近距離煤層群初采階段應力場分布與煤巖運移規律模擬分析

李川田 吳世躍 孫曉元 龐杰文

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024； 2.太原科技大學環境與安全學院，山西省太原市，030024)

受限于地質賦存條件的復雜性和多樣性，煤層群開采的現象在我國諸多礦區普遍存在。就災害防治與瓦斯利用的角度而言，煤層群中先行采出的煤層為保護層，后續回采的煤層為被保護層。按照保護層采動后能否與被保護層形成裂隙通道，煤層群又可分為近距離煤層群和遠距離煤層群。近距離煤層群中保護層的回采不僅導致了載荷的重新轉移與應力集中區和卸壓帶的出現，加劇了應力分布的復雜程度，同時導通的裂隙又成為被保護層瓦斯運移和泄放的主要通道，使得瓦斯涌出量明顯增加，且這一現象在深部高瓦斯工作面回采時體現的尤為顯著。研究表明，隨著開采深度的增加，高瓦斯煤層群首采工作面瓦斯涌出量可達到90～120 m3/min，其中鄰近層涌出比例超過了60%。因此，與遠距離煤層群相比，近距離煤層群保護層回采時往往具有較大的危險性。

需要指出的是，近距離煤層群回采在給災害防治提出挑戰的同時，也給瓦斯抽采與利用帶來了新的契機。煤層群開采恰恰是聯合抽采及煤與瓦斯共采技術應用的關鍵領域。特別是在我國普遍存在瓦斯壓力高、含量大、滲透率低和抽采難度大的情況下，利用保護層回采對被保護層進行人工增透已成為增大煤層透氣性和抽放效率的重要手段。當前針對近距離煤層群開采的研究主要從理論分析、模擬試驗、數值仿真和現場觀測等角度展開。理論研究方面，程遠平等提出利用保護層采動使上部和下部的煤層卸壓，進而提高瓦斯抽采效率，并以此為依據確立新莊孜礦煤層群的開采順序；朱濤等提出極近距離煤層開采時的下層煤“散體-塊體”頂板結構模型，揭示了極近距離煤層開采時下層煤采場端面的頂板冒落機理。實驗室研究主要圍繞相似模擬展開，嚴國超等構建了極近距離薄煤層群聯合開采的常規錯距開采模型，并驗證了常規錯距計算公式的準確性；鞠金峰等利用相似模擬分析出了上部傾向煤柱時的動載礦壓機理；程志恒等試驗模擬了保護層與被保護層雙重采動影響下圍巖應力-裂隙分布與演化特征；周楠等試驗模擬了下煤層開采工作面采場覆巖構成的“塊體-散體-塊體”復合老頂結構, 并分析了礦壓顯現規律。數值仿真方面，張百勝等研究了煤柱支承壓力在底板的分布規律；方興秋等分析了近距離煤層群開采過程中上層煤采空區和遺留煤柱對下層煤回采巷道的影響；王泳嘉等分析了上下層工作面的合理錯距；程志恒等利用FLAC3D仿真軟件確定了沙曲礦近距離煤層群巷道的布置參數?，F場測試方面，李川田等研究了屯蘭礦采煤工作面底板瓦斯超限的機理；劉新河等分析了郭二莊礦近距離煤層兩工作面同時開采時的合理錯距范圍；劉洪濤等則采用窺視統計的手段，結合分形理論揭示了六家煤礦6煤組近距離煤層群巖體碎裂尺度及均勻度對裂隙分形特征的影響，指出在其裂隙分維值與塊度分維值密切相關，塊度分維值越接近2，則煤層群裂隙網絡越發育。

