基于三维应力监测及能量判据的煤柱稳定性分析

孟昭河，肖自义，夏 磊，钟 坤

（1.兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿，山东邹城273513；2.山东省煤矿安全监察局鲁西分局，山东 济宁272073；3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与国家重点实验室，湖北 武汉430071）

0 引言

煤柱一般多服务于两个回采工作面，受到重复采动影响，由于外力做功使得煤柱变形能不断积蓄，当煤柱中积蓄的变性能达到临界状态后,在外力扰动影响下，煤柱的变性能瞬间释放，造成煤柱失稳。煤层在坚硬顶底板的夹持作用下，煤体中将积聚大量的弹性能。当煤柱受力处于弹性状态时，则整个围岩系统处于稳定状态；煤柱受到高应力作用处于脆性破坏时，着巨大能量的突然释放，煤柱失稳导致冲击地压发生。

对于采空区煤柱三维应力分布及稳定性方面研究是一个热点难点问题。潘帅[1]通过数值模拟方式，对采区煤柱受采动影响的应力及破坏规律进行了研究。曾现策等人[2]通过三维有限元数值模拟，对某煤矿近距离煤层群开采时上煤层开采后留设的不规则煤柱对下煤层工作面开采时的影响进行数值分析。张彦斌[3]等人运用UDEC对采场进出煤柱时的围岩应力及破坏特征进行了研究分析。李少刚[4]针对埋深100m左右浅埋煤层，安设应力监测系统研究采动应力分布规律，结合数值模拟软件确定合理煤柱宽度。张廷院[5]等人运用FLAC3D模拟软件，分析了近距离煤层群煤柱下开采应力分布特征。朱志洁等人采用数值模拟和现场实测的方法，对上部重叠煤柱与采动耦合作用下的围岩应力演化规律进行研究。

学者大部分采用数值分析的方式模拟煤柱作用下采场煤岩体应力变化规律，缺少长期动态的实测值。因此，本文基于地应力实测值和扰动应力的长期监测规律，从能量判据角度分析边界煤柱稳定性，指导安全生产。

1 矿井概况

鲍店煤矿7302工作面位于该矿七采区北部，是七采区西翼3煤层第一个区段的工作面。北西起工作面切眼，距七采区边界线3～19m，距5310（N）工作面采空区110～114m；南东至工作面设计停采线，距七采回风巷100m；辅运顺槽距矿井边界线31～35m，距兴隆庄3煤采空区55m；东北面临近邻近兴隆煤矿4318采空面、4320采空面、4322采空面等，以及东滩煤矿14320工作面、14317采空区等，三矿交界处留有50m的保护煤柱。南西与尚未回采的7304工作面相邻。7302工作面及周边位置关系图如图1所示。

图1 工作面位置图

2 三维应力测试方案

由于7302工作面邻近三矿边界煤柱，且受重复采动的影响，应力较集中，来压明显，故采用地应力实测技术及三维应力长期扰动监测方案分析煤柱稳定性。监测设备选取光纤光栅三维应力传感器[7]，在7302工作面轨道顺槽边界煤柱一侧的上方顶板布置四个监测断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，其分别距离停采线1276m、802m、662m及562m。在每个监测断面处，分别施工一个监测钻孔，断面布置图如图2所示。

图2 工作面布置图

首先，按照一定步骤和方法[7]，在工作面回采前对每个监测断面采用应力解除法测量原岩应力。应力解除实验完成后继续在相同位置钻孔安装传感器，不进行解除，将传感器通过光缆与光纤解调分析仪连接，并通过井下局域网将数据传输至井上监控室，在监测室系统软件中，对监测数据进行处理分析，得到实时扰动应力大小，然后再将扰动应力与原岩应力相加，得到顶板岩层实时真实应力。

3 监测结果及分析

3.1 原岩应力

由于原岩应力测试点地质构造和所覆岩层性质差异不大，4组原岩应力测试结果基本相同。因此选取他们的平均值作为该应力场的原岩应力值。

经过数据处理求得大地坐标系下的原岩应力分量如表1所示，主应力如表2所示。大地坐标系以X轴向东，Y轴向北，Z轴向上。

表1 大地坐标系下的原岩应力分量 单位：MPa

备注：正应力以压为正

在大地坐标系下，求主应力，结果如表2所示。

表2 大地坐标系下原岩主应力

备注：方位角北起顺时针为正；倾角从水平面向上为正。

由上表结果可知，最大主应力为24.02MPa，接近水平方向；其余两个主应力与水平面有一定夹角。由此可以看出，监测位置处受构造作用明显，

以7302工作面开采方向为x轴，竖直向上为z轴，右手法则确定y轴，建立采区坐标系O-xyz，如图3所示。

图3 采区坐标系

在采区坐标系中，原岩应力分量如下表所示。

表3 大地坐标系下的原岩应力分量 单位：MPa

由表中可以看出，监测断面处水平应力较大，x，y两水平方向的侧压力系数分别为0.74和1.40。

3.2 三维应力演化规律

经过几个月的长期动态监测，得到各个监测断面的三维应力变化图。监测断面Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ位置比较接近，均在三矿交界处，所获监测结果也将接近，这三个监测点选取最后一个监测点的监测结果作为代表。故对监测断面Ⅰ和监测断面Ⅳ的监测结果进行详细分析。

