遗留煤柱扰动下服务巷道变形破坏机理及防冲技术

魏 辉，宋世康，李 杰

（山西工程技术学院，山西阳泉 045000）

在深部煤炭资源开采过程中，工作面常常会受到开采条件、地质构造、采区布置和回采方式等影响，在工作面及部分采区容易遗留大量保护煤柱。遗留煤柱的存在能够造成大面积煤炭资源的浪费，更严重的是上部煤层的开采对下部煤层的完整性产生了扰动影响，可导致煤柱及其周围区域产生高集中应力传递至底板，造成下伏煤岩体的应力分布异常，发生围岩破裂、巷道变形等问题，且积聚的能量易引发冲击地压灾害[1-5]。我国许多矿井已经出现了由于遗留煤柱造成的下伏巷道破坏和冲击地压事故，这类情况对工作面的巷道位置选择、顺利回采、巷道维护等都存在极大的安全隐患。

针对遗留煤柱下开采应力分布及巷道稳定性控制等问题，许多专家、学者进行了广泛的研究。李术才等[6]采用微震监测系统和顶板动态监测仪对煤柱下方巷道稳定性进行了分析，得出煤柱工作面底板呈现出“下大上小”的非对称微震事件，并且随着煤柱宽度的增加，煤柱下伏巷道的变形先增大后减小，最后趋于稳定的非对称特征和区域化分布形态；李春元等[7]针对上覆遗留煤柱影响下伏巷道的应力集中问题，利用理论计算和数值模拟方法对比了下伏煤层开采前后遗留煤柱对底板应力的扰动规律，计算得出了遗留煤柱对下伏煤层的扰动范围，并采取加强顶板维护等措施保证了下伏巷道的稳定；王志强等[8]以孤岛工作面下伏运输大巷为背景，利用数值模拟方法分析了孤岛工作面顶板支承压力分布及下伏运输大巷应力变化规律，认为巷道围岩集中应力与孤岛工作面距巷道远近成反比的关系；康继忠等[9]采用数值模拟方法对煤柱底板应力分布及传播规律进行了对比分析，揭示了不同深度情况下煤柱底板巷道的应力分布范围及其力学行为；于洋等[10]研究了采空区残留煤柱的应力环境和变形特征，对不同宽度煤柱下垂直应力分布及变形机理进行了分析，并采用锚杆-锚索支护形式进行了工程实践；肖丹等[11]根据弹塑性力学中半平面体理论，计算了煤柱底板应力传播规律并建立了应力传递力学模型，给出了底板应力计算公式，结合不同类型煤柱底板应力分布特征对工作面巷道布置进行了指导。

基于以上研究基础，以深部开采工作面为例，对大面积不规则遗留煤柱的底板应力分布规律及下伏巷道受力状态进行分析，判断遗留煤柱高应力分布区域及对下部煤层的扰动范围，为下伏煤层巷道围岩稳定性控制提供帮助。

1 工程背景

Y485 工作面位于河北某矿8、9 煤层，8、9 煤层属于合层开采煤层，埋藏深度达到810 m，煤岩体原岩应力大。由于工作面中部需要保留部分煤柱作为上山系统运输服务巷道，故Y485 工作面分为Y485里工作面和Y485 外工作面2 部分。工作面东部为Y480 边眼及8241 大巷，西部为Ⅲ下-7 断层保护煤柱，北部为Y484 工作面，南部为Y486 采空区，上部为5 煤层已回采工作面。Y485 里工作面走向长度762.5 m，倾向长度145 m，煤层平均倾角24°；Y485外工作面走向长度602 m，倾向长度145 m，煤层平均倾角18°。工作面布置及遗留煤柱位置如图1。

图1 Y485 工作面及遗留煤柱位置关系Fig.1 Y485 working face and coal pillar position

Y485 工作面所属8、9 煤层厚度为7.0～9.5 m，平均厚度达到8.25 m，煤体坚固性系数f=1.98，弹脆性高。直接顶为2.2～4.9 m 的粉砂岩，基本顶为4.7～7.0 m 的细砂岩；煤层直接底为1.0～1.5 m 的炭质泥岩，基本底为4.9～5.5 m 的粉砂岩。经鉴定，8、9 煤层整体具有弱冲击倾向性，具有发生冲击地压的可能。

