上保護層不合理布置對被保護層應力疊加影響效應研究

江麗麗，楊增強，翟春佳，李常浩

(1.重慶工程職業技術學院，重慶 402260； 2.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083；3.潞安集團余吾煤業有限公司，山西 長治 046103)

保護層開采技術的應用與實踐最早起源于法國，我國在遼寧北票、重慶中梁山等礦區最早應用該技術[1-4]。雖然我國對保護層開采技術的研究與應用起步較晚，但眾多專家學者針對被保護層的卸壓機理、卸壓范圍及卸壓效果等方面進行了深入的研究，取得了大量的理論和研究成果[5-7]。

關于保護層開采的研究，大部分學者側重于保護層開采卸壓和瓦斯抽放方面，旨在提高煤層瓦斯的滲透性及抽放效果[8-10]。而關于保護層開采后遺留煤柱體導致的應力重新分布對被保護層造成的應力疊加擾動等問題，卻缺乏深入的研究。這也導致現場實踐中容易因高應力集中而誘發被保護層采掘期間動力災害頻發等問題。因此，有必要針對保護層與被保護層開采期間的圍巖力學演化特征進行深入研究，確定合理的保護層布置方式，以期能夠有效降低被保護層內集中的應力。

1 工程地質概況

1.1 工程地質條件

汾西中興礦主采2#煤層，其厚度為1.6～2.3 m，傾角為2°～10°。2#煤層絕對瓦斯涌出量為16.3 m3/min，屬于高瓦斯煤層。現開采3203工作面，其東側的3201工作面已采完，西側為未開采的3205接替工作面。3203工作面走向長為1 595 m，傾向長為190 m，平均埋深超過700 m。2#煤層上方存在一厚度為0.65～1.50 m的02#煤層，其平均厚度為1.28 m，屬于薄煤層。02#煤層與2#煤層間距為6.5～12.0 m，因此02#煤層可作為2#煤層的上保護層進行開采。3203工作面平面位置關系如圖1所示。

圖1 3203工作面平面位置關系圖

1.2 回采期間來壓情況

3203工作面目前已維護性回采至上保護層采空區的下方，但其兩側平巷超前范圍內出現了圍巖嚴重變形破壞情況，如圖2所示。

(a)頂板破壞 (b)煤幫破壞

(c)底板破壞 (d)沖擊地壓顯現

由圖2(a)可知，巷道頂板多個區域出現破碎，甚至出現離層跡象，存在局部冒頂危險性，支護較困難；由圖2(b)可知，巷道幫部煤體嚴重內擠變形，甚至造成錨桿的拉斷失效；由圖2(c)可知，底鼓造成被硬化處理過的底板出現裂縫，受工作面采動劇烈擾動影響甚至會造成如圖2(d)所示的底板沖擊地壓事故。由此可見，3203工作面超前段巷道圍巖應力環境整體較差。

2 上保護層開采影響分析

2.1 上保護層開采遺留煤柱體對底板應力的影響

3203工作面上保護層開采結束后，采空區周圍將會遺留大量支承煤柱體，這將會對下方被保護層煤體應力環境造成較大的影響。上保護層開采后，其垮落帶高度計算公式如下：

(1)

式中：Hm表示采空區垮落帶高度；M表示開采煤層厚度；W表示垮落過程中頂板下沉量；α表示煤層傾角；k表示垮落巖石碎脹系數。

對于遺留煤柱體，當采空區垮落帶高度為Hm時，煤柱體形成的總壓力如下：

(2)

式中：p表示煤柱體的總壓力值；B表示煤柱寬度；H表示煤層埋深；h為采空區上覆巖層垮落高度；δ表示采空區上覆巖層垮落角；γ表示上覆巖層平均重度。

關于煤柱體對底板造成的應力影響，可假設沿煤柱體寬度方向設置x軸，在x軸上作用有均布載荷。在煤柱體寬度方向上取一微小寬度dx，則該微小寬度煤柱體對底板造成的應力影響大小為dp=qdx，其對底板中任意一點M(x,y)造成的垂直應力計算原理如圖3所示[10-11]。

q—煤柱體對底板施加的均布載荷；σx—底板中任意一點的水平應力；σy—底板中任意一點的垂直應力；τxy、τyx—底板中任意一點的剪切應力。

圖3 煤柱體對底板應力影響的計算原理圖

由圖3可知，對煤柱體總寬度積分，可求出煤柱體對底板中任意一點M(x,y)造成的垂直應力，計算公式如下：

(3)

