王沉 ，郭臣業(yè) ，張鈺，劉明發(fā)，虞志鋼，熊斌，李海洋，胡僑云

(1.重慶市能源投資集團(tuán)有限公司，重慶 400060；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.重慶能投工程技術(shù)有限公司，重慶 400060；4.中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320)

0 引言

復(fù)合頂板主要是由多層強(qiáng)度低的軟弱煤巖巖層相間構(gòu)成，這些煤巖巖層厚度小、節(jié)理、層理以及裂隙高度發(fā)育，導(dǎo)致各巖層之間黏結(jié)力較小甚至缺失，較易產(chǎn)生離層。復(fù)合頂板在我國煤層頂板總數(shù)量中的占比約為1/3，而我國發(fā)生的頂板事故中，尤其以復(fù)合頂板事故為多。近年來，大量學(xué)者針對綜采工作面過陷落柱圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究。張村等[1]建立了應(yīng)力厚筒壁四區(qū)圍巖模型，提出了穩(wěn)定回采巷道的一些措施，從而確保在高應(yīng)力區(qū)工作面開采時(shí)不會出現(xiàn)頂板壓力過大、煤壁剝落等礦壓顯現(xiàn)問題。宋彥琦等[2]在彈塑性力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用復(fù)變函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，得出橢圓截面陷落柱厚壁筒力學(xué)模型突水模式的臨界判據(jù)方程。結(jié)果表明：在陷落柱均布力影響下，厚壁橢圓柱的應(yīng)力由橢圓柱內(nèi)壁向外壁逐漸變化，且最大應(yīng)力位于橢圓柱內(nèi)壁長半軸兩端，最小應(yīng)力位于橢圓柱的短半軸處。許進(jìn)鵬等[3]通過理論計(jì)算分析了陷落柱柱體及其周邊應(yīng)力分布，并采用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬佐證。劉沖[4]針對堅(jiān)硬陷落柱巖性而研制的新型PVC組合裝配式擴(kuò)裂彈體可以保證柔性乳化炸藥準(zhǔn)確送達(dá)炮眼指定位置，提高了各藥包間耦合程度。李曉博等[5]通過彈塑性力學(xué)及離散元UDEC 分析得出巷道失穩(wěn)的主要原因，并采用“錨網(wǎng)索+29U 型可縮支架”支護(hù)方案，有效控制陷落柱區(qū)域巷道圍巖大變形的問題。張鵬沖[6]采用采煤機(jī)割桿和多點(diǎn)布置炮眼放炮通過的方式順利通過了陷落柱，提高了工作面的日進(jìn)度和煤炭資源的回采率。唐長路[7]采取工程類比法對比分析相同類型工作面過陷落柱的處理方法，采取繞過重開切眼的方式過陷落柱。袁超峰等[8]結(jié)合近距離陷落柱之間的位置關(guān)系和單個(gè)陷落柱的塑性擴(kuò)展區(qū)域的大小，提出了判斷陷落柱之間應(yīng)力狀態(tài)的方法。張星宇 等[9]構(gòu)建了陷落柱“四帶”地質(zhì)力學(xué)模型，系統(tǒng)研究了推采陷落柱工作面支承壓力演變規(guī)律。劉勇 勝[10]采用FLAC3D數(shù)值模擬采動過程中陷落柱煤層頂?shù)装搴拖萋渲車鷰r石應(yīng)力、滲流、位移和塑性破裂帶的變化。

綜上，國內(nèi)學(xué)者在工作面過陷落柱圍巖應(yīng)力分布方面取得了豐碩的成果，基于此，本文以常順煤礦9108 工作面為研究背景，擬用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測的方法對綜采工作面過陷落柱圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行研究，為類似地質(zhì)條件下礦井開采提供理論參考。

1 工程背景

常順煤礦距離山西省盂縣西南約12 km，9108工作面傾斜長度約為196 m，推進(jìn)長度約為460 m，現(xiàn)主采9#煤層，煤層的埋藏深度約為181～221 m，煤層的平均厚度約為3.22 m，煤層傾角在3°～12°之間，采煤工藝為綜采一次采全高。工作面直接頂為泥巖，平均厚度為3 m，主要為層狀，松散易冒落，老頂為泥巖，平均厚度為5.5 m，在直接頂與老頂之間分布著一層平均厚度約為1.5 m 的煤層，頂板結(jié)構(gòu)具有“軟、弱”的特點(diǎn)，屬于復(fù)合頂板，巖層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 巖層柱狀圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

基于常順煤礦地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值模型。X方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，Y方向?yàn)榈V層傾向。模型尺寸為長（X）×寬（Y）×高（Z）=300m×290m×67 m，推進(jìn)前預(yù)留50 m 的充填區(qū)，開挖時(shí)每次推進(jìn)10 m。充填區(qū)采用彈性本構(gòu)模型，陷落柱使用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型，其余組分使用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，如圖 2 所示。各巖層的基本物理力學(xué)參數(shù)見表 1。

圖2 數(shù)值模型

模型的邊界條件：在模型z面上約束x、y、z方向位移范圍為(-0.1,0.1)；在模型x面約束x方向位移范圍為(-0.1,0.1)∪(299.9,300.1)；在模型y面約束y方向位移范圍為(-0.1,0.1)∪(289.9,290.1)。

