韓 磊，馮旭陽(yáng)，陸銀龍

(1.山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030006；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

在煤礦工作面回采過(guò)程中，采場(chǎng)周圍空間應(yīng)力分布出現(xiàn)劇烈變化，即采動(dòng)應(yīng)力。準(zhǔn)確掌握采場(chǎng)周圍煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)護(hù)巷煤柱留設(shè)以及巷道布置與支護(hù)設(shè)計(jì)具有參考意義。由于實(shí)際工程中煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，采用現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模原位監(jiān)測(cè)手段來(lái)獲得工作面周圍采動(dòng)應(yīng)力分布情況往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力；而數(shù)值模擬方法由于其具有操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，目前已成為研究采動(dòng)應(yīng)力分布的一種重要手段與方法[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多利用基于摩爾-庫(kù)倫模型的FLAC3D數(shù)值模擬方法來(lái)研究工作面周圍采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律。盡管摩爾-庫(kù)倫模型能反映煤巖體在屈服時(shí)與平均應(yīng)力和偏應(yīng)力間相關(guān)的特性，但是該模型不能體現(xiàn)主應(yīng)力對(duì)煤巖體屈服和破壞后力學(xué)特性的影響，因而無(wú)法準(zhǔn)確描述煤巖體破壞后的應(yīng)力跌落的特征[5]。因此，采用基于摩爾-庫(kù)倫模型的FLAC3D數(shù)值模擬方法難以有效模擬工作面回采過(guò)程中由于頂板垮落而導(dǎo)致的采動(dòng)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，與實(shí)際情況存在較大差別。

針對(duì)這一數(shù)值模擬技術(shù)的瓶頸，一種較好的解決思路是采用應(yīng)變軟化(SS)模型來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的摩爾-庫(kù)倫(MC)模型。SS模型是通過(guò)弱化煤巖體峰后的黏聚力與內(nèi)摩擦角來(lái)實(shí)現(xiàn)描述煤巖體峰后變形屈服的過(guò)程[6]。王治文等[7]通過(guò)FLAC3D研究了堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破的方案及參數(shù)；陸銀龍等[6]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了軟弱巖石峰后軟化力學(xué)參數(shù)的變化；周家文等[8]、劉新義等[9]采用應(yīng)變軟化模型等方法研究了深埋隧道圍巖應(yīng)變軟化效應(yīng)；肖旺等[10-11]、汪雷[12]基于應(yīng)變軟化模型考慮了巖石峰后特性，研究了隧道圍巖錨桿錨固力學(xué)效應(yīng)。但是現(xiàn)有研究仍主要集中于巷道圍巖控制研究方面，對(duì)工作面的采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律沒有精細(xì)研究。

因此，本文以山西經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角08工作面的具體工程地質(zhì)概況與生產(chǎn)技術(shù)條件為背景，分別建立了基于MC模型和SS模型的綜放工作面煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律精細(xì)化數(shù)值計(jì)算模型，研究?jī)煞N模型下采空區(qū)周圍的采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律，并在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證。

1 工程地質(zhì)概況

山西經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角08工作面長(zhǎng)1 047～1 166 m，寬199.75～224.70 m，地表標(biāo)高+950～+952 m，底板標(biāo)高+680～+730 m，平均埋深246 m，工作面平面布置圖如圖1所示。依據(jù)3-邊角091順槽支護(hù)設(shè)計(jì)，3-邊角091順槽預(yù)留煤柱20 m，順槽斷面為矩形，寬度5.2 m，高度3.1 m，沿3#煤層的底板掘進(jìn)。3-邊角08工作面煤層厚度6.3 m，黑色，塊狀，中厚層，參差斷口，屬半亮型煤；直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚度1.2 m，厚層狀；基本頂為淺灰色的細(xì)粒砂巖，厚度6.1 m，厚層狀，石英為主；直接底為灰黑色泥巖，厚度0.84 m，厚層狀；基本底為灰色細(xì)粒砂巖，厚度3.85 m，薄層狀，石英為主。3-邊角08工作面煤層及頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖2所示。3-邊角091順槽與3-邊角08工作面在實(shí)際工程中將出現(xiàn)對(duì)穿現(xiàn)象，即“迎采送掘”，因此3-邊角091順槽屬于綜放強(qiáng)動(dòng)壓回采巷道。為了有效控制這類迎采送掘巷道圍巖穩(wěn)定，需要對(duì)這類工作面采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。本文進(jìn)行了采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并采用三維數(shù)值模擬的手段對(duì)煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律精細(xì)化數(shù)值模擬，對(duì)結(jié)果對(duì)比分析，為受3-邊角08工作面回采強(qiáng)動(dòng)壓影響的巷道的圍巖控制提供了理論依據(jù)。

