急斜特厚煤层残留煤柱稳定性分析及其动力灾害防治

李云鹏，崔 峰，杨文化，尉迟小骞

(1.烟台黄金职业学院 资源与土木工程系，山东 烟台 265401；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引 言

乌鲁木齐矿区急斜特厚煤层占世界急倾斜煤层储量的30%，煤层倾角45°～87°，煤层赋存环境复杂多变[1-5]，其开采工艺与近水平煤层相差甚大，动力灾害频发[6-12]。随采深的增加，历史残留煤柱顶底板区域应力集中明显[13-17]，严重影响邻近煤层和残留煤柱下分段煤层的安全高效开采。

目前，许多专家学者针对残留煤柱进行了多角度的分析研究。秦凯等对近距离煤层群下伏工作面过遗留煤柱异常矿压显现规律进行了研究，揭示了下伏工作面进集中煤柱异常矿压的发生机理[18]；付兴玉等对上覆房式采空区集中煤柱回采动载矿压问题进行了研究，提出了提前爆破集中煤柱的防治措施[19]；李春元等根据残留煤柱对底板应力的扰动规律，分析计算了残留煤柱区域下伏煤层开采的扰动范围[20]；周连春等采用数值模拟软件对煤柱应力集中区的应力分布规律进行研究，提出了有效的防范措施[21]；马宁等采用数值模拟软件对煤柱的塑性区和支撑压力分布演化规律进行研究，提出了回采期间煤柱监测和卸压解危措施[22]；周辉等综合运用数值模拟、理论分析、现场监测等研究方法，分析了大采高工作面回撤通道煤柱内支撑应力及塑性区分布规律，建立了“煤柱-顶板”力学模型[23]；于洋等研究了采空区残留煤柱的应力环境和变形状态，分析了不同宽度窄煤柱条件下煤柱的垂直应力分布，提出了残留煤柱内巷道围岩控制原则和技术[24]。上述专家学者对煤柱的稳定性以及受力状态进行了大量的研究，但针对急斜特厚煤层残留煤柱的研究相对较少，以乌鲁木齐矿区南采区87°特厚煤层为工程背景，通过理论分析、数值模拟对残留煤柱的滑移失稳以及应力演化特征进行研究，提出了分段深孔爆破的卸压措施，有效降低了动力灾害的发生频率。

1 工程背景

乌鲁木齐乌东煤矿南采区总储量达4.6亿t，主采煤层为B1+2与B3+6这2层平均倾角为87°的急斜特厚煤层，煤层厚度分别为30与40 m，且煤层之间夹杂有50 m厚的层间岩柱，层间岩柱即为B3+6煤层的底板，又为B1+2煤层的顶板。煤层老顶、老底均为粉砂岩，开采工艺为水平分段综放开采，段高为25 m，采放比达1∶7，工作面沿煤层厚度布置。矿井初期为小煤窑仓储式开采，其中+518至+590水平东三采区有历史残留石门保护煤柱，残留煤柱高86 m，最大走向长度124 m。+495水平B3+6煤层回采穿过残留煤柱时，工作面巷道变形较大，矿压显现强烈，残留煤柱结构下易形成应力异常区进而诱发动力灾害。残留煤柱赋存特征如图1所示。

图1 残留煤柱赋存特征

2 残留煤柱稳定性及力学特征分析

2.1 残留煤柱滑移失稳力学模型

乌东煤矿南采区急斜特厚煤层开采工艺和工作面布置与缓斜煤层不同，煤层倾角越大，上覆岩层作用在残留煤柱沿倾向向下的分力以及残留煤柱自身重力沿倾向向下的分力则越大。由残留煤柱赋存结构可以看出，残留煤柱受顶底板的夹持作用，正上方以及前后均为采空区，当+495水平B3+6煤层回采穿过残留煤柱时，其正下方也将成为采空区，此时则可将残留煤柱视为一个块体。当作用在残留煤柱沿倾向向下的合力大于顶底板对其摩擦力的合力时，残留煤柱将沿倾向产生下挫运动，发生滑移失稳，从而诱发动力灾害，残留煤柱滑移失稳力学简化模型如图2所示。