載荷的施加：沿模型的頂部施加沿Z軸負(fù)方向的均布載荷以模擬地層載荷，載荷大小為2.14 MPa。各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 工作面揭露陷落柱前

工作面過陷落柱前，工作面圍巖應(yīng)力分布如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在工作面揭露陷落柱前，工作面推進(jìn)10 m 時(shí)，工作面前方煤壁所受最大壓應(yīng)力為6.16 MPa，工作面頂板所受拉應(yīng)力為3.25 MPa；在工作面推進(jìn)50 m 至陷落柱處時(shí)，工作面前方煤壁所受最大壓應(yīng)力發(fā)生激增，達(dá)到了17.6 MPa，工作面頂板所受拉應(yīng)力同時(shí)也發(fā)生激增，達(dá)到了9 MPa。造成這樣的原因主要是工作面向前推進(jìn)越來越接近陷落柱時(shí)，由于陷落柱的自身性質(zhì)，其內(nèi)部巖石松散，且多為粘土充填粘結(jié)，陷落柱基本不對頂板產(chǎn)生支撐，導(dǎo)致工作面前方煤壁及頂板所受應(yīng)力越來越大。

圖3 工作面揭露陷落柱前應(yīng)力分布

2.3 工作面揭露陷落柱時(shí)

工作面過陷落柱時(shí)，工作面圍巖應(yīng)力分布如圖4 所示。

由圖4 可以看出，在工作面揭露陷落柱時(shí)，工作面推入陷落柱10 m 時(shí)，工作面前方煤壁所受最大壓應(yīng)力為8 MPa，發(fā)生了快速降低，工作面頂板所受拉應(yīng)力為7 MPa，也發(fā)生了降低；在工作面推入陷落柱40 m 時(shí)，此時(shí)工作面將要推出陷落柱，工作面前方煤壁所受最大壓應(yīng)力幾乎不變，為7.5 MPa，工作面頂板所受拉應(yīng)力也幾乎不變，為7 MPa。工作面推入陷落柱時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)頂板與前方煤柱的應(yīng)力都發(fā)生了快速降低，但是在陷落柱推進(jìn)的過程中，頂板與前方煤柱的應(yīng)力幾乎不發(fā)生變化，這是因?yàn)橄萋渲静粚敯暹M(jìn)行支撐，同樣的頂板也不對陷落柱產(chǎn)生應(yīng)力。因此，工作面在陷落柱中推進(jìn)時(shí)，雖然相較于推入前頂板及前方煤壁所受應(yīng)力降低，但在工作面推進(jìn)過程中，頂板及前方煤柱所受應(yīng)力不發(fā)生變化。

圖4 工作面揭露陷落柱時(shí)應(yīng)力分布

2.4 工作面揭露陷落柱后

工作面過陷落柱后，工作面圍巖應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 工作面揭露陷落柱后應(yīng)力分布

由圖5 可以看出，在工作面揭露陷落柱后，工作面推出陷落柱10 m 時(shí)，工作面前方煤壁所受最大壓應(yīng)力為12.5 MPa，再次發(fā)生了快速增大，工作面頂板所受拉應(yīng)力為10 MPa，也發(fā)生了增大；在工作面推出陷落柱30 m 時(shí)，此時(shí)工作面已經(jīng)距離陷落柱較遠(yuǎn)，工作面前方煤壁所受最大壓應(yīng)力達(dá)到了15 MPa，工作面頂板所受拉應(yīng)力為12 MPa，相較于剛推出陷落柱時(shí)，頂板及工作面前方煤壁所受應(yīng)力僅僅有少量的增大，但是相較于工作面在陷落柱內(nèi)推進(jìn)時(shí)，仍然是產(chǎn)生了較大的增幅。工作面推進(jìn)中前方煤壁受力情況如圖6 所示。

圖6 工作面推進(jìn)時(shí)前方煤壁受力情況

3 結(jié)論

綜上所述，可知工作面推進(jìn)時(shí)前方煤壁具體受力情況。在工作面推進(jìn)過程中，可將工作面的推進(jìn)分為過陷落柱前、揭露陷落柱、推過陷落柱3 個(gè)階段。工作面過陷落柱過程可將圍巖所受應(yīng)力變化分為增大、異常增大、降低、二次增大階段。

（1）在工作面揭露陷落柱前，工作面頂板及前方煤壁所受應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離的增大而增大，且在即將揭露陷落柱時(shí)產(chǎn)生激增。

（2）在工作面揭露陷落柱中，由于陷落柱內(nèi)部巖石松散，且多為粘土充填粘結(jié)，陷落柱對頂板沒有支撐作用，同時(shí)頂板也對陷落柱沒有作用應(yīng)力，導(dǎo)致工作面頂板及前方煤壁的應(yīng)力明顯降低。

（3）在工作面揭露陷落柱后，工作面又回到了此前揭露陷落柱前的狀態(tài)，工作面頂板及前方煤壁的應(yīng)力又開始增大，直至達(dá)到原巖應(yīng)力區(qū)以后，工作面頂板及前方煤壁所受應(yīng)力開始不發(fā)生明顯變化。