通過上述分析可知，許多學者從不同角度針對近距離煤層群開采進行了大量的研究，也取得了豐碩的成果。但是，當前對于近距離煤層群開采展開的研究主要集中于正?；夭呻A段，針對初采階段煤層群開采進行探討的文獻較少。實際上，礦井正?；夭蓵r工作面采動裂隙發育及孔隙流壓明顯降低的上邊界高度可達145 m，但煤層群初采階段豎向上不能達到如此大的范圍。所謂初采階段，是指工作面從切眼開始推進到老頂初次垮落，瓦斯涌出不穩定的一段距離范圍的推進時間。在初采階段，采空區煤體尚未完全冒落，回采工作面承受上覆煤巖體懸臂梁作用，開切眼附近裂隙帶橫向范圍約等于整個工作面長度，縱向范圍大于初始來壓步距和兩倍周期來壓步距之和，豎向范圍則較小。與正?；夭善谙啾龋簩尤洪_采的初采階段上覆煤巖層移動、礦壓顯現及瓦斯涌出規律等均具有特殊性。所以，開展針對煤層群初采階段采場應力場分布及煤巖運移規律的分析是研究礦井圍巖控制及裂隙演化規律的基礎理論，具有重要的理論意義與應用價值。

煤層群開采現象在華北晚古生代盆地南帶的下二疊山西組和下石盒子組中體現的較為顯著，華晉焦煤集團沙曲煤礦就屬于典型的近距離煤層群開采礦井。在當前的+400 m一開采水平中，分布有二疊系山西組2#、3#、4#和5#煤層。其中，3#煤層和4#煤層由于在24207等北翼工作面距離過近(100 mm)，往往被合并開采。此外，上覆2#煤層距離3～4#煤層不足15 m，下部5#煤層距離3～4#煤層僅5.5 m。因此，在3～4#煤層作為保護層的24207工作面采掘時，存在明顯的一層開采、多層卸壓的現象，煤巖卸壓使煤層原始透氣性系數得到數十倍至數百倍的提高。特別是24207工作面初采階段，采動影響下的上下煤巖層的力學行為導致其裂隙發育、擴展直至破壞，從而為瓦斯運移形成通道，使得工作面瓦斯涌出量大，涌出不平衡及瓦斯超限現象頻發，給瓦斯治理及安全生產提出了技術難題。鑒于采動圍巖應力分布及裂隙演化具有系統性、復雜性及現場不可視性等特點，本文以華晉焦煤沙曲礦24207回采面為工程背景，借助FLAC3D數值模擬軟件進行系統仿真，探索煤層群初釆階段的應力場分布和煤巖運移規律。該研究成果將有助于完善采煤工作面初采階段煤巖細觀力學行為規律的探索，并將為高瓦斯近距離煤層群初釆階段的瓦斯防治理論研究提供依據和技術支撐。

1 仿真模型構建

24207工作面為沙曲礦北二采區沿煤層傾向布置的長壁式回采工作面，采用一次采全高、傾向長壁后退式跟頂跟底全部垮落的綜合機械化采煤方法, 開采3～4#合并煤層。煤層平均厚度約4.6 m，平均埋深約500 m，回采初期工作面長度220 m。24207工作面及上下煤巖層基本情況見表1。

根據表1中列舉的參數，利用FLAC3D模擬軟件建立仿真模型，豎向高度為40.87 m。由于開切眼附近的24207工作面長度為220 m，為充分探究回采后采空區周圍煤柱的應力場分布情況，模型橫向和縱向寬度均設定為300 m，由此所構建的基本模型含有35100個網格和38440個節點，具體的仿真模型及網格劃分如圖1所示。

圖1 仿真模型及網格劃分情況圖

在FLAC3D建模過程中，為了便于計算，對煤巖介質性質、礦山地質條件、受力條件、采煤工藝等都進行了假設。工作面采用一次開挖完成的形式進行模擬，計算時暫不考慮與時間相關的其他物理量，同時假定工作面及其上下煤巖層均為符合摩爾-庫倫彈塑性模型的介質。

2 仿真模擬結果初步分析

根據采空區頂板移動規律，回采初期采空區煤體尚未完全冒落，整個采空區基本屬于離層區范圍。裂隙帶沿縱向和橫向無重新壓實區，回采工作面承受上覆煤巖體懸臂梁作用，開切眼附近裂隙帶橫向范圍約等于整個工作面長度，縱向范圍大于初始來壓步距和兩倍周期來壓步距之和。結合沙曲礦的實際情況，確定24207回采面初采期的橫向范圍為220 m，縱向范圍為80 m。本文分別研究未開采及開挖至10 m、30 m、50 m和70 m時的位移場和應力場分布情況，同時模擬出各階段的煤巖體塑性區分布情況。