图2 残留煤柱滑移失稳力学简化模型

在不考虑水平应力的前提下，残留煤柱受顶板侧上覆岩层非均布载荷q1(x)的作用，设其合力为F1，残留煤柱倾角为α，则F1沿残留煤柱切向分量为F1sinα，法向分量为F1cosα；设残留煤柱受上分段采空区充填体均布载荷q2的作用，设其合力为F2，则F2沿残留煤柱切向分量为F2sinα，法向分量为F2cosα；设G为残留煤柱的重力，则重力沿残留煤柱切向分量为Gsinα，法向分量为Gcosα；设顶板侧围岩对残留煤柱的摩擦力为f1，摩擦系数为μ1，底板侧围岩对残留煤柱的摩擦力为f2，摩擦系数为μ2；残留煤柱受底板侧围岩沿法向均布载荷q3的作用，设其合力为F3。则当残留煤柱发生滑移失稳时有如下关系

(1)

将(1)式进行化简最终可以得到

(2)

式中F1，G，F2都是恒大于零的常数，煤层倾角α为87°，则分子是恒小于零的常数，要使式(2)恒成立，分母恒大于零时则等式恒成立，可以得到

α>arctan(μ1+μ2)

(3)

当α>arctan(μ1+μ2)时残留煤柱将产生下挫运动，发生滑移失稳，从而诱发动力灾害。

2.2 残留煤柱应力场分布特征

为了获得随+495水平B3+6煤层回采穿过残留煤柱时，残留煤柱的应力演化特征，采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟计算与分析，模型如图3所示。煤层倾角为87°，B3+6煤层厚度为40 m，B1+2煤层厚度为30 m，直接顶、直接底厚度为8 m，残留煤柱高为86 m，层间岩柱厚度为50 m，模型尺寸为246 m×50 m×250 m(X×Y×Z)，根据现场取样及岩体力学特性，选用摩尔-库伦本构模型，沿Y方向推进。在X方向施加梯度水平应力模拟构造应力对顶底板及煤层的压力，通过室内岩石力学实验获得煤岩体力学参数见表1。

图3 数值计算模型

表1 煤岩体力学参数

图4为+495水平B3+6煤层回采穿过残留煤柱时，残留煤柱垂直应力与应力分布矢量特征。从图4(a)可以看出，随+495水平B3+6煤层工作面的推进，残留煤柱、B1+2煤层局部区域在垂直方向上都出现了明显的应力升高特征；随工作面的走向推进，残留煤柱悬空面积会随之增大，将会促使残留煤柱下方未采煤体应力集中程度进一步增大；当残留煤柱在垂直方向上的应力超过其承载能力时，将会发生剪切滑移破坏，从而诱发动力灾害；残留煤柱的存在致使+495水平B3+6煤层工作面顶板相对于残留煤柱呈现出应力降低特征，顶板不易发生变形，易形成悬空顶板，当悬空顶板突然垮落时，将诱发动力灾害。从图4(b)可以看出，残留煤柱将B3+6煤层上覆岩层的作用力传递到了层间岩柱上，即B1+2煤层的顶板上，使得B1+2煤层顶板处局部范围内出现应力集中现象，应力强度显著增大。残留煤柱不仅对+495水平以及+495水平以下B3+6煤层的安全开采有重要影响，还对邻近B1+2煤层的安全高效开采产生重要影响。因此，必须有效削减残留煤柱储存的应力强度，进而实现安全高效生产。

图4 残留煤柱应力分布特征

3 残留煤柱动力灾害防治

3.1 防治措施

残留煤柱的滑移失稳以及其所产生的应力集中，极易诱发动力灾害。工作面的推进过程中，现场矿压显现强烈，巷道变形破坏严重，为了降低动力灾害的发生频率，确保工作面的安全高效开采，提出了如图5所示的残留煤柱分段深孔爆破弱化的卸压措施。利用东三采区各分段石门作为爆破工艺巷，对东三采区残留煤柱从+590到+518水平自上而下进行分段深孔爆破。在+590水平石门布置10排炮孔，排距5m，每排5个炮孔，总装药量25.6 t；+564水平石门布置7排炮孔，排距为7 m，每排6个炮孔，总装药量57.6 t；+541水平石门布置8排炮孔，排距为7 m，每排7个炮孔，总装药量55.2 t；+518水平石门布置11排炮孔，排距为5 m，每排11个炮孔，总装药量67.6 t。

