解振華， 馬添虎， 范張磊， 范超軍， 劉虎生， 胡江， 李云飛

(1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

沿空留巷技術(shù)已相對(duì)成熟，其圍巖變形具有多分區(qū)、強(qiáng)擾動(dòng)、結(jié)構(gòu)多樣性特征[1-2]。留巷煤柱寬度對(duì)圍巖應(yīng)力集中程度、成巷速度、有效服務(wù)時(shí)間及巷道支護(hù)難度影響較大。目前對(duì)沿空留巷煤柱寬度留設(shè)的研究主要集中在煤柱強(qiáng)度、煤柱載荷與煤柱穩(wěn)定性3個(gè)方面。劉新民[3]將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合，探討了沿空留巷條件下底板塑性區(qū)分布特征。佐江宏等[4]研究了不同因素對(duì)沿空留巷圍巖運(yùn)移機(jī)制的影響及相應(yīng)支護(hù)對(duì)策。鄭西貴等[5]以原位煤柱沿空留巷圍巖控制為基礎(chǔ)，建立了原位煤柱力學(xué)模型，并將其成功應(yīng)用于煤柱寬度研究。何滿潮等[6-7]從改善頂板應(yīng)力環(huán)境、減小煤柱留設(shè)寬度的角度，提出了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)。王玉新[8]從直接頂和實(shí)體煤幫穩(wěn)定性出發(fā)，確定了沿空留巷圍巖大變形控制機(jī)理。辛家祥[9]采用多手段提高沿空留巷頂板及煤柱的穩(wěn)定性，保證窄煤柱寬度的合理性。吳志剛等[10]分析了沿空留巷煤柱變形破壞特征及煤柱合理尺寸，確定了煤柱寬度是影響沿空留巷變形的最主要因素?；舯艿萚11-12]研究了近距離煤層不同尺寸煤柱頂板結(jié)構(gòu)及對(duì)下位煤層礦壓特征及應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。

以上研究豐富并補(bǔ)充了沿空留巷技術(shù)的發(fā)展，但很少考慮巖石非均質(zhì)性及損傷效應(yīng)對(duì)煤柱留設(shè)寬度的影響。本文以國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)烏蘭木倫煤礦四盤區(qū)12煤沿空留巷為工程背景，通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了考慮巖石非均質(zhì)性及損傷效應(yīng)的合理性，根據(jù)理論分析及數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定了煤柱留設(shè)寬度，并成功應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)，為同類型礦井沿空留巷煤柱合理寬度留設(shè)提供了參考。

1 工程背景

烏蘭木倫煤礦可采煤層為12，22，31煤，現(xiàn)主采12，31煤，平均埋深為150 m。12，22煤平均層間距為23 m，22，31煤平均層間距為33 m。12408工作面寬度為298 m，推進(jìn)長度為2 387 m，煤層厚度為1.8～2.9 m；巷道寬度為5.4 m，高度為2.8 m，直接頂為砂巖，直接底為粉砂巖。12407工作面回采過程中，在煤柱邊緣采用切頂方法切斷煤柱邊緣基本頂與采空區(qū)頂板之間的聯(lián)系，保留1個(gè)煤柱，掘進(jìn)12408工作面區(qū)段巷道，如圖1所示。

圖1 12煤沿空留巷布置

2 煤柱寬度理論分析

以巷道頂板結(jié)構(gòu)及極限平衡理論為基礎(chǔ)，煤柱寬度計(jì)算模型如圖2所示，由此確定留設(shè)煤柱的塑性區(qū)寬度[13-15]至少為

圖2 煤柱寬度計(jì)算模型

(1)

式中：B1為煤柱在采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)寬度；B2為煤柱安全系數(shù)；B3為幫錨桿深入煤體的有效長度；M為采高；ζ為側(cè)壓系數(shù)；f為煤體承載能力穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)變系數(shù)；K為應(yīng)力集中系數(shù)；λ為上覆巖層容重；H為巷道埋深；C為黏聚力；φ為煤體內(nèi)摩擦角。

近距離煤層群開采時(shí)采動(dòng)應(yīng)力分布較復(fù)雜，為減小上位煤層沿空留巷煤柱對(duì)下位煤層開采的影響，在保證留巷穩(wěn)定性的同時(shí)，應(yīng)盡量減小煤柱寬度。因此，只考慮臨近采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，并保證巷道處于應(yīng)力降低區(qū)域，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(表1)代入式(1)，可得12煤的煤柱塑性區(qū)寬度為8.89～9.13 m。一般地，塑性區(qū)寬度的1/3～1/2為應(yīng)力降低區(qū)范圍，即煤柱寬度不大于3 m時(shí)，煤柱承壓能力較小，基本上會(huì)被壓壞。設(shè)置煤柱寬度為3～5 m，以確保煤柱有較大的支撐力，且不會(huì)遭受較大的擠壓力，達(dá)到降低巷道圍巖壓力的目的，維護(hù)巷道穩(wěn)定性。

