蒙陕地区强冲击煤层塑性小煤柱沿空回采期间破坏规律研究

2022-05-26白俊杰王健健

陕西煤炭 2022年3期

白俊杰，王健健

(1.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017300；2.陕西煤矿安全装备检测中心有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

纳林河矿区位于鄂尔多斯市东胜煤田西边，该矿井田构造形态总体为一向西倾斜的单斜构造，地层倾角1°～3°，主采煤层平均埋深550 m，具有强冲击倾向性，布置300 m超长大采高综采工作面。为了降低临空侧顺槽冲击风险，回风顺槽采用沿空小煤柱6.6 m布置技术。已有研究表明沿空小煤柱掘进成巷后呈塑性状态[1]，但深部开采[2-3]、超长大采高工作面大尺度覆岩垮落[4]和相邻采空区侧向支撑压力等多种因素造成沿空塑性小煤柱回采期间变形破坏规律的特殊性。笔者采用固定工作面法对塑性小煤柱监测应力值进行统计分析后划分4个阶段；再依据黑箱理论[5]，对3个观测站附近的煤体力学参数等内外部因素和不同观测站的同一阶段监测应力值进行无差别对待，建立受力单元模型，利用Surfer 15软件[6]绘制4个阶段的应力等值线云图，提出有效塑性支撑面积指标，揭示了塑性小煤柱变形破坏的基本规律。

1 概述

1.1 工作面概况

该矿主采煤层平均厚度6 m，布置超长大采高综采工作面，埋深约600 m，两侧顺槽均沿煤层底板布置，相邻上侧的工作面已回采结束，本工作面回风顺槽采用沿空小煤柱布置，小煤柱净宽度6.6 m，回风顺槽3.8 m×5.8 m(高×宽)，如图1所示。工作面上覆岩层结构统计见表1。

图1 工作面倾向布置示意Fig.1 The tendency layout of the working face

表1 工作面上覆岩层结构统计Table 1 Statistics on the structure of the overlying rock on the working face

1.2 煤层物理力学指标

经鉴定，主采煤层具有强冲击倾向性，见表2，综合指数为0.67，冲击危险等级为中等。

表2 煤层冲击倾向性鉴定结果Table 2 Identification results of coal seam bursting liability

1.3 小煤柱支护状况

回风顺槽沿空小煤柱采用“锚网索+钢带”进行支护。锚杆为φ22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，屈服强度不小于500 MPa，安装预紧扭矩不小于300 N·m，锚杆间排距800×900 mm；锚索规格为φ21.8 mm×3 750 mm(1×19股)高强度低松弛预应力钢绞线，安装张紧强度不小于30 MPa，间排距1 500 mm×2 000 mm。铺设φ8 mm铅丝、网孔40 mm×40 mm的菱形铅丝网，并滞后掘进迎头200 m进行喷浆封闭处理。回采期间回风顺槽超前0～50 m采用6台垛架(ZZ16000/26/44D)支护，超前50～200 m采用ZQ5000/25/44单元支架支护。

2 小煤柱钻孔应力计布置情况

超前工作面回采动压影响300 m以外，在小煤柱帮部腰线1.5 m高处布置煤体钻孔应力计3组，1#、2#和3#观测站相邻组间距分别为60 m、50 m，4孔/组，深度分别为1 m、2 m、3 m和4 m，应力计初始油压6 MPa。如图2所示。

图2 小煤柱煤体钻孔应力计布置平面示意Fig.2 Layout of borehole stress gauges for small coal pillars

3 小煤柱钻孔应力监测结果

3.1 基于应力值变化的分区划分

随着工作面的回采，塑性小煤柱逐步承压[7]，其内部煤体钻孔应力计监测值开始变化，基于固定工作面法，对1#观测站的应力监测值及其变化进行统计分析，如图3所示。

图3 基于钻孔应力监测值变化的分区划分结果Fig.3 Partition division results based on changes in borehole stress monitoring values

超前50～100 m范围应力监测值基本不变，应力值介于3.6～5.7 MPa，除深度4 m处应力监测值小幅降低之外，其余深度1 m、2 m和3 m处的应力监测值未出现明显变化，此阶段处于塑性稳定阶段。

超前0～50 m范围应力监测值，深度1 m、2 m和3 m处应力计监测值先略微小幅升高后又小幅度降低，深度4 m处应力计监测值基本保持不变，小煤柱内部开始出现变形、位移，此阶段处于塑性破坏初始阶段。