2.1 未開挖時的模擬結果分析

研究表明，在深度25～2700 m范圍內，垂直應力基本呈線性增長，由此計算得出的數值與平均容重27 kN/m3計算得出的自重應力大致相當。由于24207工作面平均埋深約500 m，由此可知其上覆煤巖體所承載的近似豎向均布載荷為13.5 MPa。在上述載荷下，仿真模型出現位移變化，利用Tecplot后處理程序，此時其位移場和應力場如圖2所示。

圖2 未開挖時的應力場和位移場切片圖

由圖2可知，當載荷施加后，仿真模型產生位移變化，最大位移量為75 mm。由于模型豎向高度為40.87 m，在上覆載荷和模型重力場的綜合作用下，模型底部出現最大載荷區，最大應力值為14.35 MPa，模擬值與計算值基本相同，這也從側面驗證了模型的正確性。

2.2 開挖10 m時的模擬結果分析

24207工作面回采10 m后的應力場、位移場和塑性區分布情況如圖3所示。工作面開挖10 m仿真模型沿中軸線縱剖面的應力場分布如圖3(a)所示。為充分探究初采階段圍巖應力場分布情況，回采面開切眼距離模型邊界也保留40 m，從而首次開挖的x軸坐標為250～260 m。鑒于此，特選取x=250 m和x=255 m的橫向切片來分析回采10 m時采場及采空區兩處的應力場分布情況如圖3(b)和圖3(c)所示。對比分析應力場和位移場圖可知，與采場斷面相比，采空區附近的應力場更為復雜，具體表現為當3～4#煤層開挖之后，采空區上下煤巖體的應力均呈現出向采空區方向降低的變化規律，甚至出現應力值低于未開挖時原始應力值的情況，表明此時采空區上下存在煤巖體應力的泄放過程。與此同時，采場兩端應力呈現出向支撐煤巖體端頭中部逐漸升高的現象，即在兩端形成應力集中區，峰值應力值達到16 MPa。上述分析結果表明，當采煤工作面開挖之后，部分煤體被采出，原本由該部分煤體承載的應力場向周圍介質轉移，進而使開挖工作面上下煤巖體的應力向采出空間釋放，同時在回采面的遺留煤柱范圍內產生應力集中區。上述過程是工作面回采后載荷轉移和應力場重新分布的重要體現。

與應力分布情況相類似，24207工作面回采10 m后的仿真模型各層位位移也呈現一定的規律性。位移場縱向局部切片如圖3(d)所示。由圖3(d)可以看出，隨著采空區的形成，上覆煤巖層開始下沉，同時底板及下部煤巖層位向上移動，采空區上下煤巖體開始產生離層裂隙。在此階段，底板煤巖應力及位移變化較上覆煤巖的變化較小。這一變化規律與應力場的變化規律是對應的，均為載荷轉移和應力場重新分布的結果。此外，由圖3(e)所示的采場處塑性區橫向切片圖可知，此時所有單元的塑性區均處于past狀態，因此可認為該面在荷載作用下模型仍然處于彈性變形階段，模型尚未形成破壞。

圖3 開挖10 m時的仿真模擬結果

2.3 開挖30 m時的模擬結果分析

24207工作面回采30 m后的應力場、位移場和塑性區分布情況如圖4所示。對比分析圖3(a)與圖4(a)可知，開挖至30 m時，采空區上覆煤巖體的應力得到進一步下降，變化趨勢相同，但較開挖10 m時的應力值小，表明此時煤巖體應力的泄放過程仍在進行。泄放的載荷持續向兩側轉移，使應力場縱向切片(y=150 m)和橫向切片(x=245 m)處的最大峰值應力均出現在采掘空間兩端，分別為開挖10 m時的1.45倍和1.2倍。

