基于三维应力监测及能量判据的煤柱稳定性分析_孟昭河.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 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 基于三维应力监测及能量判据的煤柱稳定性分析 孟昭河 1， 肖自义2， 夏 磊1， 钟 坤3 （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 ） 摘要 根据鲍店煤矿 7302 工作面地质构造和煤岩体覆存状况， 采用应力解除法对该回采面进行了 现场地应力实测，并结合三维应力长期动态监测技术对采动影响下的边界煤柱上方顶板岩层应力变 化规律进行了研究， 基于能量判据对煤柱稳定性进行了分析。结果表明 采动影响下各监测断面三维 应力均有增长， 增长幅度及幅值有所差异， 监测断面Ⅳ应力增长速率和弹性应变能高于其他区域， 整 体来看边界保护煤柱稳定性较好， 三矿交界处应继续重点监测。 关键词 冲击地压； 三维应力； 监测； 能量； 稳定性 中图分类号 TD821文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0137-04 Stability Analysis of Coal Pillar Based on Three-Dimensional Stress Monitoring and Energy Criterion MENG Zhaohe1， XIAO Ziyi2， XIA Lei1， ZHANG Yong1， WANG Kaisheng1 1. Baodian coal mine of Yanzhou Coal Industry Co., Ltd, ， Zoucheng 273513， China; 2. Shandong Coal Mine Safety Supervision Bureau Luxi branch, Jining 272073 ， China； 3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences ， Wuhan 430071 , China Abstract According to the geological structure of 7302 working face of Baodian coal mine and the condition of coal and rock mass de- posit, the in-situ stress measurement and long-term monitoring of three-dimensional stress are carried out, and the stability of coal pillar is analyzed based on energy criterion. The results show Under the influence of mining, the three-dimensional stress of each monitoring sec- tion increases, and the increase amplitude and amplitude are different, the stress growth rate and elastic strain energy of monitoring section Ⅳ are higher than those of other areas, on the whole, the stability of coal pillar under boundary protection is good, and the key monitoring should be continued at the junction of three mines. Key words rock burst ; three-dimensional stress ; monitoring; energy ; stability 137 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 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 σxxσyyσzzσxyσyzσzx 19.4112.9515.126.070.433.16 主应力应力值 /MPa方位角 /倾角 / σ124.0260.6518.40 σ214.43203.1967.26 σ39.02146.28- 12.89 σxxσyyσzzσxyσyzσzx 11.2421.1215.124.782.242.26 138 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 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 U ε1 0 乙σ1dε1 ε2 0 乙σ2dε2 ε2 0 乙σ2dε2U d U e 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 U e 1 2E0 [σ 2 1 σ 2 2 σ 3 2 - 2υσ1σ2σ2σ3σ3σ1 ] 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 U00.014 （σ2 σ 3） - 0.16 （3 ） 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 断面EGPavUe（kJ/m2） U0（kJ/m2）Ue/ U0 Ⅰ250.2520.29169.560.1197 Ⅳ250.2526.10171.80.1519 139 ChaoXing （上接第 136 页） 3数字同频同播平面调车系统应用 中心车站值班员根据行车组织计划， 应用数字 同频同播平面调车系统开展行车组织作业。首先， 通过车站直通电话通告调连人员， 下达调车作业指 令， 要求调连人员保持移动调车终端始终在开启状 态； 其次， 利用区长服务器向随乘调车手持台、 随乘 连结手持台及随乘机控器等移动调车终端无线数 字传送调车作业单； 最后， 调连人员依据调车作业 计划， 携带随乘调车手持台、 随乘连结手持台及随 乘机控器， 随乘机车到达车站开展调车作业。 调车作业任务完成后， 按中心车站值班员无线 传送的新调车作业单， 移动调车终端即可随乘机车 赶赴另一个车站进行调车作业。中心车站值班员通 过使用信号联锁远程集中控制终端排列远端车站 进路、 开放信号等， 通过区长台及区长服务器呼叫、 监听、 管理中心车站和远端车站调车作业。 4应用效果 1） 数字同频同播平面调车系统基于 DMR/PDT 协议下， 通过有线链接、 无线转发的方式， 实现了调 车终端之间在更大范围内无线数字传送调车作业 单、 发送数字调车信令及发起数字语音对讲功能。 2） 数字同频同播平面调车系统在矿区铁路的 应用，实现了将部分作业量较小车站的调车业务， 统一纳入区域内作业量相对较大的车站区长台进 行多站调车作业集中管理， 以调连人员随乘跨站调 车的方式承担， 减少了人员长期驻守， 拓展了数字 平面调车系统适用范围，达到了撤并车站行车人 员、 精干员工队伍、 减员增效的目的。 3） 系统网络交换机通过网络线直接与中心车 站基站同播信道机进行往来数据传输； 同时， 利用 网络传输设备通过站间干线光缆的一芯光纤， 与远 端车站同频同播基站同播信道机进行往来数据同 步传输， 减少了信息传输故障率， 有效保证了数字 语音和数字调车单信息传输的安全性、实时性、 稳 定性。 作者简介 孙继康， 男， 学士学位， 工程师， 从事铁路信号技术管理 工作。（收稿日期 2020- 2- 6） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 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。 参考文献 [1] 潘帅. 采区煤柱受采动影响应力及破坏规律数值模拟研 究[J].煤矿现代化,2020 （01） 94- 96. 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