特厚煤层综放工作面变宽煤柱段巷道掘进期间围岩矿压显现特征分析

2020-12-25陈祥祺李化敏王伸王祖洸

河南理工大学学报(自然科学版) 2020年2期

陈祥祺，李化敏，王伸，王祖洸

(河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000)

0 引言

为提高煤炭资源采出率，大同煤矿集团有限责任公司塔山煤矿8204-2工作面采用“刀把式”布置，从而形成两段变宽护巷煤柱。在变宽煤柱段巷道掘进期间矿压显现强烈，严重影响巷道稳定和安全生产。

国内学者对煤矿巷道动力现象发生机理及影响因素做了大量研究。窦林明等[1]认为动静应力综合作用，对煤体稳定状态造成影响，是诱发动力现象的主要原因；姜福兴等[2]认为决定沿空巷道动力灾害的关键因素，是高应力差区域的应力峰值、应力差值、应力梯度、煤岩体强度和冲击倾向性；马念杰等[3]认为煤巷动力现象是巷道围岩蝶形塑性区瞬时爆炸式扩展，并以震动、声响和煤岩体抛出的形式将储存于岩体和围岩系统中的大量弹性能快速释放的结果；王建超等[4]认为夹矸带形成的应力集中与掘进面超前应力叠加造成的局部应力高度集中，是诱发掘进工作面动力现象的主要原因；王军辉等[5]认为回采巷道发生的动力现象是在巷道变形破坏过程中积聚的大量弹性能量迅速释放的过程；原德胜等[6]认为掘进工作面动力现象发生的主要原因是工作面采动围岩近场系统内静载荷的集聚；袁瑞甫等[7]认为煤柱区域应力集中、煤岩具有冲击倾向性和围岩体结构容易失衡等是引起动力现象频发的条件；潘一山[8]认为动力灾害的发生是煤岩介质变形破坏、微裂纹产生与发展、煤体系统动力失稳并释放能量的过程；梁翠云等[9]认为诱发煤岩体失稳的因素有开采深度、顶底板夹持作用、顶底板破断、煤岩物理力学性质、应力集中等；王浩等[10]认为煤岩冲击失稳充要条件是开采活动及矿震扰动引起的应力偏量超过煤岩体强度极限，且单位时间内煤岩系统释放弹性能量与矿震应力波输入能量之和大于煤岩系统稳态破坏能量；庞军林[11]提出最大水平主应力与工作面巷道轴向间的较大夹角是引起动力现象频发的原因。

以往针对特厚煤层常规等宽区段煤柱护巷条件下的巷道围岩变形及控制机理研究较为充分，如王钰博[12]、许永祥等[13]、岳帅帅等[14]对特厚煤层综放工作面侧向支承压力的分布及演化规律进行了研究，但对特厚煤层变宽煤柱段掘进巷道动力现象发生机理研究较少，此类开采条件下的巷道围岩矿压显现特征与机理尚不明确。因此，本文以塔山煤矿8204-2工作面为工程背景，采用现场监测、理论分析与数值模拟相结合的方法，分析变宽煤柱段巷道掘进期间围岩动力现象发生特点、应力场演化与破坏特征，揭示特厚煤层变宽煤柱段巷道掘进期间动力现象发生的机理，以期为类似条件下的巷道动力灾害分析提供参考依据。

1 研究区概况

塔山煤矿8204-2工作面主采石炭系太原组3～5号煤层，该煤层平均埋深503.66 m，平均厚度15.05 m，倾角1°～3°，为近水平煤层。煤体单轴抗压强度23.17 MPa。煤层结构复杂，含夹矸2～9层，夹矸平均累计厚度1.50 m。夹矸岩性为炭质泥岩、高岭质泥岩、砂质泥岩，煤层上部局部受煌斑岩侵入影响而硅化变质。煤层上部煤质疏松，煤体破碎，部分区域节理发育，存在空洞。煤层相对瓦斯涌出量为3.80 m3/t，绝对瓦斯涌出量为0.80 m3/min。煤层具有爆炸危险性，爆炸指数为37%。煤层易自燃，自然发火期为65 d。工作面岩层柱状图如图1所示。

刀把式8204-2工作面平面布置图如图2所示。8204-2工作面东北侧与8202采空区间保留8 m煤柱，西南侧为8204采空区，东南侧为二盘区大巷。8204-2工作面走向长1 600 m，沿巷道掘进方向，工作面倾向长度分别为209 m(掘进前期)与146 m(掘进后期)。工作面采用综采放顶煤开采，割煤高度3.6 m，放煤高度11.4 m。