圖4 開挖30 m時的仿真模擬結果

24207工作面回采30 m后的仿真模型各層位的位移與應力場變化也表現出一定的相關性。對比圖3(d)和圖4(c)可知，兩端應力集中區位移變形加劇，并沿應力卸放區的方向由水平位移向豎向位移發展。開采30 m后，回采面正上方處于較高位置的部分煤巖體產生較大形變，但這一形變位移在某類巖層的特殊作用下并未向下有效地傳遞，從而使工作面直接頂的位移下降有所減少。結合圖4(d)的塑性區分布結果可知，這一特殊巖層實際上就是煤礦開采中的主關鍵層。彈性模量較大，強度較高，厚度較大的細砂巖和中砂巖(模型第9層和第10層)滿足主關鍵層的特性，并以平板梁的形式承載著上覆巖層，對巖層運移起控制作用，減緩了其位移速率。

2.4 開挖50 m時的模擬結果分析

24207工作面回采50 m后的應力場、位移場和塑性區分布情況如圖5所示。由圖5(a)可以看出，隨著回采進尺的增加，采場上方覆巖的應力轉移趨勢愈加清晰，支承壓力峰值繼續下降；同時煤壁處的應力集中程度也更為明顯，其峰值(36 MPa)已達到開挖30 m時的1.6倍，是初始地應力水平的2.57倍。

與圖4相比，開挖進尺50 m時的采場空間上覆巖層運移情況產生了較大變化，各點的位移量均顯著增加，最大值由140 mm增大到340 mm，增幅近150%，離層裂隙充分發育，兩端應力集中區的豎向位移也明顯加劇。在該階段，采空區上覆煤巖體的離層裂隙和豎向裂隙都得到了充分發育，為鄰近層瓦斯的運移提供了有效通道。在此過程中，以細砂巖和中砂巖為主體的關鍵層仍對上覆巖層的運移起主導作用，此時該區段巖層正位于屈服面上，處于塑性流動的狀態。

圖5 開挖50 m時的仿真模擬結果

2.5 開挖70 m時的模擬結果分析

24207工作面回采70 m后的應力場、位移場和塑性區分布情況如圖6所示。由圖6(a)可以看出，與其他開挖進尺類似，回采面控頂距內上部仍為應力泄放區，載荷均轉移到煤壁周邊，其峰值載荷達到50 MPa，為初始地應力的3.57倍。

與此同時，回采面上覆煤巖層的豎向位移也在不斷增加，其位移峰值甚至達到了5 m，已經超過了3～4#煤層的采高。這種仿真結果和實際情況存在著較大出入。究其原因，FLAC軟件是基于連續介質及有限差分原理提出的，在地質材料達到強度極限或屈服極限前的地表移動或開采沉陷等大變形仿真中具有較大的優勢。當變形增加到一定值后，煤巖斷裂將變得不可避免，此時基于連續介質和有限差分原理的FLAC3D將不再適用，這一點在圖6(c)的塑性場分布規律中得到印證。這也說明當24207工作面回采至70 m時，初釆期已經結束。

圖6 開挖70 m時的仿真模擬結果

3 監測點應力與位移演化曲線分析

上述的仿真分析主要圍繞云圖模擬結果來展開，云圖可以較好地反映同一時刻煤巖體不同位置的應力場和位移場分布規律，但不能反映煤巖體同一位置隨開挖時步和進尺的應力—位移變化規律。為充分探討3～4#煤層回采工作面開挖后仿真模型

中相鄰煤層的應力及位移演化規律，在3～4#煤層回采工作面開切眼的上覆2#煤層和下伏5#煤層中開始布置第一個監測點，每隔10 m處布置第二個監測點，然后每隔20 m布置一個監測點，各煤層分別布置5個監測點，如圖7所示。

圖7 仿真模型縱剖面監測點布置圖

由圖7可以看出，上部2#煤層各監測點從切眼位置開始分別命名為1、2、3…，同時下部5#煤層各監測點分別命名為1'、2'、3'…，分別記錄各點應力值和位移值的演化情況。由于FLAC3D在進行應力和位移場分析時，默認壓應力為負，拉應力為正值，同時豎向方向的位移以向下沉降為負，以向上隆起為正。結果顯示，上覆2#煤層各監測點的應力值和位移值均為負值，為了便于對比分析，將所有監測值取其絕對值。但下部5#煤層監測點的應力值和位移值包含正、負值，故僅對原數據值進行分析，將不同回采進尺情況下各監測點的應力和位移參數繪制分別如圖8和圖9所示。

