急斜特厚煤層殘留煤柱穩(wěn)定性分析及其動(dòng)力災(zāi)害防治

李云鵬，崔 峰，楊文化，尉遲小騫

(1.煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院 資源與土木工程系，山東 煙臺(tái) 265401；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

烏魯木齊礦區(qū)急斜特厚煤層占世界急傾斜煤層儲(chǔ)量的30%，煤層傾角45°～87°，煤層賦存環(huán)境復(fù)雜多變[1-5]，其開(kāi)采工藝與近水平煤層相差甚大，動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)[6-12]。隨采深的增加，歷史殘留煤柱頂?shù)装鍏^(qū)域應(yīng)力集中明顯[13-17]，嚴(yán)重影響鄰近煤層和殘留煤柱下分段煤層的安全高效開(kāi)采。

目前，許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)殘留煤柱進(jìn)行了多角度的分析研究。秦凱等對(duì)近距離煤層群下伏工作面過(guò)遺留煤柱異常礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了下伏工作面進(jìn)集中煤柱異常礦壓的發(fā)生機(jī)理[18]；付興玉等對(duì)上覆房式采空區(qū)集中煤柱回采動(dòng)載礦壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了研究，提出了提前爆破集中煤柱的防治措施[19]；李春元等根據(jù)殘留煤柱對(duì)底板應(yīng)力的擾動(dòng)規(guī)律，分析計(jì)算了殘留煤柱區(qū)域下伏煤層開(kāi)采的擾動(dòng)范圍[20]；周連春等采用數(shù)值模擬軟件對(duì)煤柱應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，提出了有效的防范措施[21]；馬寧等采用數(shù)值模擬軟件對(duì)煤柱的塑性區(qū)和支撐壓力分布演化規(guī)律進(jìn)行研究，提出了回采期間煤柱監(jiān)測(cè)和卸壓解危措施[22]；周輝等綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等研究方法，分析了大采高工作面回撤通道煤柱內(nèi)支撐應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律，建立了“煤柱-頂板”力學(xué)模型[23]；于洋等研究了采空區(qū)殘留煤柱的應(yīng)力環(huán)境和變形狀態(tài)，分析了不同寬度窄煤柱條件下煤柱的垂直應(yīng)力分布，提出了殘留煤柱內(nèi)巷道圍巖控制原則和技術(shù)[24]。上述專(zhuān)家學(xué)者對(duì)煤柱的穩(wěn)定性以及受力狀態(tài)進(jìn)行了大量的研究，但針對(duì)急斜特厚煤層殘留煤柱的研究相對(duì)較少，以烏魯木齊礦區(qū)南采區(qū)87°特厚煤層為工程背景，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬對(duì)殘留煤柱的滑移失穩(wěn)以及應(yīng)力演化特征進(jìn)行研究，提出了分段深孔爆破的卸壓措施，有效降低了動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生頻率。

1 工程背景

烏魯木齊烏東煤礦南采區(qū)總儲(chǔ)量達(dá)4.6億t，主采煤層為B1+2與B3+6這2層平均傾角為87°的急斜特厚煤層，煤層厚度分別為30與40 m，且煤層之間夾雜有50 m厚的層間巖柱，層間巖柱即為B3+6煤層的底板，又為B1+2煤層的頂板。煤層老頂、老底均為粉砂巖，開(kāi)采工藝為水平分段綜放開(kāi)采，段高為25 m，采放比達(dá)1∶7，工作面沿煤層厚度布置。礦井初期為小煤窯倉(cāng)儲(chǔ)式開(kāi)采，其中+518至+590水平東三采區(qū)有歷史殘留石門(mén)保護(hù)煤柱，殘留煤柱高86 m，最大走向長(zhǎng)度124 m。+495水平B3+6煤層回采穿過(guò)殘留煤柱時(shí)，工作面巷道變形較大，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，殘留煤柱結(jié)構(gòu)下易形成應(yīng)力異常區(qū)進(jìn)而誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。殘留煤柱賦存特征如圖1所示。