图2 8204-2工作面平面布置图Fig.2 Layout of panel 8204-2

根据煤柱护巷条件，沿巷道掘进方向可分为第1个变宽煤柱区段、第2个变宽煤柱区段和实体煤区段。第1个变宽煤柱段位于停采线至中切巷之间，煤柱全长296 m，宽度由56 m逐渐线性缩减至3.6 m。第2个变宽煤柱段位于中切巷至8204工作面切巷硐室处，煤柱全长426 m，宽度由68 m逐渐缩减至6 m。

5204-2巷为8204-2工作面的区段回风平巷，沿煤层底板掘进。变宽煤柱高应力区域巷道断面采用全锚索+钢带+钢护板+金属网联合支护，支护参数如图3所示。

图3 巷道断面支护参数Fig.3 Support parameters of gateway section

巷道顶板采用φ21.8 mm×10 300 mm组合锚索支护，3-2-3交替布置,对角锚索长度分别为8 300 mm和6 300 mm，排间距900 mm×900 mm。帮锚索规格φ21.8 mm×5 300 mm，排距900 mm×900 mm；巷帮下部采用1根φ22 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆支护。

2 变宽煤柱掘巷期间动力现象分析

8204工作面于2015年11月顺利完成回采，经过1 a多的稳定后，于2017年6月开始掘进5204-2巷。受巷道掘进扰动的影响，在巷道掘进过程中经常发生“煤炮”等动力现象。

由于微震监测系统尚未安装到位，现场采用24 h不间断跟班连续记录“煤炮”事件。“煤炮”事件确认依据为巷道围岩发出类似“放炮”声响，“煤炮”事件等级为“强度较大”的确认依据为顶板发出巨大声响，并伴随有显著震动、顶板煤块掉落、片帮等现象。

经过连续监测和数据整理，得到变宽煤柱段巷道掘进期间巷道动力现象与煤柱宽度的关系，如图4所示。

图4 “煤炮”发生次数与煤柱宽度的关系Fig.4 Relations between small-scale coal burst events and the coal pillar widths

由图4可以看出如下特征：

(1)在第1个变宽煤柱段巷道掘进期间，动力显现531 次。在煤柱宽度7.9～33.5 m段内，动力显现次数平均10.44 次/d，其中，等级为强度较大的平均2.69 次/d；在煤柱宽度33.5～56 m及3.6～7.9 m段内，动力显现次数平均1.67 次/d，其中，强度较大的平均0.18 次/d。

(2)在第2个变宽煤柱段巷道掘进期间，动力显现2 176 次。在煤柱宽度22.4～64.4 m段内，动力显现次数平均19.54 次/d，其中，等级为强度较大的平均4.83 次/d；在煤柱宽度47.9～50.6 m段内，动力现象显现的频次和强度稍低，动力显现次数平均8.72 次/d，强度较大的平均1.89 次/d；在煤柱宽度64.4～68 m及6～22.4 m段内，动力现象显现次数平均1.53 次/d，无强度较大动力现象发生。

(3)在巷道掘进期间，动力现象主要发生在煤柱侧和巷道顶板，显现区域随掘进进程向前推移，主要分布于掘进工作面后方约30 m内。

(4)动力现象多发生在破煤掘进期间，锚杆(索)支护施工、混凝土喷层施工等操作时显现较少。动力现象显现强烈时声响巨大，且伴随有顶板煤块掉落现象，严重时在工作面后方30 m已支护区有厚达300 mm煤矸离层，产生局部冒顶现象，如图5所示。

图5 第2个变宽煤柱35.7 m处局部冒顶现象Fig.5 Local roof fall event at the width of the No.2 variable width coal pillar of 35.7 m

3 变宽煤柱巷道围岩应力场数值模拟

3.1 数值模拟模型建立

根据8204-2工作面的地质条件，建立数值模拟模型，如图6所示。模型尺寸为600 m(长)×730 m(宽)×200 m(高)，模拟煤层厚15 m，埋深500 m。