圖1 經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角08工作面采掘平面圖

圖2 經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角08工作面綜合柱狀圖

2 基于鉆孔應(yīng)力計(jì)的煤柱采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

2.1 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

為掌握經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角08工作面的礦壓顯現(xiàn)與支承壓力分布規(guī)律，采用智能鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)煤柱采動(dòng)應(yīng)力的變化，如圖3所示。 該智能鉆孔應(yīng)力計(jì)的量程范圍為0～20 MPa，采用無(wú)線自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

圖3 智能鉆孔應(yīng)力計(jì)

鉆孔應(yīng)力計(jì)的布置方案如圖1所示。由圖1可知，鉆孔監(jiān)測(cè)布置在相鄰工作面的3-邊角091順槽中。相比于布置在3-邊角081順槽中，在3-邊角091順槽可以監(jiān)測(cè)3-邊角08工作面后方的采動(dòng)應(yīng)力。共布置3個(gè)測(cè)站，間距20 m，每個(gè)測(cè)站安置2個(gè)應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)安裝深度分別為5 m、7 m、10 m、12 m、15 m、18 m；打鉆孔時(shí)鉆孔直徑Φ44～45 mm，與水平面保持10°傾角，鉆孔平整無(wú)煤渣。應(yīng)力計(jì)安放到鉆孔內(nèi)時(shí)，承壓端面(即油枕油盒上有斜方鍵條的一面)朝上放置，對(duì)煤體應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用上述鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)得到了3-邊角08工作面從距離測(cè)點(diǎn)50 m至工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)后100 m范圍內(nèi)的采動(dòng)應(yīng)力(k)變化規(guī)律，如圖4所示，其中，k為鉆孔應(yīng)力計(jì)的讀數(shù)/鉆孔應(yīng)力計(jì)初始油壓。從圖4中可以看出，在工作面前方40 m處，煤柱開始受到工作面超前支承壓力的影響；隨著工作面的推進(jìn)，煤柱采動(dòng)應(yīng)力逐漸增大；在工作面后方50 m處，采動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值，為3.19倍的初始值；隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，距離工作面超過(guò)50 m后，采動(dòng)應(yīng)力逐漸減小。

圖4 采動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律的鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 采動(dòng)應(yīng)力分布的精細(xì)化數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

基于山西經(jīng)坊煤業(yè)3-邊角08工作面具體工程地質(zhì)條件，利用FLAC3D軟件建立了此工作面的精細(xì)化三維數(shù)值模型，如圖5所示。 模型尺寸為280 m×300 m×63 m，網(wǎng)格劃分為226 800個(gè)單元，分別采用MC本構(gòu)模型和SS本構(gòu)模型。模型上邊界受上覆巖層載荷作用，大小為4.5 MPa，底部、兩側(cè)邊界為約束法向位移，水平方向的側(cè)壓系數(shù)分別取為1.2和0.8。工作面切向長(zhǎng)度為200 m，分步開挖，每步20 m。為模擬采空區(qū)頂板垮落壓實(shí)情況，在開挖完成后，每20 m采用屬性較弱的材料重新充填一次。MC本構(gòu)模型各巖層所用的計(jì)算參數(shù)見表1，SS本構(gòu)模型軟化參數(shù)見表2。

圖5 3-邊角08工作面的三維數(shù)值模型

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 SS本構(gòu)模型軟化參數(shù)

3.2 基于MC模型的數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖6為基于MC本構(gòu)模型的工作面推進(jìn)20 m、100 m、 160 m、 200 m時(shí)， 煤層3 m高處切面上垂直應(yīng)力分布云圖， 工作面推進(jìn)方向?yàn)閅軸負(fù)方向。圖7為基于MC模型的工作面推進(jìn)200 m時(shí)的垂直應(yīng)力三維分布圖。由圖6和圖7分析可得出以下結(jié)論。

圖6 基于MC模型的工作面推進(jìn)過(guò)程中垂直應(yīng)力演化云圖

圖7 基于MC模型的工作面推進(jìn)200 m時(shí)垂直應(yīng)力分布三維圖

1) 工作面回采前，煤層的原巖應(yīng)力約為5.2 MPa；工作面推進(jìn)200 m后， 煤柱上的支承壓力最大值為28.9 MPa，約為5.6倍的原巖應(yīng)力。煤柱上的側(cè)向支承壓力沿工作面走向?qū)ΨQ分布，峰值位于采空區(qū)中部位置，呈現(xiàn)中間高兩邊低的特點(diǎn)。工作面超前支承壓力最大值約為24.4 MPa，為4.7倍原巖應(yīng)力。

