煤厚變化區采動應力演化及其沖擊影響研究

尚秀全，楊浩宇，艾 國，張永貴，朱廣安

(1.神木職業技術學院，陜西 神木 719300； 2.北方魏家峁煤電有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000； 3.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

隨著煤礦進入深部開采，沖擊地壓災害的頻度和強度顯著增加，難以有效預測與防治。根據統計分析，沖擊危險程度與煤層厚度及其變化密切相關[1]。大量的現場觀測和地應力測量發現，在煤厚變化區域，地應力場發生異常現象，應力集中程度高，易于誘發強礦震和沖擊地壓顯現[2]。近年來，國內外學者通過數值模擬和微震監測等方法，對煤厚變化區域礦震活動、應力和彈性能等分布規律進行了研究[3-6]。本文以山東某礦深部工作面為例，針對切眼貫通過程中礦震呈“條帶”分布特征進行分析，結合現場實際揭露的煤層變薄帶，探索煤厚變化對初始應力和采動應力的影響，為類似條件下的強礦震、沖擊地壓事故提供借鑒。

1 工作面概況

3112工作面平面布置如圖1所示，在四周斷層(F2、FX2、F3111-1和F3)的切割作用下，3112工作面區域成為單獨的一個塊體，西側為3113采空區(工作面寬度70 m)，東側為3109采空區、3110采空區和3111采空區形成的大采空區(工作面寬度依此為70 m、110 m和70 m)。 3112工作面埋深約900 m，煤層平均傾角10°；煤層厚度2.8～9.0 m，平均6.73 m；走向長度平均541.8 m，傾向長度52.9～112.9 m。工作面地質條件復雜、埋深較大、沖擊危險性高。

2 沖擊地壓概況及原因分析

3112孤島工作面在整個掘進和初步回采過程中累計發生3次沖擊地壓事故[7-8]，首先是2011年11月17日3112材料道掘進發生一起沖擊地壓事故，如圖1中45°填充斜線區域所示。為降低沖擊危險，提高孤島煤柱的承載能力，對工作面進行縮面設計，開切眼位置轉移到原設計切眼后方3112工作面材料道拐彎處。切眼掘進貫通期間和工作面初步回采期間，各發生了一起沖擊地壓事故，事故造成的沖擊破壞區域為圖1中135°填充斜線區域和90°填充斜線區域，兩次事故均造成大面積巷道和工作面破壞，但均無人員傷亡。

通過對現場微震統計結果進行分析，可以發現一些異常現象，圖2為2014年10月1～17日皮帶巷修復期間SOS微震監測系統記錄的礦震分布情況。由圖2可知，礦震主要分布于兩個區域：①皮帶巷修復區域附近，主要以小能量震動為主；②切眼靠近皮帶巷附近礦震叢集，呈斜長條帶分布，104J以上強礦震頻發。由此可見，不受巷道掘進影響范圍的切眼附近(距離修復區域350 m)礦震顯現頻發，且呈規律性分布，預測在此礦震帶附近存在應力異常區域。后期，切眼迎頭施工(材料道向皮帶巷貫通)過程中揭露一處煤層變薄區，如圖3所示。煤層厚度變化區應力集中，高應力的釋放誘發了后兩次沖擊顯現。

圖1 3112孤島工作面平面和歷次沖擊顯現區域分布圖Fig.1 Roadway layout and burst source distribution in the mined panel

圖2 3112皮帶巷修復期間震源分布圖Fig.2 Distribution map of seismic sources during restoration of 3112 belt roadway

圖3 煤層變薄帶Fig.3 Coal bed thinning zone

3 數值模擬

3.1 數值模型和模擬方案

采用FALC3D軟件模擬煤層厚度變化時的應力分布情況。 模型尺寸為200 m×150 m×130 m，如圖4所示。 模型頂部邊界施加垂直載荷12 MPa，根據現場地應力測試結果，側壓系數為1.5，施加15 MPa的水平應力，數值模擬采用摩爾-庫倫模型，模擬采用的煤巖體力學參數見表1。共建立了4個模型，分別模擬煤層厚度由5 m依次變化為4 m、3 m、2 m和1 m時，煤厚變化區原巖應力和采動應力(垂直應力和水平應力)變化規律。

圖4 數值計算模型Fig.4 Sketch of numerical modelling

表1 模擬采用的煤巖體力學參數Table 1 Properties and parameters of the model

3.2 原巖應力分布規律

3.2.1 垂直應力

提取煤層中心線測線所得的垂直應力，見圖5，煤層中心線上垂直應力平均值為14.5 MPa，煤層厚度變化對其原巖應力集中程度的影響見表2。由圖5和表2可知，所有模型均顯示一個特點，即煤層厚度變化區域出現應力集中現象，且煤層厚度變化越劇烈，原巖應力集中程度越高。 當煤層厚度由5 m變為4 m時，煤層初始應力上升至15.93 MPa；當煤層厚度由5 m變為3 m時，煤層初始應力上升至18.46 MPa；當煤層厚度由5 m變為2 m時，煤層初始應力上升至21.67 MPa；當煤層厚度由5 m變為1 m時，煤層初始應力上升至25.55 MPa。

圖5 煤厚變化區初始垂直應力分布曲線Fig.5 Vertical stress curves with varying thicknesses in thickness of the coal seam area

表2 煤厚變化區峰值應力及應力集中系數Table 2 Comparison between values of peak stress and stress concentration factor for different modelling

3.2.2 水平應力

以模型1為例，圖6所示為煤層厚度變化時初始水平應力變化情況。由圖6可知，煤層和底板之間的水平應力下降程度較低，相反地，煤層和頂板之間的水平應力增加較快。

為進一步研究水平應力的變化規律，提取煤層、底板和頂板之間的監測數據(圖7)。由圖7可知，隨著煤層厚度變薄，煤層和頂板之間的水平應力差由3.11 MPa上升至6.74 MPa，煤層和底板之間的水平應力差由1.98 MPa下降至0.15 MPa。分析可知，煤層厚度的變化導致初始水平應力分量的急劇增加，這為煤層開采推進至煤厚變化區沖擊地壓的發生提供了條件。

圖6 煤厚變化區初始垂直應力分布曲線Fig.6 Horizontal stress curves within the thickness variation of the coal seam

圖7 煤厚變化區水平應力演化(模型1)Fig.7 Differential horizontal stress within the thickness variation of the coal seam (model 1)(注：Δσ1為煤層和頂板之間水平應力差，Δσ2為煤層和底板之間水平應力差)

3.3 采動應力分布規律

工作面采動推進至煤厚變化區垂直應力和水平應力差變化曲線如圖8和圖9所示。 由圖8和圖9可知，隨著工作面的進一步推進，受采動影響，煤層厚度變化區采動垂直應力和水平應力差進一步增大。

4 結 論

1) 煤層厚度變化區應力集中程度高，易于誘發強礦震和沖擊地壓。

2) 在煤層厚度變化區，煤層厚度變化越劇烈，其原巖應力值和應力集中系數增大的程度越大，垂直應力是相同條件下初始應力值的2倍左右。

圖8 采動推進至煤厚變化區垂直應力變化曲線Fig.8 The vertical stress curve when mining advances to coal thickness change area

圖9 采動推進至煤厚變化區水平應力差變化曲線Fig.9 The horizontal stress difference curve when mining advances to coal thickness change area

3) 隨著煤層厚度變薄，煤層和頂板之間的水平應力差隨之增大，而煤層和底板之間的水平應力差隨之減小。