异形煤柱条件下工作面采动冲击地压机制研究

罗永刚，闫立恒，边戈，何俊江，陆菜平

（陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西咸阳 713602）

亭南煤矿4 号煤，经鉴定和评价均具有强冲击危险，309 工作面位于南玉子向斜（中塬～亭口北凹陷） 东南翼，煤层倾角3°～7°，厚度4.5～8.9 m。直接顶为厚度1.2 m 左右泥岩，老顶为厚度6.5 m 左右的粗砂岩与细砂岩，直接底为厚度2.45 m左右的铝质泥岩，老底为厚度7.8 m 左右的泥岩。工作面回风顺槽为沿空掘巷，临近307 采空区水淹区，且煤柱宽度由6 m 阶梯式增大为30 m、55 m，工作面靠近向斜轴部揭露有8 条断层。针对回采时受超前应力、“工作面见方”大采空区连空、巷道群等因素影响，冲击风险高、治理难度大的难题，通过采用实验室实验、数值模拟、主被动CT 反演、现场实测数据分析等相结合的研究方法，对亭南煤矿3409 强冲击煤层工作面异形煤柱条件下冲击地压机理、冲击危险区精准探测以及卸压治理综合防治技术等进行了研究，随着顶板厚度占比的增加，加载过程中组合试样底板的破坏程度增强；煤层中部出现弹性区，煤层破坏程度增加。同时，煤岩组合试样内部积累的能量呈增加趋势，峰值强度也呈现增加趋势。采取爆破断顶措施后，保障了工作面顶板周期性破断。采取小煤柱护巷工艺有效降低了煤体内应力集聚。

1 实验室试验

1.1 试验目的

通过小尺度煤岩试样的试验，测定煤岩体变形破坏过程中的应力、变形、应变能、声发射及电磁辐射信号，研究试样失稳破坏的变形场和能量场的演变规律，分析试样特别是煤样破坏失稳的关键影响因素，揭示声发射及电磁辐射前兆信息特征，为现场利用微震系统、电磁辐射仪、钻孔应力在线等监测3409 工作面的煤柱失稳提供依据。

1.2 煤岩样采集

（1） 取样地点。亭南煤矿3409 工作面回风顺槽侧异形煤柱区域，其中煤样直接从回风顺槽巷帮选取，岩样在回风顺槽内利用钻机钻取。

（2） 取样设备。煤电钻、风镐、地质钻机（钻取煤、岩芯）、切割锯等。

（3） 取样方法。在3409 工作面回风顺槽巷帮中部位置，利用煤电钻、风镐等凿区无明显裂隙且大体规整的煤块。利用地质钻机在顶板钻取岩芯，取3409 工作面回风顺槽顶、底板岩芯，作为有效试样。

（4） 取样规格。煤样规格大体为长×宽×高＝25 cm×25 cm×25 cm 的六面体，其高度方位应垂直煤的层理面，岩样直径大于70 mm（最好用直径120 mm 或直径150 mm 的钻机）。要保证所采集的煤样、岩样不得有明显裂隙。

1.3 试样设计

针对本试验共设计3 种试样，分别为不同组合方式的煤岩试样，试样加工成50 mm×100 mm 标准试样，如图1 所示，其中，通过煤岩试样高度比、接触面角度等的变化研究煤柱失稳的影响，预计加工试样30 组。

图1 试样设计Fig.1 Specimen design

1.4 实验系统

本试验主要采用Landmark 370.50 岩石动静载实验系统、美国PAC 公司生产的PCI-2 全数字声发射监测系统、电磁辐射监测仪、TS3890 型静态应变仪（配备120-20AA 型应变片）、CCD（Basler A641f CCD） 工业相机等设备开展煤岩样室内变形破坏及断层滑移失稳实验。