2) 在工作面推進(jìn)過(guò)程中，超前支承壓力最大值始終位于工作面前方5 m左右，工作面超前支承壓力影響范圍為35～40 m；距離采空區(qū)6 m處為側(cè)向支承壓力峰值，煤柱側(cè)向支承壓力增高區(qū)范圍約為35 m。

3) 采用MC本構(gòu)模型計(jì)算時(shí)，煤柱上側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力峰值始終處于采空區(qū)的中部，不能反映采空區(qū)頂板垮落破斷對(duì)采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律的影響。

3.3 基于SS模型的數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖8為基于SS本構(gòu)模型的工作面推進(jìn)20 m、100 m、160 m、200 m時(shí)，煤層3 m高處切面垂直應(yīng)力分布云圖；圖9為工作面推進(jìn)200 m時(shí)的垂直應(yīng)力三維分布圖。 由圖8和圖9分析可得出以下結(jié)論。

圖8 基于SS模型的工作面推進(jìn)過(guò)程中垂直應(yīng)力演化云圖

圖9 基于SS模型的工作面推進(jìn)200 m時(shí)垂直應(yīng)力分布三維圖

1) 工作面回采前，煤層的原巖應(yīng)力約為5.2 MPa；工作面推進(jìn)200 m時(shí)，煤柱上的側(cè)向支承壓力最大值為16.4 MPa，約為3.2倍的垂直應(yīng)力，比MC模型最大支承壓力小約43.3%。工作面超前支承壓力最大值約為18 MPa，為3.5倍原巖應(yīng)力，比MC模型工作面超前支承壓力小約26.2%。

2) 采用SS本構(gòu)模型計(jì)算時(shí)，煤柱上的側(cè)向支承壓力峰值位于工作面后方30～40 m的位置，超前支承壓力最大值在工作面前方10 m左右，工作面超前支承壓力影響范圍約為40 m；側(cè)向支承壓力峰值位于距離采空區(qū)5～6 m處，煤柱側(cè)向支承壓力增高區(qū)約為30 m。

圖10為基于SS模型的煤柱上不同切面高度支承壓力分布曲線。由圖10可知，煤柱上的支承壓力在3 m處最大，為16.84 MPa，比底面支承壓力高出21.3%。應(yīng)力峰值位置隨著切面高度的增加，略微向工作面方向靠近。

圖10 煤柱上不同切面高度支承壓力分布曲線

3.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

圖11為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、MC模型及SS模型數(shù)值模擬結(jié)果的正則化采動(dòng)應(yīng)力對(duì)比圖。由圖11可知，SS模型模擬結(jié)果比MC模型更接近于實(shí)測(cè)結(jié)果；傳統(tǒng)的MC模型模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)有著較大差異，并不能準(zhǔn)確地反映工作面推進(jìn)過(guò)程中的支承壓力分布情況。MC模型采動(dòng)應(yīng)力分布更加向采空區(qū)中部附近轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致采空區(qū)中部出現(xiàn)非常高的應(yīng)力峰值；而SS模型采動(dòng)應(yīng)力分布更接近實(shí)際測(cè)量結(jié)果，應(yīng)力峰值在滯后工作面40～50 m附近。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、MC模型、SS模型正則化采動(dòng)應(yīng)力對(duì)比圖

4 結(jié) 論

1) 開展了煤柱側(cè)向支承壓力的鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，在工作面前方35～40 m處，煤柱開始受到工作面超前支承壓力的影響；隨著工作面的推進(jìn)，煤柱采動(dòng)應(yīng)力逐漸增大；在工作面后方40～50 m處，采動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值；此后隨著工作面推進(jìn)，采動(dòng)應(yīng)力逐漸減小。

2) 建立了基于MC模型和SS模型的綜放工作面推進(jìn)過(guò)程的精細(xì)化數(shù)值計(jì)算模型，獲得了兩種模型下煤柱的受力狀態(tài)分布特征。 基于MC模型的煤柱采動(dòng)應(yīng)力峰值位置始終處于采空區(qū)中部，不能反映采空區(qū)頂板垮落破斷對(duì)采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律的影響。

3) 與傳統(tǒng)的MC模型相比，基于SS模型的煤柱采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律更接近于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，煤柱上的側(cè)向支承壓力和工作面前方的超前支承壓力分別比MC模型的結(jié)果小43.3%和26.2%；煤柱上的支承壓力峰值位置滯后工作面40～50 m。