圖1 殘留煤柱賦存特征

2 殘留煤柱穩(wěn)定性及力學(xué)特征分析

2.1 殘留煤柱滑移失穩(wěn)力學(xué)模型

烏東煤礦南采區(qū)急斜特厚煤層開(kāi)采工藝和工作面布置與緩斜煤層不同，煤層傾角越大，上覆巖層作用在殘留煤柱沿傾向向下的分力以及殘留煤柱自身重力沿傾向向下的分力則越大。由殘留煤柱賦存結(jié)構(gòu)可以看出，殘留煤柱受頂?shù)装宓膴A持作用，正上方以及前后均為采空區(qū)，當(dāng)+495水平B3+6煤層回采穿過(guò)殘留煤柱時(shí)，其正下方也將成為采空區(qū)，此時(shí)則可將殘留煤柱視為一個(gè)塊體。當(dāng)作用在殘留煤柱沿傾向向下的合力大于頂?shù)装鍖?duì)其摩擦力的合力時(shí)，殘留煤柱將沿傾向產(chǎn)生下挫運(yùn)動(dòng)，發(fā)生滑移失穩(wěn)，從而誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害，殘留煤柱滑移失穩(wěn)力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 殘留煤柱滑移失穩(wěn)力學(xué)簡(jiǎn)化模型

在不考慮水平應(yīng)力的前提下，殘留煤柱受頂板側(cè)上覆巖層非均布載荷q1(x)的作用，設(shè)其合力為F1，殘留煤柱傾角為α，則F1沿殘留煤柱切向分量為F1sinα，法向分量為F1cosα；設(shè)殘留煤柱受上分段采空區(qū)充填體均布載荷q2的作用，設(shè)其合力為F2，則F2沿殘留煤柱切向分量為F2sinα，法向分量為F2cosα；設(shè)G為殘留煤柱的重力，則重力沿殘留煤柱切向分量為Gsinα，法向分量為Gcosα；設(shè)頂板側(cè)圍巖對(duì)殘留煤柱的摩擦力為f1，摩擦系數(shù)為μ1，底板側(cè)圍巖對(duì)殘留煤柱的摩擦力為f2，摩擦系數(shù)為μ2；殘留煤柱受底板側(cè)圍巖沿法向均布載荷q3的作用，設(shè)其合力為F3。則當(dāng)殘留煤柱發(fā)生滑移失穩(wěn)時(shí)有如下關(guān)系

(1)

將(1)式進(jìn)行化簡(jiǎn)最終可以得到

(2)

式中F1，G，F(xiàn)2都是恒大于零的常數(shù)，煤層傾角α為87°，則分子是恒小于零的常數(shù)，要使式(2)恒成立，分母恒大于零時(shí)則等式恒成立，可以得到

α>arctan(μ1+μ2)

(3)

當(dāng)α>arctan(μ1+μ2)時(shí)殘留煤柱將產(chǎn)生下挫運(yùn)動(dòng)，發(fā)生滑移失穩(wěn)，從而誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。

2.2 殘留煤柱應(yīng)力場(chǎng)分布特征

為了獲得隨+495水平B3+6煤層回采穿過(guò)殘留煤柱時(shí)，殘留煤柱的應(yīng)力演化特征，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算與分析，模型如圖3所示。煤層傾角為87°，B3+6煤層厚度為40 m，B1+2煤層厚度為30 m，直接頂、直接底厚度為8 m，殘留煤柱高為86 m，層間巖柱厚度為50 m，模型尺寸為246 m×50 m×250 m(X×Y×Z)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣及巖體力學(xué)特性，選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，沿Y方向推進(jìn)。在X方向施加梯度水平應(yīng)力模擬構(gòu)造應(yīng)力對(duì)頂?shù)装寮懊簩拥膲毫Γㄟ^(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

