残余煤柱群支撑采空区上方上行复采的多因素耦合稳定机制与安全边界

《Processes》：Multi-Factor Coupled Stability Mechanism and Safety Boundaries of Upward Re-Mining Above Goafs Supported by Remnant Coal Pillar Groups

　　

以残余煤柱群支撑的采空区上覆煤层上行复采受煤柱载荷、层间岩层损伤、重复采动扰动及采空区水共同作用，采用现有单因素方法难以表征其稳定性演化与安全边界。针对该问题，首先分析了残余煤柱群的渐进破坏行为与层间岩层（interburden strata）的多阶段损伤演化。结果表明：单个煤柱自边缘向弹性核发生渐进破坏，边界煤柱与关键煤柱更易失稳，并可能通过载荷重分布触发煤柱群的级联失稳（cascading failure）。同时，层间岩层经历由初始开采、长期水致弱化与蠕变（creep）以及上层煤开采重复扰动所引起的顺序损伤。在此基础上，建立了考虑上覆载荷、水平地应力（horizontal in situ stress）、煤柱群支撑及采空区水压的理论力学模型，推导了层间岩层的应力场与最大屈服破坏高度，并通过综合煤柱承载能力、层间岩层完整性与突水判据评价了上行复采的稳定性。结果揭示了水平应力、开采深度、煤柱宽度与采空区水压之间显著的竞争与协同效应。增大侧压系数（lateral pressure coefficient）与煤柱宽度有利于抑制顶板破坏，而增大开采深度显著提高煤柱载荷，使煤柱承载能力成为安全上行复采的关键约束。采空区水压可部分分担上覆载荷，从而降低煤柱应力与顶板屈服；然而过高的水压会增加底板突水风险，表明存在兼顾结构稳定性与水力风险的安全压力窗口。在所研究条件下，合理的采空区水压为0.72~0.96 MPa；在所研究的几何与力学条件下，所需最小煤柱宽度约为11 m。上述发现表明，上行复采的安全性受煤柱承载能力、层间岩层完整性与采空区水压之间耦合交互作用的控制，为煤柱支撑采空区上方残余煤炭资源的安全回收与突水风险控制提供了理论依据。

研究背景方面，煤炭仍是中国能源供应的基石，对支撑经济发展与社会稳定具有关键作用。然而随着浅部煤炭资源持续枯竭与矿区生态修复推进，许多煤矿进入深部资源回收阶段或临近关闭。在多煤层煤田早期开发中，受开采技术与管理水平限制，往往优先采用房柱式或巷柱式方法开采易接近的下部煤层，且常缺乏对后续资源回收的系统规划，因而在下部煤层遗留大量废弃采空区与残余煤柱群。随着开采技术进步与资源回收率需求提高，上行复采成为回收已采下部煤层上方煤层资源的现实选择，但该开采格局引发了残余煤柱群支撑采空区上方煤层开采稳定性与安全性的重要关切。中国北方煤系地层的水文地质条件使问题进一步复杂化：随时间推移，来自地表补给与周边含水层的水可能在废弃下部采空区积聚并形成可观水压，导致上覆煤层上行开采可能在水压承载采空区上方进行，形成通过上工作面底板突水的潜在通道。与多煤层常规下行长壁开采不同，残余煤柱与周围采空区形成具有显著空间变异性的高度非均质承载系统。采空区形成后，残余煤柱长期支撑上覆岩层，其力学状态在围岩变形、长期应力重分布、煤体渐进损伤及后续采动扰动共同作用下持续演化。在上煤层上行复采过程中，推进工作面引起的支承压力不可避免与下伏残余煤柱既有高应力状态相互作用，可能导致煤柱再加载、载荷重分布及层间岩层渐进变形破坏，形成复杂的采动力学响应。采空区积水对残余煤柱的长期水致弱化进一步降低煤柱-层间岩层系统的稳定裕度。因此，全面理解残余煤柱群支撑采空区上方上行复采的稳定性，对残余煤炭资源的安全可持续回收至关重要。在多煤层开采中，各煤层的响应并非独立，其相互作用受层间距、层间岩层岩性与厚度、开采顺序、盘区尺寸以及残余煤柱几何与力学性质等因素控制。已有研究表明，下部煤层采空区形成可诱发上覆岩层应力释放与沉降，而残余煤柱可能产生局部应力集中并通过层间岩层传递至相邻煤层。