是梯形还是拱形，都是对巷道帮顶的维护，主要是防止冒顶，但进入深部后尤其是冲击地压区，由于巷道底板承压能力低，底板变形破坏严重，底鼓占巷道收缩率的一半以上。因此，采用“锚杆+锚网+O型棚”复合支护(图8)，使巷道围岩受力更加均匀，提高巷道整体的支护强度。

图7　巷道高压注水示意图

图8　巷道“O”型断面支护示意图

5　结论与展望

1)随着老虎台矿煤层的逐层开采，西部煤柱应力明显呈现增长趋势。煤层赋存越深，西部煤柱受采动影响后的应力值越大，应力集中系数变化范围为1.09～3.12。

2)73005综放面回采过程中，西部煤柱应力持续升高；73005综放面停采时，煤柱应力维持在19.5M～59.0MPa；在整个煤层开采过程中，73005综放面开采使煤柱的应力集中系数高达2.95。73005综放面停采至83003综放面开采过程中，西部煤柱应力增长2%～12%；在整个煤层开采过程中，83003综放面开采使煤柱的应力集中系数达到最大值3.12。

3)西部煤柱应力明显高于模型边界煤柱应力；工作面推进时，上覆岩层的垮落使岩层中的应力充分释放，随着采空区逐渐压实，应力值有所回升。

4)根据煤柱应力演化规律，对83003综放面制定了煤层注水、卸压钻孔和加强支护防冲措施，取得了良好的效果。

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studyoncoalpillarstressevolutionofspecialthickinclinedcoalseambasedonsimilarmaterialsimulation

HAOZhi-xian1，ZHUFeng2

(1.LiaoningGeologicalEngineeringVocationalCollegeLiaoning，Dandong118008，China；2.CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China)

Tostudypillarstressevolutionofspecialthickinclinedcoalseammining，combinedwithLaohutaicoalminespecialthickcoalseaminFushunminearea，accordingto83003fullymechanizedfaceand73005fully-mechanizedfaceconstructmechanicsmodel.Usingthesimilarmaterialsimulationtomonitorcoalpillarstress，obtainedthelawofstressevolution，andbasedonexperimentalresultslayoutreasonablemeasurestocontrolrockburstinthefield.Theresultsshowthatthedeepercoalseamis，thelargercoalpillaraffectedbymining，stressconcentrationfactorisontherise，andtherangeisfrom1.09to3.12；coalpillarstressbetween73005fullymechanizedfaceand83003fully-mechanizedfacestressissignificantlyhigherthanthecoalpillarstressofmodelboundary；themorethetimesofcoalpillaraffectedbyminingis，thegreaterthecoalpillarstressis；Whenfaceadvancing，thecavingofoverlyingstratamakesstressfullyreleaseintherock，withgoafcompacted，thestressisrebounding.Bysimilarmaterialsimulationresearch，toguidefacemining，andusingcoalseamwaterinjection，pressurereleasedholesandstrengthensupporttocontrolrockburst，whichachieveanidealresults.

stressconcentrationfactor；coalpillar；similarmaterialsimulation；specialthickinclinedcoalseam；stressconcentrationfactor；rockburstcontrol

2015-12-05

郝志贤(1965-)，副教授，高级工程师。E-mail:13942576007@163.com。

朱峰(1990-)，博士研究生。E-mail:huafeng3966@126.com。

TD82

A

1004-4051(2016)08-0100-05