表1 理論計(jì)算參數(shù)

3 巖石非均質(zhì)性-損傷效應(yīng)本構(gòu)驗(yàn)證

3.1 本構(gòu)模型

巖石內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展為巖石損傷演化的過程，巖石損傷的演化導(dǎo)致了巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化。以砂巖為例，假設(shè)其力學(xué)性質(zhì)服從Weibull分布[16-17]：

(2)

采用與RFPA程序類似的彈性損傷本構(gòu)關(guān)系，以最大拉伸破壞準(zhǔn)則和摩爾-庫侖準(zhǔn)則對(duì)巖石應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行判定[18]。

(3)

式中：F1為巖石單軸抗拉強(qiáng)度應(yīng)力狀態(tài)；σ1為拉應(yīng)力；st0為巖石單軸抗拉強(qiáng)度；F2為巖石單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)力狀態(tài)；σ2為剪應(yīng)力；θ為巖石內(nèi)摩擦角；sc0為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

損傷變量可定義為

(4)

式中：εt0，εc0分別為最大拉伸主應(yīng)變、最大壓縮主應(yīng)變；ε1，ε2分別為拉伸主應(yīng)變、壓縮主應(yīng)變；n為常數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合得到，本文取2。

3.2 本構(gòu)驗(yàn)證

通過Matlab編程實(shí)現(xiàn)應(yīng)力增量迭代求解，對(duì)模擬單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室單軸壓縮實(shí)驗(yàn)[19]結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證巖石非均質(zhì)性-損傷效應(yīng)本構(gòu)模型的合理性。實(shí)驗(yàn)巖樣為砂巖，其力學(xué)性能參數(shù)見表2，其中σuc為極限抗壓強(qiáng)度，μ為泊松比，EF為巖樣破壞后的彈性模量。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，隨著砂巖和煤損傷程度增加，其彈性模量逐漸減小，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值前砂巖和煤的彈性模量減小速率較低，在峰值后快速減小至幾乎為零。

表2 砂巖力學(xué)性能參數(shù)

由于細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的匹配性未知，所以需要大量數(shù)值計(jì)算不斷修改細(xì)觀參數(shù)以匹配實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[21]。根據(jù)巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖3)及破裂形態(tài)(圖4)，確定巖樣均質(zhì)度為11時(shí)，巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破裂形態(tài)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的匹配性。隨著均質(zhì)度增加，巖樣由彈塑性破壞向彈脆性破壞轉(zhuǎn)變。

圖3 巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線上A，B，C點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)彈性階段、塑性階段、破壞階段，其彈性模量損傷及裂隙發(fā)育分別如圖5、圖6所示?？煽闯鲈趶椥噪A段，僅有少量強(qiáng)度較低的顆粒發(fā)生破壞，破裂點(diǎn)較離散；在塑性階段，裂隙已開始發(fā)育，并出現(xiàn)貫通現(xiàn)象；在破壞階段，剪切裂紋在巖樣中心擴(kuò)展、貫通，形成沿對(duì)角線方向的宏觀剪切裂紋。模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到的破裂形態(tài)較一致，驗(yàn)證了巖石非均質(zhì)性-損傷效應(yīng)本構(gòu)模型的合理性和正確性，且設(shè)置的均質(zhì)度適用于煤巖[22-23]。彈性模量損傷劣化特征與裂隙發(fā)育基本一致。由圖4可看出，標(biāo)準(zhǔn)試件下方未出現(xiàn)裂隙發(fā)育及彈性模量損傷劣化現(xiàn)象，原因是數(shù)值計(jì)算時(shí)將底邊固定約束，即各方向位移為0。

圖4 巖樣破裂形態(tài)

(a)A點(diǎn)

(a)A點(diǎn)

4 煤柱寬度數(shù)值計(jì)算

沿空留巷煤柱的本質(zhì)是將巷道和煤柱布置在采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。煤巖損傷過程為彈塑性損傷過程，彈性模量逐漸減小，塑性應(yīng)變逐漸增大。煤柱雖處于塑性階段，但仍具有一定的承載能力，對(duì)頂板有較小的支撐作用，當(dāng)煤柱寬度較大時(shí)，其垂直應(yīng)力將向應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移，不利于圍巖穩(wěn)定性。根據(jù)理論分析結(jié)果，煤柱寬度為3～5 m，因此分別討論煤柱寬度為3，4，5，6 m時(shí)，煤柱損傷分布及巷道變形特征，以確定最佳煤柱寬度。

數(shù)值計(jì)算模型如圖7所示。模型尺寸為400 m×130 m(長×寬)，上覆巖層載荷為11.5 MPa，水平應(yīng)力為6 MPa，底邊施加固定約束，右側(cè)為長200 m的采空區(qū)，左側(cè)為沿空留巷煤柱。