设置试验机采用位移控制模式进行应力加载，分别设置0.3、0.45、0.6、0.75、0.9 mm/min 等不同加载速度，研究开采强度对煤柱失稳特征的影响。PCI-2 声发射系统采用Nano30 传感器，其频率范围为125～750 kHz，配备前置放大器为40 dB，固定阀值为45 dB，前置放大器增益为40 dB，采用4 个通道采集声发射信号，采样频率为1 MSPS。电磁辐射信号采用点频和宽频天线接收，点频天线主要采用磁棒天线，其接收频率为20、50、150、500、800 kHz。宽频天线采用弧形、平面板状天线，由电路板加工而成。TS3890 型静态应变仪监测范围为19999 uε，分辨率1 uε，采用1/4 桥接方式连接应变片。

实验过程中主要监测数据包括垂直加载应力值、声发射参量、电磁辐射参量、局部应变值及试样变形数字照相。

1.5 实验结论

在煤岩组合试样中，煤层厚度占比越大，其加载过程中速度较大的区域面积相对越大。组合试样的声发射事件、拉伸裂隙和剪切裂隙呈增加趋势，同时，随着煤层厚度的增加，其煤层中颗粒的最大速度呈现下降的趋势。

在初始应力较小的时候，受动载扰动之后，煤岩组合试样的完整性较好，主要以微观裂隙为主。在初始应力水平达到一定水平之后，在动载扰动之后，煤岩组合试样会出现宏观裂隙，但不会产生大面积失稳。在初始应力水平较高的时候，煤岩组合试样收到动载扰动之后，煤体会大面积发生破坏，被抛出，发生整体失稳。

2 数值计算

2.1 PFC 颗粒流数值模拟

2.1.1 建立模型

基于亭南煤矿3409 工作面煤岩特性及煤柱群赋存条件，结合理论分析建立地质模型，采用PFC颗粒流数值模拟软件，建立小尺度数值模型。其中，模型尺寸为50 mm×100 mm，煤体颗粒直径为0.4～0.8 mm，岩体颗粒直径为0.3～0.7 mm。在模型上下边界分别建立两条长度为60 mm 的水平墙体，模拟过程中利用水平墙体作为应力加载板，通过控制上下水平墙体在垂直方向上的移动速度，对模型施加垂直应力。

煤岩体内部颗粒间接触模型采用“Parallel-Bond Model” （平行粘结模型），模拟的煤岩接触面上接触模型采用“Smooth-Joint Contact Model”（光滑接触模型），加载板与煤岩体颗粒间的接触面模型采用“Linear Contact Model”（线性接触模型），所建模型颗粒分布及接触方式如图2所示，建立模型。

图2 PFC数值模型Fig.2 PFC numerical model

2.1.2 参数校正

模型加载试验前，要通过实验室煤岩体单轴抗压强度及弹性模量试验校对模型参数设置。取实验室试验时加工的标准煤岩试样进行单轴压缩试验，记录现场煤岩试样加载应力值及垂直应变值。以所建模型相同的模型参数建立同等尺度的煤样及岩样模型，并进行单轴压缩模拟试验，记录模型加载过程中的加载应力值及垂直应变值。通过所得应力及应变值，做出试样单轴压缩试验过程中的应力应变曲线，对比模拟与实验室试验所得煤岩体单轴抗压强度与弹性模量差异，同时对比两者破裂形式，如图3 所示。通过调整模拟参数，将两者差异控制在10%以内且破裂方式类似，最终确定模型参数。

图3 煤岩组合模拟试样中采用的参数校正曲线Fig.3 Parameter calibration curve used in coal-rock combination simulation sample

2.1.3 结果分析

模拟过程中，通过PFC 软件可视化程序记录模型加载至失稳过程中的应力场、裂隙场、位移场及能量场分布和演化特征，如图4 所示。分析煤柱群区域组合煤岩结构破坏及变形机理，结合研究煤柱失稳过程中的应力场、裂隙场、位移场及能量场演化特征。