8、9 煤层顶板为强度较高的粉砂岩和细砂岩，顶板断裂时产生的冲击能量会诱发巷道冲击地压；且煤层中含有3 条断层，使得断层两侧构造应力变化异常，加大了开采过程中冲击地压发生的可能性。

由于历史开采原因影响，在距8、9 煤层上方约45 m 处的5 煤层存在1 个不规则、大面积的遗留煤柱，其在8、9 煤层的投影宽度为20～160 m 不等，煤层柱状图及遗留煤柱具体位置如图2。由于遗留煤柱面积较大，覆盖了Y485 部分工作面及用于运料、回风及运输等服务巷道，导致3 条服务巷道的顶板和两帮出现了不同程度的变形破坏，其中运煤巷和运料巷顶板下沉量较大，并出现了底鼓现象，两帮片帮较为严重。因此在煤层性质、构造应力、遗留煤柱高应力作用下严重影响下伏8、9 煤层工作面的正常开采，且高应力区域对服务巷道的稳定性影响程度较大，受开采扰动极易引发冲击地压事故，容易造成巷道破坏及人员伤亡。

图2 煤层柱状图及遗留煤柱位置关系Fig.2 Coal seam histogram and location of coal pillar

2 遗留煤柱应力分布特征及底板扰动范围

2.1 上覆遗留煤柱应力分布特征

5 煤层开采后，遗留煤柱两侧采空区属于未充分采动状态，上覆岩层产生的集中应力全部作用在遗留煤柱上，使遗留煤柱成为所在煤层的主要承载结构[12]。遗留煤柱区域的应力分布状态随着煤柱宽度及支承压力影响范围的变化而变化，遗留煤柱为不规则形状，在不同煤柱宽度区域存在不同的应力分布特征。根据不规则煤柱面积及尺寸，按煤柱宽度B 大致将遗留煤柱划分为5 个不同宽度（B1～B5）区域，5 煤层遗留煤柱应力分布特征如图3。

图3 5 煤层遗留煤柱应力分布特征Fig.3 Stress distribution characteristics of residual coal pillar in 5# coal seam

通过实际监测及数值模拟，取回采引起的侧向支承压力范围L=50 m，则根据煤柱宽度B 与支承压力影响范围大小L 的关系[13-14]可以将不规则遗留煤柱的应力分布划分为4 种形态：

1）当煤柱宽度B1=120 m 时，符合B＞2L，煤柱应力呈现出“双峰形”分布形态，煤柱中央区域载荷为原岩应力ρgH，煤柱边缘部分存在集中应力k1ρgH。

2）不规则煤柱中央区域上下两侧部分宽度有所减小，分别取B2=60 m 和B3=80 m，符合2L＜B＜L，煤柱应力为“马鞍形”分布形态，煤柱中央部分由于两侧应力叠加，使得中部应力大于原岩应力，煤柱最大应力峰值增长到k2ρgH（k3ρgH），且峰值大于k1ρgH。

3）随着不规则煤柱向两侧宽度继续减小，宽度逐渐小于支承压力范围L，则符合B＜L，此时取B 值分别为B4=20 m 和B5=30 m，煤柱叠加应力继续向中部转移，使得应力分布呈现“梯形”或“单峰形”形态，煤柱中央载荷积聚增大至k4ρgH 或k5ρgH，远大于前2 种情况。

综合以上分析可以得出5 煤层不规则遗留煤柱区域的应力分布根据煤柱宽度不同而呈现出不同的形态，由中部向上下两侧依次为“双峰形”、“马鞍形、“梯形”及“单峰形”分布。

2.2 遗留煤柱对下伏煤层应力扰动范围

根据土力学相关理论，5 煤层遗留煤柱产生的集中应力向底板进行传递，改变了下伏8、9 煤层的应力分布形态。下伏煤层受到遗留煤柱和本煤层应力叠加影响，在巷道及工作面一定范围内会形成应力增高区，影响到8、9 煤层工作面及相关开采巷道的稳定性[15-16]。遗留煤柱底板扰动范围如图4。