圖4為+495水平B3+6煤層回采穿過(guò)殘留煤柱時(shí)，殘留煤柱垂直應(yīng)力與應(yīng)力分布矢量特征。從圖4(a)可以看出，隨+495水平B3+6煤層工作面的推進(jìn)，殘留煤柱、B1+2煤層局部區(qū)域在垂直方向上都出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力升高特征；隨工作面的走向推進(jìn)，殘留煤柱懸空面積會(huì)隨之增大，將會(huì)促使殘留煤柱下方未采煤體應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增大；當(dāng)殘留煤柱在垂直方向上的應(yīng)力超過(guò)其承載能力時(shí)，將會(huì)發(fā)生剪切滑移破壞，從而誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害；殘留煤柱的存在致使+495水平B3+6煤層工作面頂板相對(duì)于殘留煤柱呈現(xiàn)出應(yīng)力降低特征，頂板不易發(fā)生變形，易形成懸空頂板，當(dāng)懸空頂板突然垮落時(shí)，將誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。從圖4(b)可以看出，殘留煤柱將B3+6煤層上覆巖層的作用力傳遞到了層間巖柱上，即B1+2煤層的頂板上，使得B1+2煤層頂板處局部范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力強(qiáng)度顯著增大。殘留煤柱不僅對(duì)+495水平以及+495水平以下B3+6煤層的安全開(kāi)采有重要影響，還對(duì)鄰近B1+2煤層的安全高效開(kāi)采產(chǎn)生重要影響。因此，必須有效削減殘留煤柱儲(chǔ)存的應(yīng)力強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

圖4 殘留煤柱應(yīng)力分布特征

3 殘留煤柱動(dòng)力災(zāi)害防治

3.1 防治措施

殘留煤柱的滑移失穩(wěn)以及其所產(chǎn)生的應(yīng)力集中，極易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。工作面的推進(jìn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道變形破壞嚴(yán)重，為了降低動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生頻率，確保工作面的安全高效開(kāi)采，提出了如圖5所示的殘留煤柱分段深孔爆破弱化的卸壓措施。利用東三采區(qū)各分段石門(mén)作為爆破工藝巷，對(duì)東三采區(qū)殘留煤柱從+590到+518水平自上而下進(jìn)行分段深孔爆破。在+590水平石門(mén)布置10排炮孔，排距5m，每排5個(gè)炮孔，總裝藥量25.6 t；+564水平石門(mén)布置7排炮孔，排距為7 m，每排6個(gè)炮孔，總裝藥量57.6 t；+541水平石門(mén)布置8排炮孔，排距為7 m，每排7個(gè)炮孔，總裝藥量55.2 t；+518水平石門(mén)布置11排炮孔，排距為5 m，每排11個(gè)炮孔，總裝藥量67.6 t。

圖5 殘留煤柱分段深孔爆破炮孔剖面

3.2 現(xiàn)場(chǎng)綜合實(shí)測(cè)及效果評(píng)價(jià)

為了確定防治措施的作用效果，在對(duì)殘留煤柱實(shí)施分段深孔爆破卸壓后，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鉆孔窺視儀、地質(zhì)雷達(dá)、電磁輻射儀對(duì)+495水平工作面前方待采煤體和殘留煤柱進(jìn)行了綜合實(shí)測(cè)。

為了查看殘留煤柱實(shí)施卸壓措施后，其內(nèi)部的裂隙發(fā)育特征，在+495水平B3巷超前工作面15 m處，通過(guò)鉆孔窺視儀對(duì)殘留煤柱進(jìn)行鉆孔監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方案如圖6(a)所示，圖6(b)為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?，0～20 m處孔內(nèi)煤壁相對(duì)完整，此處為+495水平待采頂煤，未進(jìn)行深孔爆破；20～30 m處孔內(nèi)煤壁出現(xiàn)大量裂隙，孔壁較為破碎；30～45 m處孔內(nèi)煤壁破碎程度最為嚴(yán)重，說(shuō)明深孔爆破卸壓措施有效致裂了殘留煤柱。

