刀柱采空区上行开采应力分布规律数值模拟

杨创前，冯国瑞

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原030024；2.山西省绿色采矿工程技术研究中心，山西 太原030024）

大同矿区顶板坚硬完整[1-4]，岩石试样单向抗压强度一般可达80～160 MPa，20 世纪50—90 年代受落后的支护条件限制，面对坚硬顶板的控制问题，多数矿井使用留设煤柱支撑顶板的刀柱采煤法。这一方法的运用在当时有效解决了开采期间顶板对采场的威胁，但回采率偏低且前期留设的大量煤柱给后期邻近煤层的开采带来困难[5-8]。国内外学者针对垮落法采空区上行开采进行了大量的研究，取得了丰硕的研究成果[9-14]。大同矿区过去使用刀柱采煤法，采宽15～35 m，刀柱煤柱宽4～10 m 不等。刀柱采空区域仅直接顶发生部分垮落，基本顶及以上岩层保持完整，其采动覆岩结构特征与长壁采空区截然不同，用于指导长壁采空区上行开采的研究成果不适用刀柱采空区上行开采。关于刀柱采空区上行开采的研究相对匮乏，文献[15-17]分别研究了上行开采条件下层间岩层可形成的结构、稳定性，塑性区分布和运动预测模型等。刀柱采空区上行开采是1个动态过程，前述研究没有具体考虑上行采动应力的影响，刀柱煤柱主要承担了上覆岩层的采动载荷，确保刀柱煤柱的稳定性对实现安全上行开采至关重要。因此，迫切需要研究刀柱采空区上行开采条件下刀柱煤柱的应力分布演化规律。

1 试验设计

把在岩体活动中起主要控制作用的岩层称为关键层，关键层破断时，其上全部或局部岩层的下沉变形协调一致[18]。大量研究表明，关键层在控制其上软弱岩层运动的同时也影响了下方煤层支承压力的分布[19-21]。以大同矿区刀柱采空区上行开采条件和煤岩层力学实验数据为依据，将关键层控制的岩层简化为软弱岩层，运用UDEC 建立数值模型。模型尺寸设置为300 m×210 m（长×高），上煤层厚2 m、下煤层厚4 m，上、下煤层间距50 m，亚关键层距上煤层10 m、厚度6 m，主关键层距上煤层36 m、厚度为18 m，其上为90 m 厚的软弱岩层，数值模型如图1。

图1 数值模型Fig.1 Numerical model

对模型左右边界和底部边界进行位移约束。为消除边界效应，模型沿走向左右边界各留设35 m的边界煤柱，模型可推进距离230 m。模型建立过程中，分别在距下煤层顶板1 m 处和距上煤层底板1 m 处布置2 条测线，每条测线上设有300 个测点，以实时监测刀柱采空区上行开采过程中上、下煤层应力的变化。模型采用摩尔-库伦破坏准则，岩层块体和接触面的力学参数见表1。

表1 UDEC 数值模型煤岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal strata in UDEC numerical model

数值模拟试验过程中，先运用刀柱采煤法采下煤层，其中刀柱开采区域宽度26 m，留设刀柱煤柱宽度8 m，刀柱采空区开采完毕后上行长壁开采上煤层。为方便讨论，将下煤层刀柱采空区中留设的刀柱煤柱从左至右依次命名为一、二、三、四、五、六刀柱煤柱。

2 试验结果与分析

2.1 下煤层刀柱采空区形成时应力分布特征

下煤层刀柱开采引起应力重新分布，刀柱采空区形成时下煤层的应力分布如图2。

图2 下煤层刀柱采空区形成时的应力分布特征Fig.2 Stress distribution characteristics of gob formation in lower coal seam wedge pillar

下煤层运用刀柱法开采，覆岩重力转移至刀柱煤柱，引起刀柱煤柱的应力升高表现为应力集中。其中，靠近刀柱采空区中央部分的刀柱煤柱受力大于两侧，明显大于边界煤柱处。刀柱采空区域所受压力接近零表现为卸压，应力集中区与应力卸压区在水平方向上交替出现。下煤层应力分布由采动前的原岩应力状态演化为新的波动平衡状态。

2.2 上行开采过程中应力分布演化特征

上行长壁开采破坏覆岩原有的平衡状态引起覆岩运移，造成采场应力重新分布。刀柱采空区上行长壁开采过程中关键层运动对采场应力分布演化规律的影响如图3。关于图中：“上行开采前”代表下煤层刀柱采空区形成时测线2 测得的下煤层应力分布值，“上行工作面”、“刀柱采空区”分别代表上行长壁开采过程中测线1、2 测得的上、下煤层应力分布值。

图3 刀柱采空区上行开采应力分布演化规律Fig.3 Evolution law of upward mining stress distribution in goaf of wedge pillar

图3（a）为上行工作面推进80 m，亚关键层初次破断时的应力分布图。从图中可以看出：上行工作面超前支承压力峰值为10.5 MPa，影响范围37 m，三、四刀柱煤柱受上行采动应力的影响，应力出现明显升高，应力峰值分别由上行开采前的15.6、15.5 MPa 升高到20.8、18.5 MPa。位于上行工作面采空区下的一、二刀柱煤柱应力减小，分别由上行开采前的14.6、15.6 MPa 降低到6、9.9 MPa。位于上行工作面采动应力影响范围外的五、六刀柱煤柱应力变化不大。

图3（b）为上行工作面推进155 m，主关键层初次破断时的应力分布图。上行工作面超前支承压力峰值为13.9 MPa，影响范围约60 m。受上行采动应力的影响，五、六刀柱煤柱应力明显升高，应力峰值分别由上行开采前的14.6、13.6 MPa 升高到28.3、17.8 MPa。位于上行工作面采空区下的一、二、三、四刀柱煤柱应力处于低应力状态。

