淺埋深蹬空底板煤柱群動態失穩機理及防治

馮國瑞，朱衛兵，李 竹，白錦文，羅澤強

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.山西省綠色采礦工程技術研究中心，山西 太原 030024；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

我國中西部礦區煤炭資源儲量豐富，開采初期限于開采技術和采掘設備水平，采煤方法多為房柱式開采，且呈現出采厚棄薄、采肥丟瘦、采優棄劣和采易棄難特點。隨著礦井煤炭資源日益枯竭，殘煤復采成為提升礦井資源采出率和實現“精細化采煤”的重要手段，解放受老采空區遺留煤柱影響的整層棄煤逐步成為研究重點。研究層間巖層采動穩定性判別方法、煤柱失穩機理、煤柱群中各煤柱“多米諾骨牌式”鏈式失穩特征及其動態失穩時序，探索科學開采方法并構建安全復采技術體系是殘煤復采的關鍵所在。

針對該領域，國內外學者對單個煤柱的力學性能開展研究，提出了評價煤柱強度的經驗公式和評估煤柱穩定性安全系數的確定方法，促進了對煤柱失穩模式和加固方法領域的研究與實踐。事實上，煤柱作為多孔且裂隙發育介質，因膠結弱面、礦井水侵蝕以及采動影響的作用，其承載能力逐步劣化并最終破壞失穩，國內外許多煤礦深受煤柱群下如何安全開采的困擾，一旦煤柱群大面積失穩，易造成下煤層工作面壓架和地面大范圍塌陷。周子龍等分析了循環載荷作用下煤柱群體系的承載特性及疲勞損傷機理，提出了煤柱群穩定性判別方法及降低煤柱群失穩風險的有效措施。朱德福等等采用重整化群的方法，研究揭示了采動影響下煤柱群應力集中區和釋放區的位置及范圍。朱衛兵等通過高清攝像機取幀技術，分析了相似模擬中近距離下煤層開采上覆煤柱群的動態失穩過程，再現了煤柱群中各個煤柱破壞形式及其“多米諾骨牌式”鏈式失穩時序特征。筆者等提出了遺留煤柱群鏈式失穩的“關鍵柱”理論，認為遺留煤柱群的整體失穩的根本原因是遺留煤柱群中“關鍵柱”的失穩，進而引起覆巖載荷轉移誘發鄰近煤柱聯動失穩。白錦文等提出了關鍵柱柱旁充填巖層控制的技術方法,并揭示了關鍵柱柱旁充填巖層控制的核心機理。

縱觀已有研究成果，有關底板煤柱群安全復采工程技術方面的研究鮮有報道。筆者結合山西元寶灣煤礦淺埋深工作面蹬空復采案例，綜合實驗室強度測試實驗、物理模擬、相似模擬及現場實測方法，研究底板煤柱群應力分布及其破壞特征，提出柱式采空區封閉灌漿充填方法，確定底板蹬空安全復采的臨界充填高度，為類似條件下殘留煤柱資源的安全開采提供借鑒。

1 工作面概況

山西省元寶灣煤礦6107工作面寬度240 m，推進長度500 m，主采6號煤層，平均厚度3 m，傾角4°～8°，埋深150 m。6107工作面下方為9號煤層房采區，實測底板蹬空區長度普遍為25～50 m，寬度5～15 m，高度5～8 m，9號煤層巷道寬度2.5～5.0 m，高度2.2～4.0 m，6107工作面上方的4號煤層同樣為房采區，遺留柱采區寬度7～30 m，高度3～6 m，長度30～60 m，物探發現遺留柱采區頂板較為完整，僅部分區域出現垮落，6107工作面頂底板采掘情況，如圖1所示，如何實現6107工作面蹬空階段的安全復采是亟待解決的重大技術難題。

圖1 6107工作面上下柱采區對照Fig.1 Pillar and goaf area overlying and underlying 6107 working face comparison diagram

2 蹬空開采底板煤柱承載及變形特征

2.1 力學模型

根據6107工作面開采現狀，將蹬空階段地質條件簡化，如圖2所示。其中，為上煤層工作面采高，m；為下煤層工作面采高，m；為底板煤柱寬度，m；為煤柱間距，m。層間巖層厚度取15 m，下煤層殘留工作面采高為8 m，各煤柱間距30 m，煤柱寬度為10 m。根據類似開采條件下工作面超前影響范圍的研究成果，結合6107工作面采高及巖層柱狀，推測該工作面超前影響最大范圍為60 m。因此，圖2所示工作面超前應力增高區波及底板2個煤柱，即2,3號煤柱處于超前應力增高區，4號處于過渡區，而5～7號煤柱處于原巖應力區。

