基于三維應力監測及能量判據的煤柱穩定性分析

孟昭河，肖自義，夏 磊，鐘 坤

（1.兗州煤業股份有限公司鮑店煤礦，山東鄒城273513；2.山東省煤礦安全監察局魯西分局，山東 濟寧272073；3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與國家重點實驗室，湖北 武漢430071）

0 引言

煤柱一般多服務于兩個回采工作面，受到重復采動影響，由于外力做功使得煤柱變形能不斷積蓄，當煤柱中積蓄的變性能達到臨界狀態后,在外力擾動影響下，煤柱的變性能瞬間釋放，造成煤柱失穩。煤層在堅硬頂底板的夾持作用下，煤體中將積聚大量的彈性能。當煤柱受力處于彈性狀態時，則整個圍巖系統處于穩定狀態；煤柱受到高應力作用處于脆性破壞時，著巨大能量的突然釋放，煤柱失穩導致沖擊地壓發生。

對于采空區煤柱三維應力分布及穩定性方面研究是一個熱點難點問題。潘帥[1]通過數值模擬方式，對采區煤柱受采動影響的應力及破壞規律進行了研究。曾現策等人[2]通過三維有限元數值模擬，對某煤礦近距離煤層群開采時上煤層開采后留設的不規則煤柱對下煤層工作面開采時的影響進行數值分析。張彥斌[3]等人運用UDEC對采場進出煤柱時的圍巖應力及破壞特征進行了研究分析。李少剛[4]針對埋深100m左右淺埋煤層，安設應力監測系統研究采動應力分布規律，結合數值模擬軟件確定合理煤柱寬度。張廷院[5]等人運用FLAC3D模擬軟件，分析了近距離煤層群煤柱下開采應力分布特征。朱志潔等人采用數值模擬和現場實測的方法，對上部重疊煤柱與采動耦合作用下的圍巖應力演化規律進行研究。

學者大部分采用數值分析的方式模擬煤柱作用下采場煤巖體應力變化規律，缺少長期動態的實測值。因此，本文基于地應力實測值和擾動應力的長期監測規律，從能量判據角度分析邊界煤柱穩定性，指導安全生產。

1 礦井概況

鮑店煤礦7302工作面位于該礦七采區北部，是七采區西翼3煤層第一個區段的工作面。北西起工作面切眼，距七采區邊界線3～19m，距5310（N）工作面采空區110～114m；南東至工作面設計停采線，距七采回風巷100m；輔運順槽距礦井邊界線31～35m，距興隆莊3煤采空區55m；東北面臨近鄰近興隆煤礦4318采空面、4320采空面、4322采空面等，以及東灘煤礦14320工作面、14317采空區等，三礦交界處留有50m的保護煤柱。南西與尚未回采的7304工作面相鄰。7302工作面及周邊位置關系圖如圖1所示。

圖1 工作面位置圖

2 三維應力測試方案

由于7302工作面鄰近三礦邊界煤柱，且受重復采動的影響，應力較集中，來壓明顯，故采用地應力實測技術及三維應力長期擾動監測方案分析煤柱穩定性。監測設備選取光纖光柵三維應力傳感器[7]，在7302工作面軌道順槽邊界煤柱一側的上方頂板布置四個監測斷面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，其分別距離停采線1276m、802m、662m及562m。在每個監測斷面處，分別施工一個監測鉆孔，斷面布置圖如圖2所示。

圖2 工作面布置圖

首先，按照一定步驟和方法[7]，在工作面回采前對每個監測斷面采用應力解除法測量原巖應力。應力解除實驗完成后繼續在相同位置鉆孔安裝傳感器，不進行解除，將傳感器通過光纜與光纖解調分析儀連接，并通過井下局域網將數據傳輸至井上監控室，在監測室系統軟件中，對監測數據進行處理分析，得到實時擾動應力大小，然后再將擾動應力與原巖應力相加，得到頂板巖層實時真實應力。

3 監測結果及分析

3.1 原巖應力

由于原巖應力測試點地質構造和所覆巖層性質差異不大，4組原巖應力測試結果基本相同。因此選取他們的平均值作為該應力場的原巖應力值。

經過數據處理求得大地坐標系下的原巖應力分量如表1所示，主應力如表2所示。大地坐標系以X軸向東，Y軸向北，Z軸向上。

表1 大地坐標系下的原巖應力分量 單位：MPa

備注：正應力以壓為正

在大地坐標系下，求主應力，結果如表2所示。

表2 大地坐標系下原巖主應力

備注：方位角北起順時針為正；傾角從水平面向上為正。

由上表結果可知，最大主應力為24.02MPa，接近水平方向；其余兩個主應力與水平面有一定夾角。由此可以看出，監測位置處受構造作用明顯，

以7302工作面開采方向為x軸，豎直向上為z軸，右手法則確定y軸，建立采區坐標系O-xyz，如圖3所示。

圖3 采區坐標系

在采區坐標系中，原巖應力分量如下表所示。

表3 大地坐標系下的原巖應力分量 單位：MPa

由表中可以看出，監測斷面處水平應力較大，x，y兩水平方向的側壓力系數分別為0.74和1.40。

3.2 三維應力演化規律

經過幾個月的長期動態監測，得到各個監測斷面的三維應力變化圖。監測斷面Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ位置比較接近，均在三礦交界處，所獲監測結果也將接近，這三個監測點選取最后一個監測點的監測結果作為代表。故對監測斷面Ⅰ和監測斷面Ⅳ的監測結果進行詳細分析。