滞后工作面0～40 m采空区范围各监测位置的应力监测值升降幅度各异，深度为1 m和3 m处应力计监测值快速升高至10 MPa左右，升高幅度5～6.5 MPa；深度为2 m和4 m处应力计监测值快速下降至不足2 MPa，降低幅度4～6 MPa，说明塑性小煤柱内部出现不均匀的变形和位移，甚至局部出现大变形、大位移，此阶段处于破裂失稳阶段[8]。

滞后工作面40～80 m采空区范围应力监测值快速下降，直至为零(监测缆线被压断路)，此阶段处于采空区压实阶段[9]。

3.2 分阶段应力演化规律分析

在上述固定工作面方法基础上，鉴于煤体为非连续固体介质[10]，并且临空小煤柱内部存在极为复杂的应力环境，依据黑箱理论，对3组监测点出的煤岩体状态、力学性能及应力环境等因素进行无差别对待[11]，将1#、2#和3#观测站按1 m等间距均匀分布在走向11 m长度范围的小煤柱内部。在此基础上，在塑性小煤柱帮部的应力测点布置高度(巷道腰线1.5 m处)建立水平切面的单元模型，尺寸为6.6 m×11 m，以模型左下角为起始点(0，0)建立局部坐标系，走向监测范围长度X∈(0，11)，小煤柱宽度Y∈(0，6.6)，采用Surfer 15软件对应力监测数据进行统计分析，得出4个阶段的应力等值线云图[12]，如图4所示。

由图4分析可知：①超前50～100 m范围处于塑性支撑阶段。模型内2～6.5 MPa应力面积占总面积的80%以上，此阶段小煤柱基本稳定，应力水平基本不变，最大应力值为5.0～6.5 MPa。②超前0～50 m范围处于塑性破坏初始阶段。模型内2～6.5 MPa应力面积占总面积的65%左右，应力先略微升高后小幅度降低，塑性小煤柱内部开始出现变形、位移。③滞后工作面0～40 m采空区范围处于破裂失稳阶段。模型内2～6.5 MPa应力面积占总面积的45%左右，小煤柱内部应力升降幅度各异，开始出现大变形、大位移。④滞后工作面40～80 m采空区范围处于压实阶段。模型内2～6.5 MPa应力面积占总面积的25%以下，小煤柱应力快速下降(监测线断路)，此阶段塑性支撑区域呈现不连续状态，且局部最大应力值仅4～5 MPa。

随着工作面的回采，小煤柱先后经历了塑性支撑状态、塑性破坏初始阶段、塑性破坏失稳阶段和压实阶段。在塑性小煤柱承载受压过程中，可将应力值大于2.0 MPa的面积初步视为有效塑性支撑面积。在4个阶段中塑性支撑面积占比逐步缩小，分别占比80%以上、65%、45%和25%以下，前3个阶段塑性承载面积内的应力梯度逐步增大，呈现离散化趋势，且在塑性破坏初始阶段至塑性破坏失稳阶段的2个阶段最为明显，最终造成小煤柱内部出现不均匀位移，甚至局部地段形成拉伸和剪切破坏，加剧了小煤柱的整体变形失稳破坏。

3.3 小煤柱支撑能力分阶段变化规律

对图4中4个阶段的应力等值线云图，按梯度Δσ=0.5 MPa划分的各应力梯度单元面积si，对单元模型内应力进行积分，分析整体支撑能力F的变化规律，如图5所示。

图4 4个阶段小煤柱内部应力等值线云图Fig.4 Internal stress contour map of small coal pillars in four stages

图5 4个阶段小煤柱支撑能力分阶段变化曲线Fig.5 Stage-by-stage change curve of the support capacity of small coal pillars in 4 stages

(1)

基于以上数据，对式(1)进行计算，结果见表3所列，后3个阶段支撑能力分别较前一阶段出现不同程度的降低，各阶段的小煤柱整体承载能力呈现塑性-弱支撑的性能。塑性破坏初始阶段的塑性支撑能力下降幅度达到47.09%，塑性支撑面积占比下降至65%，因此，在塑性小煤柱回采期间应做好支护强度和回采速度的平衡管控，确保沿空塑性小煤柱巷道在回采服务期间超前50 m范围内不会出现大尺度位移和提前失稳破坏。