煤柱下开切巷应力分布分析及治理研究

刘永红，李 康，曹民远，杜涛涛

(1.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830027；2.煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 100013)

在矿山的采掘过程中，针对煤层群开采，我国多采用下行开采的方式进行回采，即先采上煤层，后进行下层煤回采。但由于煤炭的产生过程中环境和地质条件的差异及复杂性使得最终形成的煤炭资源的特征以及赋存条件等都存在很大的不同，加之生产技术能力、煤层可采的经济性等人为因数的影响，难免在开采上覆煤层时会遗留煤柱，造成下煤层回采期间进出煤柱边界矿压显现严重、巷道变形底鼓、甚至诱发冲击地压等事故[1-3]。

国内外学者针对遗留煤柱所产生的一系列问题开展了深入的研究。澳大利亚学者Galvin and hebblewhite[4]通过数值模拟对遗留煤柱稳定性做了研究；鞠金峰，许家林[5]对工作面出煤柱阶段动载矿压发生的机理和规律进行了研究，揭示了下部煤层关键层断裂、失稳是因为煤柱上方两关键块体随下部岩层的下移而发生相对旋转运动导致的；陈冬冬，何富连等[6]对煤柱悬空侧基本顶的破断形态与煤柱宽度、支承系数的关系进行研究，提出一侧煤柱时，基本顶厚度较小，煤柱宽度、煤柱支承系数较大时，深入煤柱区基本顶的上表面会发生破断，基本顶出现长边偏煤柱侧深入煤壁上表面—中部下表面或体煤侧短边深入煤壁上表面—煤柱区的上表面的破坏现象，最终裂隙贯通发生破断；鲍凤其[7]利用数值模拟对煤柱下应力高低与煤柱尺寸进行研究，提出具有稳定性的煤柱柱脚处容易形成应力集中区；郑百胜[8]通过现场情况模拟，阐述了近距离煤层煤柱下开采时，煤柱应力集中区与超前支承压力相互作用形成的高应力是冲击地压动力灾害的诱发因素。在前人学者研究的基础上，本文结合神新公司宽沟煤矿B2煤层W1123工作面回采过上部B4煤层开切眼煤柱的矿压显现情况，进一步精准确定B4煤层遗留煤柱对下部B2煤层的影响范围，划分应力集中区，从而确定治理优化方案，指导安全生产。

1 工作面概况

1.1 开切巷煤柱概况

宽沟煤矿位于新疆呼图壁县城西南70km的雀尔沟镇。矿区主要可采煤层自上往下为B4、B3、B2、B1、B0煤层，东、西双翼布置工作面。现回采煤层为B2煤层，煤层平均厚度为9.5m，倾角为14°。目前正在生产的工作面为西翼第2个综放工作面W1123工作面，W1123工作面倾斜长度192m，可采走向长度1470m，其北部为已回采完毕的W1121工作面，工作面之间有15m的区间煤柱；因B4煤层西翼回采经济价值低，工作面布置短，因此W1123工作面走向上里程0～740m上部为W1145工作面采空区，且与上部采空区外错71m，形成开切巷煤柱，开切巷煤柱分布如图1所示。

图1 开切巷煤柱分布图

1.2 围岩物理力学参数

根据宽沟煤矿地质资料，B2煤层上部35.9m为B3实体煤层，54.7m为为B4-1实体煤层。B2煤层厚度为8.62～20.84m，平均9.5m，属特厚煤层，单轴抗压强度的测试平均值为24.14MPa，具有弱冲击倾向性。直接顶以泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主，局部为中粗砂岩和细砂岩；泥岩、砂质泥岩和粉砂岩厚度为0.88～20.72m，饱和抗压强度21.72～44.21MPa，平均为33.33MPa，具有强冲击倾向性。B2煤层底板以泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主，厚度0.44～28.07m，平均5.76m；局部为中粗砂岩，厚度6.95～24.98m，平均厚14.11m。泥岩、砂质泥岩和粉砂岩饱和抗压强度30.00～44.96MPa，平均39.73MPa，具有弱冲击倾向性。