式中l表示煤柱體寬度。

上保護層與3203工作面間距為10.3 m，且上保護層平均埋深為700 m。聯立式(1)～(3)，可計算出不同遺留煤柱體寬度條件下底板內應力分布規律，如圖4所示。

圖4 上保護層遺留煤柱不同煤柱體寬度條件下應力影響規律

由圖4可知，上保護層開采后遺留煤柱體對2#煤層造成的應力疊加影響，隨煤柱體寬度從10 m增大至70 m，其對應的疊加應力也由13.7 MPa增大至18.1 MPa。因此，采取保護層技術開采，要盡量合理布置上保護層工作面位置，最大限度避免上保護層遺留煤柱體對下方被保護層造成應力疊加影響。

2.2 上保護層開采最大有效保護范圍

中興礦主采2#煤層的沖擊危險性指數約為0.3，具有弱沖擊傾向性，因此對2#煤層進行保護層開采設計意義重大。上保護層的最大有效保護距離計算式如下[12-13]：

S上=S′上β1β2

(4)

式中：S′上為上保護層的理論有效垂距，當L>0.3H時，取L=0.3H，但L不得大于250 m；L為上保護層工作面寬度；β1為上保護層開采影響系數，當M≤M0時，β1=M/M0，當M>M0時，β1=1；β2為層間堅硬砂巖、石灰巖含量系數，以η表示在層間巖石中所占百分比，當η≥50%時，β2=1-0.4η/100，當η<50%時，β2=1；M表示上保護層開采煤層厚度；M0表示上保護層的最小有效厚度。

上保護層的理論有效垂距S′上與煤層埋深H及上保護層工作面寬度L之間的關系，如表1所示。

表1 S′上 與煤層埋深H和上保護層工作面寬度L之間關系

假設上保護層工作面寬度取值范圍為75～125 m，結合式(4),以及參照表1可計算出上保護層開采后的理論有效垂距，如圖5所示。

圖5 不同上保護層工作面寬度L條件下上保護層開采后的理論有效垂距

由圖5可知，當上保護層工作面寬度為75～125 m時，其對應的理論垂直有效距離為30～52 m，遠大于02#煤層與2#煤層之間的層間距。這說明02#煤層作為上保護層能起到對2#煤層的卸壓保護作用，且 02#煤層內上保護層工作面寬度越大，其卸壓保護深度范圍也就越大。

3 數值模擬研究

3.1 數值模型的建立

以中興礦3203工作面為工程地質背景，建立三維幾何模型[14-15]，所建模型中工作面、巷道的幾何位置關系如圖6所示。

圖6 三維幾何模型

所建幾何模型長×寬×高為450.0 m×426.7 m×145.0 m，3203工作面兩側巷道尺寸：3203回風巷寬×高為 4 200 mm×2 500 mm；3203運輸巷寬×高為 5 000 mm×3 000 mm；充填墻體寬×高為2 500 mm×2 500 mm。對所建模型邊界x=0.0 m、x=450.0 m、y=0.0 m、y=426.7 m和z=0.0 m進行法向位移約束，模型上表面施加相當于埋深620 m的等效載荷15.5 MPa。

模型開挖計算步驟如下：計算原巖應力→掘進3201回風巷和3201運輸巷→回采3201工作面→沿空留巷巷旁充填→掘進3203運輸巷→回采3203工作面(初始回采階段，3203工作面未處于上保護層工作面下方)→繼續回采3203工作面(正常回采階段，工作面處于上保護層工作面下方)。

3.2 模擬結果分析

3203工作面回采至不同位置時的垂直應力空間演化特征如圖7所示。

圖7 3203工作面回采期間垂直應力空間演化特征

由圖7(a)可知，工作面初始回采階段，未受上保護層開采影響，工作面上端頭和充填墻體內存在較高的應力集中，峰值應力為73.2 MPa；由圖7(b)可知，工作面回采至靠近上保護層位置時，受上保護層采空區側向支承應力疊加的影響，工作面上端頭和充填墻體內應力集中進一步增加，峰值應力為93.7 MPa；由圖7(c)可知，工作面回采至上保護層下方時，受上保護層采空區兩側遺留煤柱體應力疊加的影響，此時工作面上端頭和充填墻體內應力峰值進一步增大，峰值應力達到98.8 MPa，且此時工作面下端頭處也開始出現應力集中現象。可見，當3203工作面回采至上保護層采空區下方時，受上保護層遺留煤柱體采動應力疊加的影響，導致3203工作面兩側巷道超前段范圍內圍巖應力環境較差。