图3（c）为上行工作面推进195 m，主关键层下沉压实采空区时的应力分布图。由于采空区分担了覆岩的部分载荷致使上行工作面支承压力峰值和影响范围均减小，此时，上行工作面超前支承压力峰值为12 MPa，影响范围约47 m。受上行采动影响的六刀柱煤柱应力升高，峰值由13.6 MPa 升高到23.5 MPa，小于主关键层初次破断时五刀柱煤柱承受的应力峰值。二、三、四刀柱煤柱位于主关键层断裂块体触矸压实区域，应力出现恢复性升高。

2.3 上行开采刀柱煤柱塑性区分布规律

刀柱采空区上行开采活动引起支承压力重新分布，在支承压力作用下，一定范围内的刀柱煤柱达到屈服破坏而处于塑性屈服状态，刀柱煤柱的塑性区分布状态可以反映刀柱煤柱的受力演化过程。刀柱采空区上行开采刀柱煤柱塑性区分布演化规律如图4。

如图4（a），上行工作面推进80 m，亚关键层初次破断，此时主关键层尚未破断其下方存在离层空间。主关键层将自身及上覆岩层载荷传递至超前位于工作面下方的三刀柱煤柱，引起三刀柱煤柱应力升高，三刀柱煤柱（距左边界129～137 m）边缘部分发生塑性屈服破坏。

主关键层初次破断前，随上行工作面推进主关键层悬空距增大，支承压力升高，超前刀柱煤柱塑性区进一步扩展。如图4（b），上行工作面推过四刀柱煤柱后，四刀柱煤柱塑性区范围不再变化。当上行工作面推至155 m，主关键层发生初次破断，此时，超前位于其下方的五刀柱煤柱（距左边界197～205 m）塑性区发展最为充分。

图4 上行开采刀柱煤柱塑性区分布演化规律Fig.4 Evolution law of upward mining plastic zone distribution of the coal pillar

主关键层初次破断后，其中部断裂、下沉、触矸，以中部触矸点为界，主关键层一端由采空区支撑，另一端由工作面煤体支撑。随着上行工作面推进，超前位于上行工作面下方的六刀柱煤柱支承压力逐步升高。如图4（c），上行工作面推进195 m，超前位于其下方的六刀柱煤柱（距左边231～239 m）边缘部分产生塑性屈服破坏区，但不及主关键层初次破断时五刀柱煤柱的塑性破坏区范围大。显然，刀柱采空区上行开采过程中，超前位于上行工作面下方的临近刀柱煤柱的塑性区分布演化规律与2.2 节中应力分布演化规律一致。

综上，刀柱采煤法开采下煤层引起刀柱煤柱的应力集中，上行长壁开采引起刀柱煤柱应力分布的进一步演化，根据刀柱煤柱受力特点大体可将其分为3 个区间：位于上行工作面采空区下的刀柱煤柱处于应力降低区，受上行工作面超前采动应力影响的刀柱煤柱处于应力升高区，位于上行工作面采动应力影响范围外的刀柱煤柱处于应力稳定区。主关键层运动影响采场应力分布，主关键层初次破断时，受超前采动应力影响的临近刀柱煤柱支承压力达到最大值，塑性区分布范围也最大。

3 现场验证

晋华宫矿河南402 盘区12 号煤层西南部过去采用刀柱法开采，刀柱采空区域范围东西长350 m，南北长600 m，其中刀柱间距25 m，留设煤柱宽9 m，采高3 m。在矿井储量日益濒临枯竭的情况下，决定上行复采9 号煤层，煤层均厚1.4 m。主关键层为厚约46.8 m 的灰白石英粗砂岩，距9 号煤层约126.2 m。

由于下煤层刀柱采空区条件异常复杂，上行开采期间难以对下煤层刀柱煤柱进行应力监测。刀柱煤柱和层间岩层受采动应力的影响会产生压缩变形和弯曲变形，继而引起上行工作面底板的下沉，因此，上煤层的底板位移情况能够反映刀柱煤柱的受力。巷道掘进开采期间，在巷道开口40 m 处设置第1 道位移观测站，以后间隔100 m 设置1 道。

上行开采期间，经位移测站实测发现随着上行工作面推进，底板下沉量逐渐加大，主关键层初次破断时底板下沉约86 mm 达到最大，初次破断后底板下沉量减小。晋华宫矿刀柱采空区上行开采，底板下沉变化趋势符合本文数值模拟得到的刀柱采空区上行开采刀柱煤柱支承压力的动态演化规律。

根据刀柱采空区上行开采过程中，超前位于上行工作面下方的刀柱煤柱的应力在主关键层初次破断前随上行工作面推进而不断增大的特征。建议刀柱采空区上行开采时，工作面需配备注浆充填系统，发现围岩变形明显、底板下沉加快等异常现象，需停止工作面推进，对刀柱采空区进行充填。

4 结 论

1）刀柱法开采下煤层引起刀柱煤柱应力集中，刀柱煤柱受力明显高于两侧边界煤柱。刀柱采空区内应力集中区与应力卸压区在水平方向上交替出现。

2）刀柱采空区上行开采引起刀柱煤柱应力分布的进一步演化，根据刀柱煤柱受采动应力的影响将其分为3 个区间，即应力降低区、应力升高区和应力稳定区。应力升高区内刀柱煤柱的稳定性是决定刀柱采空区安全上行开采的关键。

3）主关键层运动决定采场应力分布，主关键层初次破断时，上行工作面及超前位于其下方的刀柱煤柱应力峰值和塑性区分布范围均达到最大。主关键层初次破断后明显减小。晋华宫矿刀柱采空区上行开采期间的底板位移观测结果与研究得到的刀柱煤柱应力分布规律相符。