图4为断面Ⅰ大地坐标系下的主应力变化图。由图可知，三个主应力呈现增长趋势，最大主应力由最初的24.23MPa逐渐上升到26.32MPa，应力上升2.09MPa，升高8.6%，；第二主应力由14.44MPa上升到16.87MPa，应力提升2.43MPa，升高16.8%；第三主应力由最初的9.34MPa上升到10.34MPa，升高1MPa，增幅为10.7%。

图4 监测断面Ⅰ应力变化图

图5 监测断面Ⅳ应力变化图

图5 为断面Ⅳ大地坐标系下的主应力变化图。由图可知，三个主应力呈现增长趋势，最大主应力由最初的25MPa逐渐上升到30MPa，应力上升5MPa，升高20%，；第二主应力由16.2MPa上升到22.9MPa，应力提升6.7MPa，升高41.4%；第三主应力由最初的10.8MPa上升到15.5MPa，升高4.7MPa，增幅为43.5%。

对比断面Ⅰ和Ⅳ的监测结果可知，断面Ⅳ监测所得三维应力结果无论是增长幅值还是增长幅度均大于监测断面Ⅰ的结果。分析断面所处位置及地质构造可知，断面Ⅳ位于三矿交界处，煤柱上方顶板活动较强烈，坚硬顶板岩层应力转移到煤柱体上方，煤柱及顶板集聚弹性能，可能导致冲击危险的发生。另外，该断面离Ⅶ-F63较近，因此，该区域应加强监测。

3.3 基于能量判据的煤柱稳定性分析

由能量原理[8]可知，在主应力空间下煤岩体总能量可表示为：

其中，Ud为煤岩体消耗能，Ue为煤岩体可释放弹性应变能。

适合工程应用的煤岩体单元可释放应变能[9]可表示为：

冲击荷载作用下，短时间内的高应力会使一部分煤岩体单元产生损伤，强度降低；而大部分单元则迅速储存了很大的弹性应变能。当Ue储存并达到煤岩体单元某种表面能U0时，应变能Ue释放使煤岩体单元发生破坏。

在监测断面钻孔位置取一定数量岩芯并制成标准式样，开展三轴试验，通过不同围压应力水平下的卸围压实验，求取岩石极限储存能。发现，围压对岩石极限储存能有显著的影响。随着围压的增大，岩石极限储存能大幅度提高，两者之间具有良好的线性关系，可表示为：

基于以上公式得到监测断面的能量指标如表4所示。

表4 能量指标

由表可知，监测断面Ⅰ、Ⅳ两处由于初始应力场一致，初始围压几乎一样，因此煤岩体的极限储存能也差异不大。由于采动及边界煤柱来压影响，导致了断面Ⅳ处集聚的弹性应变能明显高于监测断面Ⅰ处，该监测断面位于兴隆庄煤矿与鲍店矿交界位置，两侧采空后，顶板压力由煤柱承担，顶板下部受压，形成拱效应。由弹性应变能与极限储存能之比可知,7302工作面边界煤柱整体偏于安全，但是随着工作面的进一步回采，三维应力有继续增加的趋势，弹性应变能会进一步集聚，应密切关注监测结果，尤其是三矿交界处，该段是冲击危险性较大的区域。

4 结 论

1）采用应力解除法测得初始应力场的三个主应力分别为24.02MPa、14.43MPa和9.02MPa，最大主应力接近水平方向；其余两个主应力与水平面有一定夹角。由此可以看出，监测位置处受构造作用明显。

2）监测断面Ⅰ主应力升高最大值为2.43MPa，升高最大幅度为16.8%；监测断面Ⅳ主 应力升高最大值为6.7MPa，升高最大幅度为43.5%；断面Ⅳ位于三矿交界处，同时离断层Ⅶ-F63较近，煤柱上方顶板活动较强烈，易集聚弹性应变能。

3）监测区域最大弹性应变能为26.10kJ/m2，弹性应变能与极限储能比还没到达煤岩体破坏临界值，边界保护煤柱整体偏于安全，应进一步关注监测结果，尤其是三矿交界处，该段是冲击危险性较大的区域。