图6 数值模拟模型Fig.6 Numerical calculation model

在模型底部固定竖向位移，四周边界固定横向位移，顶部施加9.12 MPa的垂直应力，以模拟上覆岩层自重压力。模型中加入接触面，以模拟采空区垮落后顶板与底板的接触情况。初始应力平衡后，首先开挖8204工作面，得到5204-2巷掘进前的开采条件，其次进行巷道掘进模拟。岩层力学性质采用摩尔-库伦模型进行模拟，塔山煤矿的具体地层对岩层赋予的物理力学参数如表1所示。

3.2 模拟结果分析

图7和图8分别为变宽煤柱段巷道掘进期间垂直应力分布云图及能量分布云图。

图7 变宽煤柱段垂直应力分布Fig.7 Vertical stress distribution of the variable width coal pillar

图8 变宽煤柱段能量分布Fig.8 Energy distribution of the variable width coal pillar

由图7和图8可以看出，受采空区侧向支承压力的影响，在8204采空区边缘煤体30～40 m段存在一条高应力和高能量的“带”状区域，5204-2巷掘进时3次贯穿这一区域，形成两段宽度连续变化的煤柱。

表1 岩层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of the strata

变宽煤柱宽度在35 m左右时，巷道正好经过侧向支承应力峰值处，煤柱内积聚的能量也最密集，较高的应力集中和能量聚集对于巷道围岩稳定性极为不利。变宽煤柱宽度小于35 m时，侧向应力集中位置位于采煤侧，此时煤柱侧所承受的应力较小，而采煤侧煤体承受较高的应力。变宽煤柱宽度大于35 m时，应力集中位置位于煤柱侧，此时由煤柱承受较大的应力，能量也在煤柱侧聚集。

巷道围岩侧向应力、能量与煤柱宽度的关系如图9所示。

图9 巷道围岩应力、能量与煤柱宽度的关系Fig.9 Relations of the stress and energy of surrounding rock of gateway andthe coal pillar width

由图9可知，巷道围岩侧向应力、能量与煤柱宽度的关系表现出先增后减的趋势，其关系曲线均呈“拱形”分布。随着煤柱宽度的增加，巷道围岩侧向应力和能量均在逐步增大，当煤柱宽度达到35 m时，围岩侧向应力与能量均达到最大值，分别为24.27 MPa和7.29×105J，此时，巷道围岩处于高静载和高能量状态，若受巷道掘进扰动，破坏煤岩体的稳定状态，极有可能发生动力现象。随着煤柱宽度的继续增加，巷道围岩侧向应力与能量均逐步减小，直至恢复原岩应力状态。

4 变宽煤柱动力现象发生机理

8204工作面回采使覆岩垮落形成采空区，破坏了原岩应力平衡，应力向采空区两侧煤体转移，引起采场围岩变形，如图10所示。端部结构受采空区中部下沉及其自身荷载影响，在采空区边缘覆岩破断线和侧向采动影响线之间形成三角形滑移区，该区域整体在采空区侧回转下沉，在煤岩体内形成应力集中并积累能量，产生的侧向支承应力使变宽煤柱及巷道围岩处于“高静载”和“高能量”的状态。采空区稳定后，侧向支承压力峰值有所降低，但范围有所扩大，在此过程中煤柱及下区段工作面煤体始终受支承压力的影响。

图10 掘进巷道引起的围岩应力动态调整Fig.10 Dynamic adjustment of surrounding rock stress caused by gateway excavation

由极限平衡理论计算[15]可得，塔山煤矿特厚煤层综放工作面侧向煤体应力极限平衡区宽度为34.0～36.7 m，即煤柱宽度在35 m左右时，巷道处于侧向支承压力峰值的下方，此时巷道顶板处于较高水平的静载荷环境中，煤岩体中积聚了大量能量。受5204-2巷掘进扰动影响，已稳定端部结构的力学平衡状态遭到破坏，三角形滑移区在采空区侧继续回转下沉，变宽煤柱及巷道围岩中的应力及能量进一步积聚。

根据能量准则，煤岩体在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于所消耗的能量时会产生矿压显现现象，可表示为

Eu+Ed>Ec，

(1)

式中：Eu为煤岩体中积聚的能量；Ed为采掘活动产生的能量；Ec为矿压显现发生时所消耗的能量。

也就是说，煤岩体中的静载荷与采掘活动引起的动载荷叠加，超过了煤岩体的承载极限时，煤体中积聚的大量弹性应变能以动能形式释放，从而引起矿压显现，即

σu+σd>σcmin，

(2)

式中：σu为煤岩体中的静载荷；σd为采掘活动引起的动载荷；σcmin为矿压显现时的最小载荷。