随着上煤层长壁开采推进，超前支承压力进一步改变既有应力场，导致下伏残余煤柱与采空区之间载荷更复杂的重分布。对于近距离煤层，层间岩层厚度有限使其承载能力与变形行为对上下煤层采动扰动是否连通至关重要。近年来，大量研究致力于多煤层开采与残余煤柱稳定性，采用理论分析、数值模拟、物理实验与现场监测等方法，从覆岩运动、应力传递、煤柱稳定性及采动裂隙演化等角度研究多煤层相互作用。理论方法可描述煤柱-采空区系统内应力传递并建立煤柱几何、上覆载荷与层间岩层稳定性之间的关系；数值模型可进一步考虑实际地层条件与工作面推进，求解应力、位移与塑性破坏的时空演化；现场监测则为采动影响区与异常矿压行为提供工程尺度验证。已有研究显示残余煤柱可作为多煤层开采中应力集中的主要来源，其影响可能通过层间岩层传递至相邻工作面。然而多数现有研究或聚焦残余煤柱整体稳定性，或关注多煤层开采条件下静态应力分布，多因素对上行复采安全与稳定性综合影响的认识仍不充分，限制了稳定性评价可靠性与开采布局合理设计。近期研究进一步将煤柱稳定性评价拓展至先进设计与数据驱动方法，除传统解析、数值与实验方法外，人工智能辅助与数据驱动框架日益用于表征煤柱几何、地质条件、应力状态与破坏行为之间的非线性关系，凸显了多参数稳定性评价而非单因素设计的必要性。此外，废弃采空区积水产生的静水压力鲜有被显式纳入稳定性分析，尽管已有东于煤矿等底板突水事件记录。因此，在残余煤柱群支撑与水压承载采空区共同作用下评价上行复采安全稳定性仍存在明确研究空白。总体而言，残余煤柱群支撑采空区上方上行复采的稳定性不能仅归因于煤柱承载能力或层间岩层稳定性，而受涉及煤柱长期加载与劣化、层间岩层采动损伤、采空区水致弱化与水压以及上煤层开采重复扰动的复杂力学过程控制。这些因素可能不利交互，也可能表现竞争或协同效应，其综合影响取决于煤柱群承载状态、层间岩层完整性及重复开采中应力与破坏区的空间演化。据此，具有物理意义的稳定性评价需明确下部煤层采空区形成后残余煤柱群与层间岩层的基本破坏模式与时空演化，并识别控制系统稳定性的关键结构与力学参数。针对上述问题，本研究首先考察重复开采下残余煤柱群的渐进失稳与层间岩层的多阶段损伤演化，然后建立考虑上覆载荷、水平地应力、煤柱群支撑与采空区水压综合效应的理论模型，并用以阐明这些因素如何控制上行复采的稳定性与安全边界。研究人员开展的研究及结论与意义方面，研究首先分析了残余煤柱群渐进破坏行为与层间岩层多阶段损伤演化，指出单个煤柱自边缘向弹性核渐进破坏，边界煤柱与关键煤柱更易失稳并可能通过载荷重分布触发煤柱群级联失稳；层间岩层经历初始开采、长期水致弱化与蠕变以及上层煤开采重复扰动的顺序损伤。在此基础上建立考虑上覆载荷、水平地应力、煤柱群支撑与采空区水压的理论力学模型，推导层间岩层应力场与最大屈服破坏高度，并通过综合煤柱承载能力、层间岩层完整性与突水判据评价上行复采稳定性。结果表明水平应力、开采深度、煤柱宽度与采空区水压之间存在显著竞争与协同效应：增大侧压系数与煤柱宽度有利于抑制顶板破坏，增大开采深度显著提高煤柱载荷使煤柱承载能力成为关键约束；采空区水压可部分分担上覆载荷从而降低煤柱应力与顶板屈服，但过高水压增加底板突水风险，存在兼顾结构稳定与水力风险的安全压力窗口。在所研究条件下合理采空区水压为0.72~0.96 MPa，所需最小煤柱宽度约11 m。这些发现表明上行复采安全性受煤柱承载能力、层间岩层完整性与采空区水压耦合交互控制，为煤柱支撑采空区上方残余煤炭资源安全回收与突水风险控制提供了理论依据。关键技术方法方面，研究人员采用理论分析与解析求解方法，建立二维弹性半平面力学模型，将上覆载荷、水平地应力、煤柱群支撑力与采空区水压作为独立边界载荷并基于叠加原理求解应力场；引入双曲应力函数处理煤柱群不连续荷载分布，结合对称性原理推导采空区水压引起的应力分量；采用Mohr–Coulomb剪切屈服准则判定覆岩屈服状态并通过极值分析确定最大顶板破坏高度；采用底板"三区"理论经验公式估算上煤层长壁开采引起的最大底板破坏深度；引入Wilson公式估算煤柱极限承载应力并引入长期水-蠕变强度折减系数表征水致弱化；采用突水系数法评价底板突水风险。