图5 残留煤柱分段深孔爆破炮孔剖面

3.2 现场综合实测及效果评价

为了确定防治措施的作用效果，在对残留煤柱实施分段深孔爆破卸压后，现场通过钻孔窥视仪、地质雷达、电磁辐射仪对+495水平工作面前方待采煤体和残留煤柱进行了综合实测。

为了查看残留煤柱实施卸压措施后，其内部的裂隙发育特征，在+495水平B3巷超前工作面15 m处，通过钻孔窥视仪对残留煤柱进行钻孔监测，监测方案如图6(a)所示，图6(b)为现场监测结果。可以看出，0～20 m处孔内煤壁相对完整，此处为+495水平待采顶煤，未进行深孔爆破；20～30 m处孔内煤壁出现大量裂隙，孔壁较为破碎；30～45 m处孔内煤壁破碎程度最为严重，说明深孔爆破卸压措施有效致裂了残留煤柱。

地质雷达通过发射高频电磁脉冲波和接收反射波来形成探测图像。完整煤体和破碎煤体的介电常数存在明显差异性，即存在明显的分界面，则发射波遇到不同的分界面将会产生不同的反射波。在+495水平B6巷超前工作面15 m处，通过地质雷达对残留煤柱进行测深60 m、走向测距100 m的平面立体探测，探测方案如图7(a)所示，图7(b)为现场探测结果。可以看出，在测深0～5 m范围内探测图以紫色、绿色和红色交错分布，表明此处煤体已发生破碎，但破碎程度较小，为巷道塑性区范围；5～20 m范围内探测图以红色为主，相对均匀分布，表明此处煤体较为完整，裂隙发育较小，因为此范围主要是+495水平待采顶煤，未进行深孔爆破；20～50 m范围内探测图以绿色、黄色和紫色交错分布，颜色变化复杂且变化程度最大，表明此处煤体破碎程度最为严重，进一步说明了卸压措施有效的致裂了残留煤柱。

煤岩体内部应力越大，变形破裂程度将越大，则变形破裂所释放的电磁辐射能量也就越高，电磁辐射强度与煤岩体内部应力成正比关系。现场采用KBD-5电磁辐射仪对+495水平工作面前10～50 m范围内进行测点布置，在B6和B3巷各布置5个测点，测点间距10 m，测点随工作面的推进保持随动状态，测点布置方案如图8(a)所示，图8(b)为31 d的现场持续监测结果。可以看出，深孔爆破卸压后，工作面前方待采煤体电磁辐射强度值明显下降，每天平均强度值小于30 mV，每天强度最大值小于45 mV，远小于未实施卸压措施前，现场发生动力灾害时的预警值80 mV，说明卸压措施有效降低了+495水平工作面前方待采煤体的应力强度。

图8 电磁辐射现场实测

4 结 论

1)运用块体理论构建了残留煤柱滑移失稳力学模型，得出当作用在残留煤柱沿倾向向下的合力大于顶底板对其摩擦力的合力时，残留煤柱将发生滑移失稳，从而诱发动力灾害，并获得了残留煤柱滑移失稳的必要条件为α>arctan(μ1+μ2)。

2)随工作面的推进，残留煤柱、B1+2煤层局部区域在垂直方向上出现了明显的应力升高特征；残留煤柱的存在将使B3+6煤层工作面的顶板侧应力降低，易形成悬空顶板；残留煤柱起到了应力传递的作用，使B1+2煤层顶板处局部范围内出现应力集中现象。

3)现场钻孔窥视仪、地质雷达、电磁辐射仪综合实测结果表明：残留煤柱分段深孔爆破卸压措施效果显著，成功解除了由于上覆残留煤柱应力集中而可能导致工作面回采过程中发生的动力灾害，实现了动力学破坏过程中储能的改变与转移。