图4 遗留煤柱底板扰动范围Fig.4 Disturbance width of residual coal pillar in underlying coal seam

由图4 可以看出：当5 煤层遗留煤柱在8、9 煤层垂直投影区的宽度为a，规则区域扰动范围为b，不规则区域扰动范围为c，则扰动范围L=a+b+c，考虑遗留煤柱的不规则特点，导致其在底板应力传播的扰动角会发生变化，假设应力在规则区域的传递扰动角为φ，而在不规则区域的扰动角为θ，其中θ＞φ[7]。根据图4 的三角形几何关系，遗留煤柱在底板煤层的扰动范围可表示为：

式中：L 为遗留煤柱在底板煤层的扰动范围，m；a 为遗留煤柱在8、9 煤层的投影宽度，m；h 为5 煤层与8、9 煤层垂直距离，m；φ、θ 分别为遗留煤柱规则区域和不规则区域的扰动角，（°）。

根据式（1）可知，底板煤层应力扰动范围与煤层间距h、影响角φ、θ 有关，在a、h 一定的情况下，扰动范围与扰动角成正比。由于不规则区域形状影响，其影响角θ 为动态变化，所以扰动范围L 随着影响角θ 的增加而扩大。根据一般遗留煤柱影响角为25°～35°[7,17]，a 分别取120、60、80、20、30 m，h 为45 m，代入式（1）可分别得出：L1=177.5 m，L2=117.5 m，L3=137.5 m，L4=77.5 m，L5=87.5 m。

通过以上计算可得出，5 煤层不规则遗留煤柱在8、9 煤层扰动范围值在77.5 m＜L＜177.5 m 之间，不同煤柱投影区域存在不同的应力扰动范围。因此在扰动范围内的8、9 煤层工作面及服务巷道都会出现应力集中情况，尤其是服务巷道容易发生冲击地压的危险。

3 遗留煤柱底板应力分布规律模拟分析

3.1 模拟方案

根据8、9 煤层与5 煤层位置关系，采用RFPA2D数值模拟方法对遗留煤柱应力分布及下伏煤层巷道稳定性进行计算，以不规则煤柱宽度为80 m 区域为例进行分析，分别模拟下伏煤层巷道开挖前和开挖后各煤层应力分布状态，具体方案如下：

1）模拟5 煤层遗留煤柱底板应力分布，分析遗留煤柱应力分布及对下伏煤层的影响情况。

2）模拟8、9 煤层开挖巷道后的顶板应力分布，分析在5 层煤遗留煤柱影响下服务巷道的变形及能量积聚情况。

3.2 模拟模型

根据工作面实际开采情况，参照Y485 工作面反演力学参数及实际观测数值，简化模型为二维问题，建立平面应变力学模型。模型网格划分为400×200，代表长×高为400 m×200 m，即每1 个单元格代表1 m，数值模拟模型如图5。

图5 数值模拟模型Fig.5 Numerical simulation model

模型设定埋深为810 m，因此在模型y 轴方向采用均布载荷方式加载20.25 MPa，模型侧向施加30 MPa 水平应力，模型两侧边界施加水平方向位移约束，限制其水平位移，下部边界限制垂直及水平2个方向位移，计算采用自重加载。岩石力学参数假定符合Weibull 分布，岩石破裂本构模型采用库伦-摩尔强度准则。

3.3 模拟结果

3.3.1 遗留煤柱压煤区域应力分布

5 煤层遗留煤柱应力及声发射发分布图如图6。5 煤层遗留煤柱垂直应力分布曲线如图7。8、9 煤层顶板垂直应力分布如图8。

图6 遗留煤柱应力及声发射分布图Fig.6 Stress and acoustic emission distribution of residual coal pillar

图7 5 煤层遗留煤柱底板垂直应力分布Fig.7 Vertical stress distribution of floor under residual coal pillar in 5# coal seam

图8 8、9 煤层顶板垂直应力分布Fig.8 Vertical stress distribution of roof in 8# and 9# coal seams