圖7 數(shù)值計(jì)算模型

煤柱寬度不同時(shí)巷道頂?shù)装濉⑾飵妥冃瘟咳鐖D8所示。可看出巷道底板變形量稍大于頂板，采動(dòng)側(cè)巷幫變形量大于非采動(dòng)側(cè)；采動(dòng)側(cè)巷幫變形量隨煤柱寬度改變的變化量較小，這與文獻(xiàn)[24]提出的留巷側(cè)巷道變形屬于“限定變形”(指承載體承擔(dān)起大結(jié)構(gòu)內(nèi)覆巖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用載荷，對(duì)巷道進(jìn)行支承保護(hù))較為一致，驗(yàn)證了考慮非均質(zhì)性-損傷效應(yīng)確定沿空留巷煤柱寬度的合理性及正確性；巷道整體變形量隨煤柱寬度增大逐漸減小，但在煤柱寬度為6 m時(shí)發(fā)生突變，表明巷道穩(wěn)定性隨煤柱寬度增大先升高后降低。

圖8 巷道變形量

煤柱周圍損傷區(qū)分布如圖9所示?？煽闯鲭S著煤柱寬度增大，煤柱周圍損傷區(qū)范圍及損傷程度不斷減小，損傷區(qū)由連續(xù)貫通向間隔分布隨機(jī)轉(zhuǎn)變：煤柱寬度為3 m時(shí)，損傷程度較高，破裂點(diǎn)基本貫通，此時(shí)需要高強(qiáng)度、高密度支護(hù)方式來維持煤柱穩(wěn)定性，留巷難度較大；煤柱寬度為4 m時(shí)，煤柱整體劣化程度降低，但煤柱中心區(qū)域較為破碎，不利于后期巷道維護(hù)；煤柱寬度為5 m時(shí)，損傷程度進(jìn)一步降低，煤柱中心區(qū)域雖有損傷發(fā)生，但破裂程度較低；煤柱寬度為6 m時(shí)，煤柱中心出現(xiàn)非連續(xù)彈性核區(qū)，使得巷道處于應(yīng)力升高區(qū)，不利于巷道穩(wěn)定。從整體損傷分布看，采空區(qū)側(cè)大于實(shí)體煤側(cè)。當(dāng)巷道兩側(cè)采空后，煤柱損傷變量基本等于1，即完全失去承載能力，保證了下位煤層開采時(shí)不受沿空留巷煤柱影響。

(a)煤柱寬度為3 m

由理論分析及數(shù)值計(jì)算結(jié)果可得，沿空留巷煤柱最佳寬度為5 m。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

將烏蘭木倫煤礦四盤區(qū)12煤沿空留巷煤柱寬度設(shè)置為5 m，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。在工作面前后方各80 m范圍內(nèi)設(shè)置多組測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟?結(jié)果如圖10所示?？煽闯霾蓜?dòng)影響下工作面前后方巷道變形量差異較大，工作面前方巷道變形量比后方少1個(gè)數(shù)量級(jí)；巷道變形不對(duì)稱，采動(dòng)側(cè)巷幫變形量大于非采動(dòng)側(cè)，頂板變形量基本上大于底板；工作面前方50 m范圍內(nèi)巷道變形量較50 m后大，但整體不大，工作面后方60 m后巷道變形量基本不變，頂板覆巖移動(dòng)變形基本穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了沿空留巷煤柱寬度合理，配合相應(yīng)錨桿支護(hù)可有效抑制巷道圍巖變形。

(a)工作面前方

6 結(jié)論

(1)結(jié)合烏蘭木倫煤礦現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)理論分析得出12煤沿空留巷煤柱寬度宜設(shè)置為3～5 m。

(2)巖石非均質(zhì)性-損傷效應(yīng)模型可較好地反映巖石破裂特征：彈性階段僅有少量強(qiáng)度較低的顆粒發(fā)生破壞；塑性階段裂隙已開始明顯發(fā)育，并出現(xiàn)貫通現(xiàn)象；破壞階段剪切裂紋在巖樣中心擴(kuò)展、貫通，形成沿對(duì)角線方向的宏觀剪切裂紋。

(3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：隨著煤柱寬度增大，巷道整體變形量先減小后增大，在煤柱寬度為6 m時(shí)發(fā)生突變，煤柱周圍損傷區(qū)域范圍及損傷程度不斷減小，且整體損傷分布采空區(qū)側(cè)大于實(shí)體煤側(cè)。

(4)結(jié)合理論分析及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，確定沿空留巷煤柱寬度為5 m，并應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明工作面前方巷道整體變形量不大，工作面后方60 m后頂板覆巖移動(dòng)變形基本穩(wěn)定，驗(yàn)證了沿空留巷煤柱寬度留設(shè)的合理性。

(5)對(duì)于沿空留巷不同煤柱高度下應(yīng)力與損傷變量隨應(yīng)變的變化趨勢(shì)有待進(jìn)一步研究。