图4 模型内部参量场Fig.4 Internal parameter field of the model

模拟过程中，通过设置位移监测点，记录监测点位移情况，利用Measure circle 模块在煤岩体上设定测量圆，监测煤岩块体变形情况，同时利用软件History 模块监测模型加载至失稳过程中的应力、能量及裂隙发育数量等参量值。通过对上述参量的分析，研究煤柱应力加载过程中的参量变化特征，如图5 所示，揭示煤柱变形破裂/滑移失稳的参量信号特征。

图5 煤岩组合结构破坏失稳过程参量变化特征Fig.5 Variation characteristics of parameters in failure and instability process of coal-rock composite structure

另外，通过控制加载墙体的位移速度，进行不同应力加载速度模拟试样，同时，设置墙体冲击加载模拟动载扰动的影响作用，以此分析分析不同条件下煤岩体变形/破坏失稳参量变化特征，揭示不规则煤柱及多向采动条件下冲击地压孕育机制及主要影响因素。

可见，PFC 颗粒流程序适用于散体或胶结材料的细观力学特性描述和受力变形分析，该方法试图从微观结构角度研究介质的力学特性和行为，PFC方法的重要区别是能够同时模拟连续体和非连续体的力学行为。在本项目中主要用于微观分析顶底板-煤柱的接触弱面的变形破坏特征。

2.2 UDEC 离散元数值模拟

2.2.1 模型建立

基于亭南煤矿3409 工作面异形煤柱赋存条件，适当简化条件，采用UDEC 离散元数值模拟软件建立宏观尺度数值模型，其中模型尺寸为66 m×80 m。煤岩块体采用弹性变三角单元组合（块），其中顶、底板采用粗块单元，煤体采用细块单元。三角形单元通过接触结合在一起，煤的损伤是通过它们之间接触的剪切或拉伸破坏来描述的，接触面服从剩余强度的库仑滑动模型，建立模型。

2.2.2 参数校正

类似于PFC 数值模型参数校正，利用单轴压缩试验的应力应变曲线进行耦合来校正UDEC 数值模型的参数赋值，如图6 所示。调整模型参数，当实验室试验和数值模拟试验结果的耦合性较强时，说明UDEC 数值模拟参数值是可行的。

图6 UDEC与实验室试验对比Fig.6 Comparison between UDEC and laboratory test

2.2.3 结果分析

通过开挖扰动及输入顶板破断动载（矿震能量），研究巷道周围最大主应力分布及演化规律，如图7 所示。通过模型最大主应力的分布演化规律，分析煤柱破坏/滑移失稳作用对巷道周围的扰动情况。

图7 巷道最大主应力分布Fig.7 Distribution of maximum principal stress in roadway

模拟分别监测模型中剪切裂隙与拉伸裂隙的数量变化，得出扰动作用下，巷道周围裂隙数量的变化曲线，如图8 所示。同时在巷道周围布置监测点，实时监测巷道周围应力值演化特征及破碎煤岩体的位移速度，如图9 及图10 所示。分析研究煤柱破碎/滑移失稳过程中，巷道周围应力水平变化及破碎体速度演化规律，揭示3409 工作面各种煤柱应力集中区域冲击地压的机理。

图9 测点位置应力变化曲线Fig.9 Stress change curve of measuring point position

图10 测点附近破碎体位移速度变化曲线Fig.10 The displacement velocity curve of the broken body near the measuring point

3 FLAC 有限元数值仿真

3.1 模型建立

基于3409 工作面实际地质条件及煤柱赋存环境，利用FLAC3D 有限元数值模拟软件采用有限差分法建立等尺寸摩尔库伦模型。根据3409 工作面综合地质柱状图中煤岩层分布特征，对模型本构性质及材料性质赋值，建立9 组模型。

3.2 模型计算及分析

对模型施加边界条件并对模型进行静力平衡计算，运算至模型最大不平衡力小于e-5后对工作面进行循环开挖，控制每次开挖进尺20 m，每次开挖运算5000 步或控制最大不平衡力小于e-5。

对每次开挖后计算平衡的模型进行切片处理，可视化观测模型不同位置水平面及垂直面范围内的应力分布特征，大致确定工作面两巷煤体内应力集中区域，指导现场进行针对性监测及卸压处理。