圖2 試驗工作面蹬空開采示意Fig.2 Schematic diagram of kick-off mining in test working face

鑒于圖2試驗工作面蹬空開采模型屬于“多跨連續梁”的超靜定結構，包含了7個殘采房式煤柱和2個半無限邊界煤柱。為了便于分析計算，將圖2中的蹬空開采覆巖結構，簡化為左右邊界為固支，中間均勻布設7個彈簧支撐結構，如圖3所示。其中，為煤壁處支承應力，MPa；為工作面支承應力峰值，MPa；為原巖應力，MPa。每個彈簧代表圖2中對應位置的底板煤柱。

圖3 多跨連續梁示意Fig.3 Schematic diagram of multi-span continuous beam

認清底板煤柱的載荷分布規律是評價底板煤柱穩定的先決條件。通過結構力學求解器SMSolver，首先，求解各個彈簧支撐的壓縮量；其次，彈簧支撐點作為煤柱的中心支撐點，考慮到煤柱寬度為10 m，間隔1 m提取中心支撐點左、右兩側各5 m的下沉數據。在此基礎上，考慮到6107工作面開采前底板煤柱彈性核區占比較大且仍處于穩定狀態，將底板煤柱頂界面下沉數據除以煤柱高度獲得煤柱壓縮應變，該應變乘以彈性模量，獲得煤柱頂界面垂直壓應力。結果表明，底板各煤柱頂界面垂直壓應力分布近似呈線性非均勻分布狀態，以6107工作面下伏柱采區1，2，3號煤柱為例，3者頂界面垂直載荷分布形式如圖4所示。

圖4 底板煤柱頂界面垂直壓應力分布形態Fig.4 Stress distribution of floor coal pillar top interface

基于此，建立頂界面載荷非均勻分布條件下煤柱內應力計算力學模型，依據各煤柱內應力計算結果，結合第四強度理論，深入探究各煤柱內應力分布規律。如圖5所示，其中，為底板煤柱頂界面左端應力，MPa；為底板煤柱頂界面右端應力，MPa；為煤柱內任一點正應力，MPa；為煤柱內任一點切應力，MPa。

圖5 煤柱頂界面應力分布示意Fig.5 Stress distribution diagram of coal pillar top interface

設圖5中煤柱內Airy應力函數為

=+++

(1)

可得各應力分量為

(2)

式中，，，，為待定系數。

根據上述邊界條件，可得待定系數，，，計算結果為

(3)

2.2 內應力分布規律

房采煤柱因上覆頂板巖層不均勻下沉而呈現偏心壓縮現象，斜切變形是導致煤柱發生屈服及破壞的主要形式。依據第四強度理論，由主應力求解煤柱內部各點Mises等效應力可更為準確地表征煤柱是否發生塑性破壞，相關參數取值中超前應力集中系數為2，工作面埋深為150 m，地層巖石容重取25 000 N/m，故=3.75 MPa，=7.00 MPa；峰值距煤壁距離為10 m。煤柱彈性模量2 GPa，層間巖層彈性模量25 GPa，層間巖梁厚度取平均值15 m且為單位寬度，煤柱寬度10 m，煤柱高度8 m，以2，3號煤柱和5，6號煤柱為例，其內應力分布形態如圖6所示。

(4)

式中，為等效應力，MPa；，，分別為第1、第2、第3主應力，MPa。

圖6 底板各煤柱Mises等效應力分布Fig.6 Distribution of Mises equivalent stress of coal pillars in floor and the division of dangerous areas

如圖6所示，在超前支承壓力作用下，2，3，5，6號各煤柱的左上角和右上角均出現不同程度的應力集中，但2，3號煤柱應力集中差異程度更大，2號煤柱的右上角以及3號煤柱的左上角是易發生破壞的危險區域，其斜切破壞趨勢更為明顯；而5，6號煤柱左上角和右上角應力集中程度基本一致，表明5，6號煤柱趨近于均勻壓縮狀態，煤柱內部各點等效應力基本保持一致，處于尚未破壞的狀態。

3 煤柱破壞形式及柱群失穩擴展規律

3.1 相似材料物理力學參數測試

在掌握底板煤柱因頂板非均勻下沉和載荷非均勻分布導致斜切破壞的基礎上，通過相似模擬研究，進一步探究底板煤柱群的動態失穩次序。根據試驗工作面覆巖關鍵層判別結果，將全部地層簡化為關鍵層1，2，3、煤層及軟巖5種巖層。針對這5種巖性進行實驗，獲得符合要求的實驗材料配比。制作的標準試件如圖7(a)所示。不同配比對應的應力應變曲線如圖7所示，根據模擬實驗1∶160的應力相似比要求，配比1最為合適。