3.3 上保護層位置優化后的垂直應力模擬分析

針對3203工作面原有上保護層位置布置不合理，容易受遺留煤柱體疊加應力影響而導致3203工作面應力環境進一步惡化的問題，對上保護層位置進行優化處理，優化后的模擬方案如圖8所示。

圖8 上保護層位置及寬度優化模擬方案

上保護層位置優化后的垂直應力空間演化特征如圖9所示。

圖9 上保護層位置優化后的垂直應力空間演化特征

由圖9(a)可知，一開始工作面未回采至保護層工作面影響范圍內，因此在工作面上端頭處存在明顯的應力增高區，應力集中程度較高；由圖9(b)可知，當工作面回采推進至上保護層卸壓區影響范圍內時，此時處于工作面端頭的應力增高區已經不存在，而是在工作面中部出現一小范圍的應力集中現象，同時3203回風巷護巷充填墻體所受到的應力集中程度也明顯降低；由圖9(c)可知，隨著工作面的進一步回采，此時工作面完全處于上保護層下方，受上保護層卸壓區影響效果明顯，同時3203回風巷圍巖應力環境十分良好，不存在高應力增高區。由此可見，通過采用圖8所示優化后的方案布置上保護層位置，能夠有效改善被保護層工作面采掘空間圍巖的應力環境，沖擊地壓的防治效果顯著。

4 現場工業性試驗

4.1 支架工作阻力監測

針對3203工作面上保護層位置及布置不合理對3203工作面回采造成的困難，對3205工作面采用優化后的方案布置上保護層進行回采。3205工作面共布置有14組支架工作阻力測站，能較好地反映3205工作面回采期間的礦壓顯現規律，如圖10所示。

圖10 3205工作面回采期間支架工作阻力云圖

由圖10可知，2017-06-14至2017-11-18這一期間工作面的工作阻力基本保持在30 MPa以上，因為這一時期3205工作面推進速度較慢，且工作面剛好推進至老頂初次或周期來壓范圍內；2018-04-30至2018-06-09這一期間整個工作面回采至一次“見方”影響范圍內，此時工作面中部存在明顯的高支護阻力區，該區域內支護阻力高達40 MPa；2018-08-28至2018-11-16這一期間為工作面從上保護層影響范圍外向上保護層影響范圍內回采推進時期，從云圖中可以看出受上保護層卸壓影響，工作面靠近回風巷側的中下部區域出現明顯的支護阻力下降現象，這一現場實際監測結果符合上保護層優化后對3203工作面開采的應力演化模擬結果。

4.2 礦壓觀測

3205工作面回采期間，采用“十字”監測法對3205回風巷進行礦壓觀測，分別在上保護層影響范圍內外各布置3組觀測點，測點間距為50 m，觀測結果取平均值，觀測曲線如圖11所示。

由圖11可知，上保護層影響范圍外巷道頂底板最大移近量為410.4 mm，兩幫最大移近量為 378.0 mm；上保護層影響范圍內巷道頂底板最大移近量為147.6 mm，兩幫最大移近量為129.0 mm。可見 3205 回風巷在上保護層卸壓效應影響下，頂底板移近量減小了64.0%，兩幫移近量減小了65.9%，圍巖整體移近量要遠低于上保護層影響范圍外。這表明優化后的上保護層位置能夠較好地對3205工作面起到卸壓保護作用。

圖11 3205回風巷礦壓觀測曲線

5 結論

1) 理論分析了中興礦上保護層開采遺留煤柱體對下方3203工作面造成的應力疊加影響，指出隨著遺留煤柱體寬度由10 m增大至70 m時，其對2#煤層造成的疊加應力由13.7 MPa增大至18.1 MPa。

2) 理論分析了當上保護層工作面寬度在75～125 m范圍時，其對應的理論垂直有效距離為30～52 m，遠大于02#煤層與2#煤層之間的層間距，說明02#煤層作為上保護層能起到對2#煤層的卸壓保護作用。

3) 數值模擬和現場工程實踐表明，不合理的上保護層布置方式進一步加劇了被保護層工作面內應力疊加效應，合理的上保護層布置方式能夠有效降低被保護層內應力集中程度。