圖8 不同開挖進尺時上覆煤層監測點分析結果

由圖8可知，在3～4#煤層初釆階段，隨著回采工作的不斷推進，上覆2#煤層各監測點的豎向應力和位移絕對值演化規律為：開挖30 m時應力峰值出現在監測點4(距開切眼50 m)和監測點5(距開切眼70 m)，而最小應力值點為監測點2(距開切眼10 m)；開挖50 m時應力峰值出現在監測點4(距開切眼50 m)。由于煤層的開挖，采場上方產生明顯的應力泄放區(<50 m)，造成其應力值下降，甚至低于未開挖時的原始應力值，同時載荷開始向采場兩端煤柱轉移，進而在兩端面形成應力集中(監測點1和4)，從而形成壓力拱效應。

由于FLAC3D僅能描述連續介質的應力和位移變化規律，且在初采階段采場上方煤巖層并未出現明顯的破斷，因此雖然2#煤層出現壓力拱效應，其位移仍嚴格遵循兩端約束，屬于整體承載的簡支梁模型。開挖<50 m范圍內，2#煤層各監測點位移量變化平穩，位移量最大值小于2 m；從50 m開始，各監測點位移量突然增加，開挖70 m左右時，位移量達到5 m的峰值；且臨近采場上方中部的監測點3(距開切眼30 m)始終為位移峰值處，這一點與其最小應力值形成了鮮明對比，因此可以確定3～4#煤層初釆階段是從切眼回采至接近70 m的范圍。

圖9 不同開挖進尺時下伏煤層監測點分析結果

由圖9可知，與上覆2#煤層的應力和位移演化趨勢相近，下部5#煤層隨著回采工作面開挖進尺的增加，采場下方煤體應力隨之泄放，載荷向兩端煤柱轉移。不同之處在于，采場中部(2'和3'監測點)應力變化更為明顯，甚至出現了由負值(壓應力)向正值(拉應力)的轉化，同時產生了部分監測點的隆起，從而形成反向壓力拱效應。3～4#煤層底板產生底鼓現象，同樣為下部煤層瓦斯向上鄰近回采工作面涌出提供有效通道。

4 結論

(1)在近距離煤層群初采階段，由于大面積煤巖體斷裂尚未發生，所以，借助FLAC3D巖土力學分析軟件可較好地描述初采階段采場鄰近煤巖層的應力場分布特征與運移規律，從而為采動作用下鄰近煤巖層裂隙演化規律研究提供了一種可行的研究方法，為現場初釆階段瓦斯抽采設計提供科學依據。

(2)在近距離煤層群初采階段，形成應力卸放區和集中區，即隨著回采工作面的推進，采場上下煤巖體中部存在明顯的應力泄放過程，上覆煤巖層呈現出壓力拱效應，下部煤巖層同步形成反向壓力拱效應，形成了應力卸放區，隨著推進度的不斷增加該區域也逐漸形成了瓦斯富集區；同時釋放載荷向采場兩端煤柱轉移，采場兩端應力呈現出向支撐煤巖體端頭中部逐漸升高的變化規律，即在兩端形成了應力集中區。

(3)對比分析圖3(d)、圖4(c)和圖5(b)可以得出，隨著工作面的不斷推進，采場煤巖體的位移場分布整體上呈現出鄰近煤巖體向采出空間移動的規律，隨著推進度的增加，位移等值線由水平向豎向變化且梯度增大。這說明采場上下煤巖體離層裂隙發育，采場兩端煤巖體隨著推進度的增加豎向裂隙逐漸發育，最后形成貫通裂隙，同時為鄰近層瓦斯向采空區運移提供了有效通道。

(4)3～4#煤層回采工作面鄰近層位移峰值處往往也是最小應力值點，并在采場空間中部伴隨頂板下沉以及底板隆起與底鼓現象的產生。

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