由图6 可以看出：在上覆岩层垂直应力作用下，遗留煤柱区域应力集中程度较大，在遗留煤柱两侧边缘及下部一定范围内产生了应力增高区，且集中应力向下部传递至8、9 煤层；由图6（b）可看出遗留煤柱两侧出现了密集程度较大的声发射现象，说明遗留煤柱边缘煤体出现塑性破碎，且煤柱下方的8、9 煤层声发射密度较大，表示遗留煤柱已经对8、9煤层起到扰动影响，在下伏煤层开挖巷道时易形成顶板下沉及两帮片帮等情况。

由图7 可知：遗留煤柱上方基本呈现出“马鞍形”应力分布，煤柱两侧显现出高集中应力，应力峰值达到52 MPa，为原始应力的2.6 倍，煤柱边缘部分承受了较大的应力作用并发生破坏。集中应力随着煤柱宽度逐渐向内部延伸并降低，在煤柱中部达到25 MPa 左右，为原始应力的1.2 倍，采空区两侧支承应力分布逐渐恢复到原始应力达到平衡状态。

由图8 可知：遗留煤柱集中应力传递至下伏煤层后，致使煤柱下方投影区域应力大幅度增高，最大值位于遗留煤柱中心位置，达到44.18 MPa，为原始应力的2.2 倍；遗留煤柱在下伏煤层的影响范围大致为114 m，煤柱两侧增加扰动距离平均为17 m，与上节理论分析结果稍有差距，是由于岩层扰动角及应力传递程度影响所致。随着煤柱宽度应力逐渐向两侧降低，在采空区下伏区域出现了应力降低区，应力值减小至原始应力的40%。若在采空区下方进行回采较为安全，而在遗留煤柱扰动区域进行巷道开挖或工作面回采时会受到较大应力作用。

3.3.2 遗留煤柱下伏巷道应力分布

在5 煤层遗留煤柱达到平衡后，进行下伏煤层巷道开挖，得出的遗留煤柱下伏巷道应力及声发射分布图如图9。下伏巷道开挖后遗留煤柱应力分布曲线如图10。下伏巷道开挖后8、9 煤层垂直应力分布曲线如图11。

图9 遗留煤柱下伏巷道应力及声发射分布图Fig.9 Stress and acoustic emission distribution of roadway under residual coal pillar

图10 下伏巷道开挖后遗留煤柱应力分布曲线Fig.10 Stress distribution of residual coal pillar after excavation of underlying roadway

图11 下伏巷道开挖后8、9 煤层垂直应力分布曲线Fig.11 Vertical stress distribution of 8# and 9# coal seams after excavation of underlying roadway

由图9 可知：在遗留煤柱载荷传递作用下，采空区和遗留煤柱下方布置的巷道受到了不同程度的应力作用，采空区下方巷道受卸压影响没有发生较大变形和破坏，围岩应力集中程度不明显；遗留煤柱下方巷道受到较严重破坏，巷道顶底板以拉伸破坏为主，两帮以剪切破坏为主，其变形破裂程度远大于采空区下巷道，巷道周围应力集中程度明显增大，且煤柱下巷道声发射数密集程度远大于采空区巷道。以上说明遗留煤柱承载的高应力向8、9 煤层传递并作用在巷道上，使得应力影响范围内的巷道发生变形和破坏，巷道及其周围区域积聚了大量弹性能，巷道稳定性大大降低并存在发生冲击地压的危险。

由图10 可知：8、9 煤层巷道开挖后，遗留煤柱应力分布与巷道开挖之前相比基本没有变化，应力集中区域和降低区域皆与图6 相同，说明下伏巷道的开挖对上部煤层的应力分布状态没有较大影响。

由图11 可知：遗留煤柱中心区域下伏巷道周围应力最大值达到37.52 MPa，集中系数k 为原始应力的1.8 倍；采空区下巷道由于受到5 煤层采空区卸压作用，其巷道周围应力平均为12.35 MPa，只是原始应力的0.6 倍。8、9 煤层巷道开挖后，煤柱对其扰动范围增加至119 m，与上节理论扰动范围相近。因此，在遗留煤柱下方进行巷道开挖，必须考虑巷道的承载能力，并采取一定支护和卸压等措施，以保证巷道稳定。