研究案例基于中国某煤矿上行开采工程背景，上煤层长壁工作面长度设为L=200 m，层间岩层厚度h=40 m，下部煤层厚度hm=8 m，煤体单轴抗压强度Rm=15 MPa，岩体平均单轴抗压强度Rc=25 MPa，岩体平均内摩擦角φ=32°，岩层平均容重γ=23 kN/m3。研究结果方面，第一，关于残余煤柱与层间岩层破坏特征，通过理论分析得出：单个煤柱自暴露侧边缘向内部渐进破坏，塑性区自两侧向内扩展并在中部保留有限宽度弹性承载核，窄煤柱两侧塑性区可能贯通导致有效承载能力大幅丧失，煤柱角部多为拉-剪复合破坏而中部多为垂直压裂或劈裂破坏；煤柱群尺度上破坏倾向于从边界煤柱起始，采空区内关键煤柱因尺寸不足、水致弱化或长期蠕变损伤而提前失稳，其载荷重分配至周围煤柱，若应力增量超过相邻煤柱承载能力则可能引发级联失稳；重复采动下受应力扰动煤柱较早损伤破坏，破坏顺序强烈依赖采动扰动空间分布。层间岩层损伤演化分为三阶段：下部煤层巷柱式开采初始损伤、长期水浸弱化与蠕变损伤加剧、上煤层重复开采底板岩层再破坏；据层间岩层屈服破坏状态分为完全屈服破坏、临界屈服破坏与不完全屈服破坏三类，以残余完整层间岩层控制层厚度hk=h-hd-hf定量区分，hk<0为完全屈服破坏、hk=0为临界屈服破坏、hk>0为不完全屈服破坏。第二，关于煤柱群支撑下最大顶板破坏高度，通过建立半无限平面力学模型并解析求解得出：上覆载荷与水平地应力、煤柱群支撑力、采空区水压三部分应力分量叠加得到覆岩应力场，结合Mohr–Coulomb准则与极值分析确定最大顶板破坏高度hd；模型适用于煤柱群空间分布近似规则的情形，高度不规则煤柱群宜采用有限元或有限差分数值方法。第三，关于各因素对上行开采安全性的影响，通过控制变量分析得出：水平地应力方面，当λ>1时顶板σx为压应力不易产生拉应力有利于顶板稳定，λ<1时顶板可能产生拉应力促进渐进破坏，浅部开采侧压系数一般大于1有利于上行开采稳定；开采深度方面，顶板最大屈服函数值随开采深度近似线性增加，每增加100 m约增大0.7 MPa，但100~500 m范围内最大屈服函数值均低于25 MPa表明房柱式开采条件下煤柱群支撑一般可维持顶板稳定，最大屈服函数值位置约在下部煤层上方6~7 m且基本与开采深度无关，煤柱承载应力随开采深度近似线性增加，开采深度约177 m时达到Wilson公式参考极限承载应力16.25 MPa，考虑长期水浸与蠕变后有效煤柱强度降低对应临界开采深度更低，约177 m为未弱化条件下理论上界值；采空区水压方面，顶板最大屈服函数值与煤柱承载应力均随采空区水压近似线性降低，水压每增加0.1 MPa最大屈服函数值约降低0.29 MPa、煤柱承载应力约降低0.30 MPa，表明水压可部分抵消传递至煤柱的上覆载荷，水压超过约1.2 MPa时最大屈服函数值变为负值表明顶板不易破坏，据突水系数法取临界突水系数T=0.06 MPa/m算得临界采空区水压Pm=0.96 MPa，综合考虑煤柱承载能力、顶板屈服与突水风险得理论安全水压范围约0.72~0.96 MPa，下限受煤柱稳定性控制、上限受底板突水判据控制，若取P=Pm=0.96 MPa且q0=σs=16.25 MPa则临界开采深度约208 m；煤柱宽度与单个采空区跨度方面，顶板最大屈服函数值随煤柱宽度增大呈非线性降低，煤柱宽度5~20 m时近似线性降低平均每米约0.02 MPa，超过20 m后降幅增大平均约0.06 MPa/m，最大屈服函数值位置随煤柱宽度增大逐渐下移平均每增加5 m约下移1 m，所研究条件下理论最小煤柱宽度约11 m，已有研究提出采空区残余煤柱侧向充填加固形成"煤柱-充填体"复合承载结构以增大等效煤柱宽度与承载能力。