3.2 物理模擬方案

通過物理模擬研究近距離煤層開采上、下煤柱采區條件下層間巖層運動特征、柱群破壞失穩先后次序及其擴展規律，模型長度130 cm，寬度12 cm，高度63 cm。基于地層柱狀及相似材料強度測試結果，各巖層厚度及材料配比見表1。模型的幾何相似比1∶100，密度相似比1.0∶1.6，應力相似比1∶160。模型頂部采用鐵塊加載的方式對模型進行載荷補償，用以模擬150 m埋深。

圖7 實驗材料配比試件參數測定Fig.7 Experimental material proportioning specimen and parameter measurement

表1 相似模擬材料基本物理力學參數

6107工作面煤層開采前，先采4號煤層，煤柱寬度為5 cm，間距為5 cm；而后開采9號煤層，煤柱寬度為2 cm，間距為7 cm，如圖8所示。6號煤層開采時，兩側各留寬度為10 cm的煤柱，工作面每間隔10 min向前開采5 cm，模型開采過程中通過高速攝影技術進行實時記錄，以準確捕捉和再現煤柱破裂、失穩及巖層破斷運動的全過程。

圖8 物理模擬實驗方案Fig.8 Scheme diagram of physical simulation experiment

3.3 底板煤柱破壞形式及失穩時序

6107工作面回采過程中，物理相似模擬實驗很好地揭示了底板煤柱的破壞形式及底板煤柱群中“關鍵柱”的位置，對文獻[18]提出的關鍵柱理論起到重要支撐。當6107工作面推進距小于30 cm時，頂、底板煤柱群均能夠保持穩定狀態。當6107工作面推進60 cm時，基本頂懸空段中部產生張拉裂隙，此時煤柱出現較大變形，但仍能保持完好和穩定。通過高速攝像機逐幀分析，可以發現頂板巖層產生了明顯的非均勻下沉特征，且層間巖層的非均勻下沉對9號煤層柱采區中遺留煤柱產生了顯著的斜切作用，使底板煤柱剝落體產生旋轉下落的現象，如圖9所示。6107工作面開采過程中，上、下煤柱群失穩及覆巖破斷運動過程如圖10所示。

結果表明，煤柱裂隙發育、剝落至整個煤柱群失穩可分為5個階段：

(1)煤柱均勻承載壓密階段。中層遺煤開采前，層間巖層基本處于未采動狀態，呈現整體彎曲下沉的現象，各煤柱頂界面載荷近似于均勻分布，如圖10(a)所示。

(2)煤柱非均勻承載階段。伴隨著中層遺煤工作面向前推進，底板煤柱逐步過渡為非均勻承載狀態，且非均勻承載隨工作面推進愈發顯著，如圖10(b)所示。

(3)關鍵柱破壞失穩階段。當工作面推進至60 cm時，超前支承壓力影響下底板煤柱非均勻承載達最大化，此時距工作面最近的底板煤柱率先失穩，如圖10(c)，(d)所示。

(4)失穩載荷雙向傳遞階段。關鍵柱失穩后，上覆載荷快速向前、后鄰近煤柱傳遞，誘發鄰近煤柱的破壞及失穩，覆巖載荷雙向傳遞特征如圖10(e)所示。

(5)煤柱群整體失穩階段。伴隨著覆巖載荷急速地在底板煤柱群中雙向傳遞，整個煤柱群形成以“關鍵柱”為中心“多米諾骨牌式”鏈式失穩特征，如圖10(f)所示。

圖9 物理模擬中破壞失穩煤柱剝落體運動特征Fig.9 Movement characteristics of failure pillar fractured bodies in physical simulation

圖10 中層遺煤頂底板柱采區煤柱動態失穩過程Fig.10 Dynamic collapse process of coal pillars in middle residual coal roof and floor

4 充填率對煤柱穩定性的影響規律

上述研究結果表明，6107工作面蹬空開采過程中，若不對底板煤柱進行加固，勢必導致工作面及超前煤巖體塌陷事故。為此，提出對底板柱采區進行注漿充填，注漿固結體對底板煤柱形成側向夾持作用，抑制底板煤柱塑性區擴展并提高煤柱承載能力，以此確保6107工作面安全回采。

4.1 充填體對煤柱彈塑性擴展的抑制效應

根據文獻[17]統計結果，當煤柱彈性核區占比達35%～40%時，可認為煤柱處于穩定狀態。為確保6107工作面安全復采，以40%作為煤柱臨界失穩判定標準。借助9號煤層煤柱煤樣應力應變測試結果對模擬參數進行標定，如圖11(a)，(b)所示。以4號煤柱為例，充填體高度對底板煤柱彈塑性擴展的影響規律如圖11(c)～(h)所示。

圖11 煤體模擬參數標定及充填體高度對煤柱塑性區擴展的抑制效應Fig.11 Inhibition effect on plastic zone expansion due to calibration of coal simulation parameters and backfilling body height