4 工程实践

在Y485 工作面实际开采经验基础上，结合理论计算及数值模拟分析，对遗留煤柱下伏服务巷道采取加强支护、围岩卸压等措施，减小遗留煤柱产生的集中应力对巷道造成的影响。

4.1 巷道加强支护

对Y485 工作面中部保护煤柱内作为上山运输服务的运料巷、运输巷和回风巷采取加强支护措施。遗留煤柱下伏服务巷道支护示意图如图12。

图12 遗留煤柱下伏服务巷道支护示意图Fig.12 Support method of service roadway under residual coal pillar

支护方式采用高强锚杆+锚索联合支护，通过顶部锚杆锚索、帮部锚杆和底部锚杆共同形成连体支护形式，减小顶板下沉，并保证两帮围岩不出现较大变形。巷道顶部锚杆尺寸为ϕ20 mm×2 200 mm，间排距0.8 m×0.8 m，顶板靠两帮斜上45°安装斜拉锚索，锚索尺寸为ϕ19.3 mm×9 300 mm，锚索间距2.0 m；两帮锚杆尺寸为ϕ20 mm×2 000 mm，间排距0.8 m×0.8 m，并在两帮靠底板斜下15°安装锚杆，尺寸与帮部锚杆一致。

4.2 巷道卸压

对Y485 保护煤柱区域的服务巷道，采用硐室卸压、爆破卸压等方式减小煤柱应力集中及能量积聚程度。残留煤柱巷道硐室卸压示意图如图13。

图13 残留煤柱巷道硐室卸压示意图Fig.13 Chamber pressure relief in coal pillar roadway

在Y485 运输巷分别向运料巷、运煤巷和回风巷之间的2 个煤柱开挖卸压硐室，硐室开挖尺寸为2.5 m×2.5 m×4 m，并在硐室内布置爆破钻孔，钻孔长度7.0 m，爆破钻孔孔径42.0 mm，孔距底板1～1.2 m，均匀布置在硐室内；每孔装2 个500 mm 药卷，装药后剩余孔眼封满炮泥；并在3 条服务巷道中分别向残留煤柱实施爆破卸压，爆破参数与硐室内爆破参数一致。通过对保护煤柱的卸压处理，可以大幅度减少服务巷道区域内煤体应力和能量，降低冲击危险，保证巷道的稳定。

5 结 语

1）根据煤柱底板应力分布及传递规律，分析了不规则遗留煤柱应力分布特征及对下伏煤层的扰动范围。由于遗留煤柱存在不规则区域，在不同煤柱宽度区域存在不同的应力分布特征，由中部向上下两侧依次为“双峰形”、“马鞍形、“梯形”及“单峰形”分布；通过理论分析计算得出了遗留煤柱底板应力在8、9 煤层的扰动范围，考虑不规则区域的影响因素下，得出扰动范围为77.5 m＜L＜177.5 m。

2）利用数值模拟方法对80 m 遗留煤柱及下伏巷道的受力情况进行了模拟分析。结果表明：遗留煤柱不仅改变了下伏煤层的应力分布形态，而且增大了应力峰值及扰动范围；5 煤层遗留煤柱周围区域存在应力增高区，应力最大值达到52 MPa，为原始应力的2.6 倍；煤柱下伏8、9 煤层应力峰值高达44.18 MPa，为原始应力的2.2 倍；遗留煤柱下巷道与采空区下巷道相比发生明显破坏，其应力值达到37.52MPa，为原始应力的1.8 倍，因此煤柱下伏巷道存在较大的冲击地压危险。

3）分别采用加强支护和巷道卸压等防治方法对遗留煤柱下伏巷道进行稳定性处理。巷道支护采用高强锚杆+锚索联合支护形式，残留煤柱部分采取硐室卸压和爆破卸压方式，抗压和卸压共同应对遗留煤柱产生的高集中应力，可以确保服务巷道的安全稳定。