2 煤柱下底板中应力传递规律分析

2.1 采空区侧煤柱的弹塑性区宽度

煤炭被开采后，周边的岩体受采动影响原岩应力发生破坏，并随着采动影响的减弱而重新达到平衡，形成二次应力分布。在二次应力重新分布后，从煤体边缘到深部，煤体的承载力随着远离煤体边缘发生着由增加到平衡的过程，同时煤岩也随着距离煤体边缘发生着由破裂区到原始应力区的变化。以Mohr-Coulomb为屈服准则得到采空区侧煤柱的塑性区宽度，见式(1)：

式中，k为应力集中系数；p为支架对煤帮的阻力，kN；m为煤层开采厚度，m；C为煤体的内聚力，MPa；φ为煤体的内摩擦角，(°)；F为煤层与顶底板接触面的摩擦因数；ξ为三轴应力系数，ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

B4煤层的力学参数见表1。k为应力集中系数，一般取2～4，因一侧为采空煤体，取3[9]。W1145综放工作面设计采高3.2m，支架对煤壁的阻力8MPa。以平均埋深342m计算W1145工作面开切巷煤柱侧X0塑性区宽度为6.12m。在实际生产过程中，应力降低区宽度的变化范围为2～7m，取其最大7m[9]，得上部煤柱应力变形集中区为13.12m。

表1 B4煤层力学参数表

2.2 煤柱支承压力在底板中的铅直应力的分布

2.2.1 煤柱边缘侧均压载荷计算

目前国内外研究都认为煤柱上的载荷是由煤柱上方的岩石重量与采空区侧处于悬顶状态下岩石重量的总和。根据宽沟煤矿采空区岩石垮落角，且一侧为采空区，依据三角形荷载理论，可得煤柱上的总载荷Q为：

式中，B为煤柱宽度，m；D为采空区宽度，m；H为煤层埋深，m；r为上覆岩石的平均体积力，kN/m3；φ为采空区岩石垮落角，(°)。

因煤柱侧为长度700m的实体区，远离煤柱边缘则煤体中的支承应力与原岩应力大致相同，因此将煤柱边缘的应力集中区可视为煤柱研究，则塑性区域煤柱单位面积的均压p为：

相关参数见表2，通过式(2)计算得出W1145开切眼煤柱边缘侧均压所受载荷为88.23MPa。

表2 煤柱参数表(行列转置)

2.2.2 W1145开切巷煤柱对下部B2煤层W1123工作面应力影响范围计算

依据土力学理论，集中力P作用在半无限的平面上，对平面下方任一点M的垂直应力δZ为：

对式(4)和(5)进行计算，可以得集中力P作用下，任一点M垂直应力δz为：

由式(6)可得到，上层煤柱影响下某点的铅直应力δz，从而了解上层采空区残留煤柱对下一煤层在距离上的影响趋势。将W1145开切巷煤柱边缘侧所受载荷依据支承压力在底板中的传递规律，即代入式(6)得到垂直应力在同一水平上影响趋势，垂直应力随距离影响趋势如图2所示。由图2可知，在距离W1145开切巷平面位置60m时，下部岩层赋存的应力明显升高，距离为10～20m应力赋存达到最大；距离W1145终采线10m时，应力集中程度开始降低；当进入采空区下方35m后，采空区下方的应力值恢复至开采前的应力水平，煤柱影响区变小。

图2 垂直应力随距离影响趋势

3 过上部开切眼煤柱数值模拟分析

3.1 过W1145开切巷前后下部煤层应力变化因数分析

当W1123工作面在实体煤柱区域下时，工作面运输巷区域受到以W1121采空区侧向应力、本工作面超前支承应力及上部B4煤层W1143回采后的边界煤柱应力等三种作用力形成的远近场应力集中区，如图3(a)所示。当W1123工作面回采进入W1145工作面采空区下部时，工作面应力发生了调整：工作面运输巷区域因上部解放层的开采，只受W1121侧向应力及超前支承应力的影响，应力强度减弱，而工作面回风巷区域则增加了来自上部B4煤层W1145采空区回采后的边界煤柱应力作用，如图3(b)所示，大大增加了冲击危险。