第四，关于与已发表证据及工程适用性比较，通过对比分析得出：本模型主要力学趋势与已发表实验与现场观测一致，残余煤柱作为局部应力集中源且煤柱破坏可诱发载荷重分布与相邻煤柱渐进失稳支持开采深度增大提高煤柱载荷并降低煤柱群稳定裕度的预测，水饱和与长期水浸降低煤柱强度与承载能力与本文水致弱化机制一致，充水废弃采空区水力连接可导致底板突水支持本文采用的水力约束；本文定量阈值应视为特定案例理论边界而非通用设计值，工程应用需根据现场实测煤柱尺寸与间距、煤岩力学性质、层间岩层厚度、地应力状态、开采深度与采空区水压重新标定，高度不规则煤柱群、强非均质地层或瞬态渗流条件下宜辅以数值模拟与现场监测。讨论部分总结如下：本研究为解析性研究，旨在识别煤柱支撑水压承载采空区上方上行复采的主导耦合机制与理论安全边界；对计算阈值进行直接一一验证需要同时包含实际残余煤柱几何、层间岩层性质、地应力、煤柱长期强度与随时间变化的采空区水压的现场数据集，目前所研究案例尚不具备此类完整数据，因此本文将结果与已发表实验与现场观测在主力学趋势层面进行比较而非直接复现相同阈值。本文定量阈值应解释为特定案例理论边界而非通用设计值，尤其安全采空区水压范围0.72~0.96 MPa由两个案例相关约束同时满足所致，下限受残余煤柱极限承载能力控制、上限受底板突水判据控制，最小煤柱宽度约11 m取决于所采用开采深度、煤层厚度、煤体强度、承载单元宽度与水力条件，参数变化将移动计算安全边界。工程应用中建议框架应利用现场数据重新标定，至少应通过现场调查或监测确定实际煤柱尺寸与间距、煤岩力学性质、层间岩层厚度、地应力状态、开采深度与采空区水压，代入解析模型重新计算煤柱承载状态、层间岩层破坏状态与水力安全边界；对于高度不规则煤柱群、强非均质地层或瞬态渗流条件，解析结果宜辅以数值模拟与现场监测后再用于矿山设计。研究结论翻译如下：(1)残余煤柱群支撑采空区上覆煤层上行复采表现出显著的多阶段损伤演化与渐进失稳。下部煤层房柱式开采后，单个煤柱自面向采空区边界向内部发生渐进塑性破坏；边界煤柱及其他关键承载煤柱更易提前失稳，由此产生的载荷重分布可能触发相邻煤柱连续破坏，最终导致煤柱群渐进式或链式失稳。同时，层间岩层依次经历下部煤层开采初始采动损伤、水浸与时间相关蠕变损伤引起的长期弱化以及上煤层重复开采重复扰动，结构完整性持续劣化。上下煤层采动破坏区是否连通以及层间岩层控制层残余厚度，构成控制上行复采稳定性与下伏采空区突水风险的关键结构条件。(2)建立了考虑上覆载荷、水平地应力、煤柱群支撑与采空区水压综合效应的半无限平面力学模型，获得煤柱群支撑下层间岩层应力场与顶板屈服范围的解析解；进一步结合Mohr–Coulomb破坏准则、煤柱极限承载能力与上煤层开采底板破坏深度，建立了上行复采稳定性综合评价框架。参数分析表明，侧压系数增大抑制采空区顶板拉伸破坏；随开采深度增大，最大屈服函数值与煤柱承载应力总体增大，但煤柱载荷增加更显著，表明残余煤柱承载能力逐渐成为深部上行复采安全的主导约束；考虑长期水致强度劣化与蠕变后临界开采深度阈值进一步降低，因此由未弱化Wilson强度导出的值应视为上界估计；增大煤柱宽度同时降低平均煤柱载荷与顶板屈服程度，从而增强煤柱-层间岩层耦合系统整体稳定性。(3)采空区水压通过竞争性力学与水力机制对上行复采产生明显双重效应。一方面采空区内水压可承担部分上覆载荷，从而降低传递至煤柱的载荷并缓解顶板岩层屈服，有利于煤柱群与层间岩层稳定；另一方面水压持续增大增强通过层间岩层的突水水力驱动力，从而增加下伏采空区突水可能性。因此上行复采安全性不受任何单一因素控制，而受煤柱承载能力、层间岩层完整性与采空区水压耦合约束，存在须同时考虑结构稳定性与突水防治的安全作业窗口。在所研究条件下合理采空区水压为0.72~0.96 MPa，所需最小煤柱宽度约11 m；当采空区水压达到临界值0.96 MPa且煤柱承载应力达到极限承载应力时，下部煤层相应临界开采深度约208 m。上述发现为残余煤柱群支撑废弃采空区上方煤炭资源安全回收及充水采空区突水灾害协同控制提供了理论依据。需要强调，本研究获得的定量安全阈值为特定案例理论结果而非通用矿山设计准则，本文框架尚未利用完整现场监测数据集独立验证，因此应用于其他矿区需利用当地地质、力学、几何与水力参数重新标定，在涉及强不规则煤柱几何或复杂水文地质条件时宜辅以数值分析或现场监测。