由圖11可知，在9號煤層柱采區未充填時，4號底板煤柱塑性區完全貫通，其破壞失穩勢必導致整個煤柱群失穩及工作面人員、采掘設備及超前煤巖體的大面積塌陷。隨著充填體高度的增加，受充填體的側向夾持作用，底板煤柱彈性核區占比快速提升。當充填體高度達到6 m時，煤柱彈性核區占比達60%。表明隨著充填體高度的增加，充填體對煤柱塑性區擴展形成強力的抑制效應，提高了底板煤柱的承載能力。

4.2 臨界充填高度及蹬空開采安全評價

當充填體高度為6 m，即不接頂高度為2 m時，可確保6107工作面安全復采。為此，通過相似模擬研究不接頂高度2 m時底板煤柱穩定性，以佐證數值模擬結果。為確保充填效果，充填材料被制作成類牙膏稠度狀態，以避免漿液漏失及浸泡弱化底板煤柱，在柱式采空區前后安裝擋板，隨之在柱采區中進行了注漿充填，待充填材料固結后撤去擋板，如圖12所示。

結果表明，雖然仍有2 m不接頂高度，但下煤層煤柱與充填體膠結良好，充填部分的煤柱從單軸受力變成二軸受力，減小了底板煤柱承載高度，極大提升了煤柱的穩定性。這意味著當充填體高度為6 m時，可有效確保6107工作面中層遺煤的安全復采。

圖12 下煤層柱采區充填后巖層運動及煤柱穩定性Fig.12 Strata movement and pillar stability after backfilling of underlying pillar mining area

5 蹬空段充填效果實測及評價

5.1 充填效果觀測

基于前述研究成果，在開采前對9號煤層柱采區進行地面鉆孔注漿充填，注漿完成后鉆孔并未封閉，利用鉆孔電視設備在未封閉的5，13號鉆孔內對9煤層柱采區的充填情況進行窺視，鉆孔窺視方案如圖13所示。

鉆孔窺視發現：5號鉆孔電視下探至-161 m到達9號煤層柱采區，如圖14(a)所示，繼續下探至-163 m見充填區積水面，如圖14(b)所示，此處柱采區充填未接頂高度約為2 m，充填效果較好；13號鉆孔電視下探至-164 m見鉆孔坍塌位置，如圖14(c)所示，繼續下探至-168 m見充填區積水面，如圖14(d)所示，表明此處尚存在高度約4 m的未充實區域，推測13號孔附近柱采區充填效果一般，近4 m的充填未接頂空洞將對6107工作面的安全回采造成影響。

5.2 柱采區充填未接頂防治對策

在6107工作面推進至5號鉆孔對應位置時，鑒于充填體高度已達6 m，未接頂高度僅為2 m，底板煤柱承載能力較強，6107工作面未采取任何措施得以安全推過。而在6107工作面推進至13號鉆孔對應位置時，在工作面前方發現由于9號煤層柱采區充填不接頂及頂板垮落形成的空洞區域，其長度約10 m，寬度5～6 m，高度1～3 m，空洞垮塌范圍貫穿9號煤層與6號煤層的層間巖層，且6號煤層也發生局部垮落，迫使6107工作面短暫停止回采。針對上述情況，采用工作面采煤機割落的煤塊，再填上少量廢舊工字鋼對工作面前方空洞區域進行充填，最終確保工作面液壓支架安全移架，安全采出后續煤炭資源。

圖13 窺視孔位置及鉆孔窺視方案Fig.13 Borehole location and borehole peeping scheme diagram

圖14 鉆孔窺視結果Fig.14 Borehole peeping result diagram

6 結 論

(1)揭示了底板煤柱偏心壓縮條件下破壞形式及運動規律，9號煤層柱采區若在未充填情況下，蹬空開采階段的底板煤柱將成為承載地基，導致其內應力急劇增大，且由于層間巖層的非均勻下沉，易導致底板煤柱產生偏心壓縮現象，使得煤柱剝落體呈現出旋轉下沉的運動特征，最終會造成底板煤柱發生斜切破壞。

(2)揭示了底板煤柱群破壞失穩次序，底板煤柱群失穩次序呈現出“關鍵柱”率先失穩，覆巖載荷雙向傳遞，煤柱群“多米諾骨牌式”雙向鏈式失穩特征。整個底板房柱式采空區中，則呈現出以“關鍵柱”為輻射中心，由內向外多向輻射的波狀失穩現象。

(3)研究確定6107工作面蹬空段安全復采底板煤柱群臨界充填高度為6 m，并得到了現場實測的驗證。5號鉆孔區域充填體達到6 m，不接頂高度為2 m，工作面實現了安全回采；13號鉆孔區域充填不接頂高度為4 m，工作面蹬空開采存在塌陷風險。現場采用局部強化充填底板空洞的方法，確保了6107工作面的安全回采。

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