圖4為斷面Ⅰ大地坐標系下的主應力變化圖。由圖可知，三個主應力呈現增長趨勢，最大主應力由最初的24.23MPa逐漸上升到26.32MPa，應力上升2.09MPa，升高8.6%，；第二主應力由14.44MPa上升到16.87MPa，應力提升2.43MPa，升高16.8%；第三主應力由最初的9.34MPa上升到10.34MPa，升高1MPa，增幅為10.7%。

圖4 監測斷面Ⅰ應力變化圖

圖5 監測斷面Ⅳ應力變化圖

圖5 為斷面Ⅳ大地坐標系下的主應力變化圖。由圖可知，三個主應力呈現增長趨勢，最大主應力由最初的25MPa逐漸上升到30MPa，應力上升5MPa，升高20%，；第二主應力由16.2MPa上升到22.9MPa，應力提升6.7MPa，升高41.4%；第三主應力由最初的10.8MPa上升到15.5MPa，升高4.7MPa，增幅為43.5%。

對比斷面Ⅰ和Ⅳ的監測結果可知，斷面Ⅳ監測所得三維應力結果無論是增長幅值還是增長幅度均大于監測斷面Ⅰ的結果。分析斷面所處位置及地質構造可知，斷面Ⅳ位于三礦交界處，煤柱上方頂板活動較強烈，堅硬頂板巖層應力轉移到煤柱體上方，煤柱及頂板集聚彈性能，可能導致沖擊危險的發生。另外，該斷面離Ⅶ-F63較近，因此，該區域應加強監測。

3.3 基于能量判據的煤柱穩定性分析

由能量原理[8]可知，在主應力空間下煤巖體總能量可表示為：

其中，Ud為煤巖體消耗能，Ue為煤巖體可釋放彈性應變能。

適合工程應用的煤巖體單元可釋放應變能[9]可表示為：

沖擊荷載作用下，短時間內的高應力會使一部分煤巖體單元產生損傷，強度降低；而大部分單元則迅速儲存了很大的彈性應變能。當Ue儲存并達到煤巖體單元某種表面能U0時，應變能Ue釋放使煤巖體單元發生破壞。

在監測斷面鉆孔位置取一定數量巖芯并制成標準式樣，開展三軸試驗，通過不同圍壓應力水平下的卸圍壓實驗，求取巖石極限儲存能。發現，圍壓對巖石極限儲存能有顯著的影響。隨著圍壓的增大，巖石極限儲存能大幅度提高，兩者之間具有良好的線性關系，可表示為：

基于以上公式得到監測斷面的能量指標如表4所示。

表4 能量指標

由表可知，監測斷面Ⅰ、Ⅳ兩處由于初始應力場一致，初始圍壓幾乎一樣，因此煤巖體的極限儲存能也差異不大。由于采動及邊界煤柱來壓影響，導致了斷面Ⅳ處集聚的彈性應變能明顯高于監測斷面Ⅰ處，該監測斷面位于興隆莊煤礦與鮑店礦交界位置，兩側采空后，頂板壓力由煤柱承擔，頂板下部受壓，形成拱效應。由彈性應變能與極限儲存能之比可知,7302工作面邊界煤柱整體偏于安全，但是隨著工作面的進一步回采，三維應力有繼續增加的趨勢，彈性應變能會進一步集聚，應密切關注監測結果，尤其是三礦交界處，該段是沖擊危險性較大的區域。

4 結 論

1）采用應力解除法測得初始應力場的三個主應力分別為24.02MPa、14.43MPa和9.02MPa，最大主應力接近水平方向；其余兩個主應力與水平面有一定夾角。由此可以看出，監測位置處受構造作用明顯。

2）監測斷面Ⅰ主應力升高最大值為2.43MPa，升高最大幅度為16.8%；監測斷面Ⅳ主 應力升高最大值為6.7MPa，升高最大幅度為43.5%；斷面Ⅳ位于三礦交界處，同時離斷層Ⅶ-F63較近，煤柱上方頂板活動較強烈，易集聚彈性應變能。

3）監測區域最大彈性應變能為26.10kJ/m2，彈性應變能與極限儲能比還沒到達煤巖體破壞臨界值，邊界保護煤柱整體偏于安全，應進一步關注監測結果，尤其是三礦交界處，該段是沖擊危險性較大的區域。