图3 开切巷前后下部工作面受力因数分析

3.2 过W1145开切巷前后工作面前方应力演化过程

通过模拟了解距离100m位置W1123工作面向W1145采空区推进过程中工作面前方应力的演化，如图4所示。工作面在向上部采空区推进过程中，工作面前方的煤岩体随着距离开切巷越近煤岩体内赋存的应力上升，应力由8.5MPa升至最大值为23MPa，在距离开切巷20m位置前后达到最大；随着工作面进入开切巷位置(距离0m)，处于采空区下方的工作面因受上部解放层的影响，前方煤岩层内的应力大幅度减弱，并随着远离开切巷，应力逐步趋于稳定；同时工作面运输巷因上部解放层(W1145工作面)回采，应力只受本煤层侧向应力影响，上部煤柱应力向上层边界转移，导致应力作用于本工作面上部，从而后期工作上部为治理重点。

图4 距开切眼不同距离推进过程中应力变化云图

3.3 开切巷煤柱前后下部煤层应力变化

根据数值模拟分析，处于W1145开切巷实体煤柱下时，下部B2煤层随着临近上部开切巷煤柱边缘，煤层应力逐步增加，同时受到相邻工作面侧向应力的共同作用，距离本煤层采空区15m处的煤层应力激增速度最快，尤其是距离开切巷20～30m区域时，应力可达峰值47MPa；当进入W1145采空区后，原高应力区域(距离本煤层采空区15m处)压力大幅度降低，应力由47MPa降至16MPa，但同时受W1145回采后上边界煤柱的影响，边界垂直投影向上部70m范围内的B2煤层应力升高，应力由9MPa上升至21MPa，随着远离上边界煤柱140m左右，应力趋于原岩应力。因此可知，上部B4煤层遗留煤柱对下部B2煤层的影范围可达到140m，其中距离上部煤柱60～70m之内为应力影响显著区，30m之内为应力影响强烈区。

图5 W1145开切巷对下部煤层的影响

4 过应力集中区对策

根据煤柱下应力传播的特征，结合宽沟煤矿冲击地压发生的机理特性，采用顶板深孔预裂爆破及巷道切顶爆破可以有效的减弱煤柱对下部工作面的影响，使顶板规律性垮落，及时释放煤岩层中的应力。

4.1 工作面顶板深孔超前预裂爆破

沿着巷道走向布置钻孔，每10m一组炮孔，炮眼布置垂直于巷道中心线，钻孔深度33～58m，封孔深度在煤层以上4m，同组炮孔一次性爆破，如图6所示。

图6 顶板深孔超前预裂爆破布置图

4.2 回采巷道侧向切顶预裂爆破

因受上部W1145工作面开采形成的覆岩空间结构影响，下部煤岩体存在一定的应力集中，因回采巷道为弱面及冲击显现区易发生冲击，基于此因素考虑，特在工作面两回采巷道实施侧向顶板爆破。当处于W1145实体区域下时，强化W1123工作面运输巷防冲治理，在运输巷向相邻采空区侧每组施工两个爆破孔，孔间距10m一组，如图7(a)所示；当处于W1145采空区下部时，则同时增加回风巷侧向顶板爆破措施，向上部实体区顶板侧每组施工一个爆破孔，孔间距10m一组，如图7(b)所示。

图7 工作面回采巷道顶板处理方式

5 结 论

1)采用Mohr-Coulomb 屈服准则对B4煤层回采后煤柱侧的塑性进行计算，得出B4煤层回采后煤柱应力变形集中区为16.7m；依据土力学理论计算可知，上部B4煤层开切巷煤柱对下部B2煤层在空间上的影响为：下煤层不断接近上煤层开切巷煤柱在平面投影的距离时，下煤层在煤柱铅直应力作用下距离60m处时岩体内赋存的应力明显升高，并在距离还剩10～20m位置，赋存的应力达到最大；进入采空区后，岩层赋存的应力快速的降低，并在距离煤柱35m后恢复至开采前的应力水平，受上部煤柱影响减弱。

2)结合数值模拟分析得到W1123工作面受上部B4煤层W1145工作面回采后遗留的煤柱影响范围可达到140m，其中距离上部煤柱70m之内为应力影响显著区，30m之内为应力影响强烈区；同时回采过程中受不同远近场应力作用，在受不同区段煤柱影响下，工作面的应力也随着发生着变化。

3)根据上部遗留煤柱对下部煤层的影响范围及应力传递规律，采用超前预裂爆破、工作面两回采巷道侧向切顶方式处理顶部岩石的策略，通过破坏顶板完整性，降低煤岩体赋存弹性势能的能力，从而实现下部工作面安全渡过上部开切巷煤柱应力集中区。