同时，模拟过程中，在工作面前方及巷道两侧煤体中布置应力监测点，通过统计每个开挖循环中超前区域及异形煤柱内应力值，得出工作面开挖过程中煤体内超前应力峰值的演化规律，以及煤柱应力集中程度。对前期工作面采掘过程危险区域进行验证，同时指导工作面回采过程中的监测预警及卸压解危。

4 现场实测

为了满足防冲要求，3409 工作面冲击危险监测采用钻屑法、应力在线及微震系统3 种手段。其中钻屑法及应力在线均为局部监测手段，微震系统为区域监测手段。

4.1 钻屑法监测

冲击危险钻屑量临界指标的确定方法：首先选择不受采动影响或在支承压力影响区外的巷道煤帮，进行标准煤粉量测试，标准煤粉量测试钻孔数不少于5 孔，并取各孔煤粉量的平均值，在此基础上确定临界煤粉量，见表1。

表1 钻屑量临界指标Table 1 Critical index of drilling cuttings quantity

4.2 微震系统

3409 工作面防冲设计报告给出的回采期间，微震法监测冲击地压危险的指标如下。30 m 煤柱区域微震事件分布平面图如图11 所示。6 m 煤柱区域微震事件分布平面图如图12 所示。

图11 30 m煤柱区域微震事件分布平面图Fig.11 The distribution of microseismic events in the 30 m coal pillar area

图12 6 m煤柱区域微震事件分布平面图Fig.12 The distribution of microseismic events in the 6 m coal pillar area

（1） 监测分析范围。

采煤工作面：30 m 煤柱和6 m 煤柱沿开采方向和采空区方向300 m，左右两侧200 m。

（2） 对比情况

借助微震监测数据，确定大事件震源集中区域，对微震事件波形进行频谱分析，确定事件频次、能量。

4.3 主动CT 探测

采用波兰EMAG 公司最新引进的24 通道PASAT-M 型便携式微震探测系统，根据亭南煤矿3409 工作面实际地质工程条件以及设备探测能力，并结合该工作面动力显现区域分布情况及周围开采环境，对该工作面开采区域进行探测，分析采动影响不同距离下煤体应力分布情况，如图13 所示。

图13 探测冲击危险性指数分布图Fig.13 Distribution of detection impact hazard index

5 结论

采用实验室实验、数值模拟、主被动CT 反演、现场实测数据验证分析等相结合的研究方法，对亭南煤矿3409 强冲击煤层工作面异形煤柱条件下冲击地压机理、冲击危险区精准探测以及卸压治理综合防治技术等进行研究，取得结论如下。

（1） 当煤岩组合试样的应力达到峰值强度之后，煤层中的裂隙快速扩展，煤层两侧部分煤体抛出，组合试样中的能量以动能和滑移能的形式释放。煤岩组合结构破坏过程中，以拉伸破坏为主，剪切破坏为辅。煤层厚度占比越大，其加载过程中速度较大区域面积越大。组合试样声发射事件、拉伸裂隙和剪切裂隙呈增加趋势，同时，随着煤层厚度增加，煤层中颗粒最大速度呈现下降趋势。

（2） 随着顶板厚度占比的增加，加载过程中组合试样中底板的破坏程度增强；煤层中部出现弹性区，煤层破坏程度增加。同时，煤岩组合试样内部积累能量呈增加趋势，峰值强度呈现增加趋势。

（3） 在初始应力水平达到一定水平之后，在动载扰动之后，煤岩组合试样会有宏观裂隙产生，但不会产生大面积失稳。在初始应力水平较高时，煤岩组合试样受到动载扰动之后，煤体会大面积发生破坏，被抛出，发生整体失稳。

（4） 对3409 工作面而言，由于区段煤柱不等宽和上覆厚硬顶板，在30 m 煤柱段以及煤柱宽度变化区域，应力易集中，在工作面采动和307 采空区侧向支承压力作用下，存冲击风险。