地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)發(fā)射高頻電磁脈沖波和接收反射波來(lái)形成探測(cè)圖像。完整煤體和破碎煤體的介電常數(shù)存在明顯差異性，即存在明顯的分界面，則發(fā)射波遇到不同的分界面將會(huì)產(chǎn)生不同的反射波。在+495水平B6巷超前工作面15 m處，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)殘留煤柱進(jìn)行測(cè)深60 m、走向測(cè)距100 m的平面立體探測(cè)，探測(cè)方案如圖7(a)所示，圖7(b)為現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?，在測(cè)深0～5 m范圍內(nèi)探測(cè)圖以紫色、綠色和紅色交錯(cuò)分布，表明此處煤體已發(fā)生破碎，但破碎程度較小，為巷道塑性區(qū)范圍；5～20 m范圍內(nèi)探測(cè)圖以紅色為主，相對(duì)均勻分布，表明此處煤體較為完整，裂隙發(fā)育較小，因?yàn)榇朔秶饕?495水平待采頂煤，未進(jìn)行深孔爆破；20～50 m范圍內(nèi)探測(cè)圖以綠色、黃色和紫色交錯(cuò)分布，顏色變化復(fù)雜且變化程度最大，表明此處煤體破碎程度最為嚴(yán)重，進(jìn)一步說(shuō)明了卸壓措施有效的致裂了殘留煤柱。

煤巖體內(nèi)部應(yīng)力越大，變形破裂程度將越大，則變形破裂所釋放的電磁輻射能量也就越高，電磁輻射強(qiáng)度與煤巖體內(nèi)部應(yīng)力成正比關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)采用KBD-5電磁輻射儀對(duì)+495水平工作面前10～50 m范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，在B6和B3巷各布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距10 m，測(cè)點(diǎn)隨工作面的推進(jìn)保持隨動(dòng)狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)布置方案如圖8(a)所示，圖8(b)為31 d的現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果。可以看出，深孔爆破卸壓后，工作面前方待采煤體電磁輻射強(qiáng)度值明顯下降，每天平均強(qiáng)度值小于30 mV，每天強(qiáng)度最大值小于45 mV，遠(yuǎn)小于未實(shí)施卸壓措施前，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害時(shí)的預(yù)警值80 mV，說(shuō)明卸壓措施有效降低了+495水平工作面前方待采煤體的應(yīng)力強(qiáng)度。

圖8 電磁輻射現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4 結(jié) 論

1)運(yùn)用塊體理論構(gòu)建了殘留煤柱滑移失穩(wěn)力學(xué)模型，得出當(dāng)作用在殘留煤柱沿傾向向下的合力大于頂?shù)装鍖?duì)其摩擦力的合力時(shí)，殘留煤柱將發(fā)生滑移失穩(wěn)，從而誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害，并獲得了殘留煤柱滑移失穩(wěn)的必要條件為α>arctan(μ1+μ2)。

2)隨工作面的推進(jìn)，殘留煤柱、B1+2煤層局部區(qū)域在垂直方向上出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力升高特征；殘留煤柱的存在將使B3+6煤層工作面的頂板側(cè)應(yīng)力降低，易形成懸空頂板；殘留煤柱起到了應(yīng)力傳遞的作用，使B1+2煤層頂板處局部范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視儀、地質(zhì)雷達(dá)、電磁輻射儀綜合實(shí)測(cè)結(jié)果表明：殘留煤柱分段深孔爆破卸壓措施效果顯著，成功解除了由于上覆殘留煤柱應(yīng)力集中而可能導(dǎo)致工作面回采過(guò)程中發(fā)生的動(dòng)力災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)破壞過(guò)程中儲(chǔ)能的改變與轉(zhuǎn)移。