采動影響下采空區側向煤體卸壓效應研究

周若茜，王宏圖，舒 才，楚 濤

（1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學資源與安全學院，重慶 400044）

煤炭作為我國能源主體，占我國一次性能源消費的比例高達70%[1]。巨大的煤炭消費使得我國淺部的煤炭資源逐漸枯竭，煤礦的開采深度正以平均每年10～50 m 的速度向深部延伸[2]。在深部傾斜煤層開采中，上區段工作面開采完畢后其機巷臨空區域煤體的瓦斯賦存主要受到3 方面的影響：①上區段工作面機巷掘進前預先對該區域進行了條帶預抽；②上區段機巷掘進后，機巷可視為一超大直徑的排放鉆孔，為機巷下部的瓦斯提供了排放空間；③上區段工作面回采后，工作面的采動影響使得臨空煤體發生塑性損傷破壞，增加了煤層滲透率使得煤體瓦斯容易向上區段采空區流出從而形成一定的消突范圍。明確開采擾動下，機巷臨空煤體的卸壓消突范圍可為下區段工作面煤柱寬度留設、沿空掘巷和防突布置提供理論指導和依據[3-6]。開采活動引起采空區煤巖體應力重分布，進而引起圍巖變形、破壞和破裂，從而改變采空區邊緣煤體瓦斯賦存狀態，形成一定的卸壓保護范圍[7-10]?；诖?，以重慶紅巖礦3603 長壁工作面開采為例，建立了描述煤層瓦斯流動的固氣耦合模型，研究傾斜煤層開采后采空區周圍的變形破壞特征、沿空區煤層的應力分布和滲透率變化。并對現場瓦斯壓力變化進行監測，得到瓦斯壓力隨工作面推進的變化規律，并驗證數值模擬結果的正確性，并確定采空區側煤體消突范圍。

1 采空區下部沿空煤體卸壓效應模擬模型

紅巖煤礦為單一煤層開采礦井，6#煤層為主要可采煤層，采用長壁法開采。煤層平均傾角30.5°，煤層厚度1.8 m，屬高硫高熱值肥煤，易發生瓦斯突出。3603-2 段工作面風巷標高為+100 m，機巷標高+10 m，垂直高度為90 m。在3603-2 采區附近+0.362 m高程（埋深540 m）測得原始瓦斯壓力為3.18 MPa。

由于3603-2 工作面煤層傾斜，且煤層厚度（1.4 m）遠小于長壁工作面長度（160 m）和推進距離，當采用三維模型進行數值計算，模型單元數量將遠超當前所配備的計算機的計算能力。故采用簡化的二維平面應變模型來減小求解規模，數值計算的幾何模型及單元劃分如圖1。

圖1 數值計算的幾何模型及單元劃分Fig.1 Geometric model and element division of numerical calculation

模型的求解流程為：首先利用Ls-dyna 自定義材料本構模型接口對基于Hoek-Brown 塑性屈服準則的巖石材料彈塑性損傷本構模型進行二次開發，然后利用該模型對工作面開采后的應力應變場進行解算，計算出工作面開采后的應力分布及損傷變量分布情況，再將該應力及損傷變量輸出到具有PDE求解功能的Comsol Multi-Phsiysic 軟件中進行滲流場的求解。

2 數值模擬結果

2.1 采空區周圍變形破壞特征

上覆巖層的變形與破壞如圖2。

圖2 上覆巖層的變形與破壞Fig.2 Deformation and failure of overlying strata

由圖2（a）可知，煤層開挖后，上覆巖層總體以傾斜下部煤巷為軸向下彎曲沉降，距傾斜下部煤巷越遠，位移越大，最大值為2.89 m。同時，隨著豎直距離的增加，工作面開挖帶來的影響逐漸減弱，上覆巖層位移逐漸減小。

由圖2（b）可知，上覆巖層的損傷分布呈梯形。破壞最嚴重的區域為中部巖層和采空區兩側的煤層。在拉應力和剪應力的共同作用下，上覆巖層中部巖層出現穿透性斷裂；工作面開挖產生的集中荷載使廢棄尾巷附近的煤層被壓碎，因此煤層中將形成一個相互連接的裂隙網絡，為瓦斯流入采空區提供通道。

2.2 沿空煤層分區變化特征

等效應力和滲透率增大倍數隨距采空區邊界距離的變化如圖3。

圖3 等效應力和滲透率增大倍數隨距采空區邊界距離的變化Fig.3 Variation of equivalent stress and permeability increasing multiple away from gob-margin

從圖3 可以看出，距采空區邊緣約11 m 處的峰值應力為23 MPa。隨著距采空區距離的增加，等效應力逐漸減小，最終恢復到初始應力值13.5 MPa，應力集中系數為1.7。另外，在煤體內部0～9 m 范圍內，滲透率的增加倍數從104降到1；在集中應力作用下，距煤壁12 m 處的滲透率最低，僅為初始滲透率的0.4%。等效應力和滲透率的變化呈現出明顯的分區特征，根據2 個參數的變化特征，可將采空區側大致劃分為破裂貫通區、應力集中區和原始彈性區。

1）破裂穿透區的范圍為采空區側0～9 m。區域內支承應力超過了煤體的承載極限，煤體發生塑性破壞，滲透率顯著增加，為瓦斯的釋放提供通道。

2）應力集中區在距采空區邊界9～40 m 處。該區為彈塑性過渡區，距采空區邊緣較近的部分煤體呈塑性破壞。由于破裂穿透區煤體的破壞，部分本該由破裂穿透區承擔的垂直應力轉移到了該區域，使該區煤體處于壓縮狀態，導致滲透率減小，在峰值應力點滲透率降至最低。

3）原始彈性區距采空區邊界40 m。隨距采空區邊界距離增加，應力和滲透率逐漸恢復到初始值。

3 沿空煤體瓦斯壓力變化的現場考察

3.1 鉆孔布置與瓦斯壓力變化

瓦斯壓力考察點距離3603-2 段工作面走向前方位置100 m，鉆孔布置在距離工作面機巷斜長10～23 m 范圍內，沿走向每隔20 m 布置1 組論證考察鉆孔，每組包含4 個鉆孔，工作面及瓦斯壓力考察鉆孔布置圖如圖4。第1 組的鉆孔與采空區邊界距離分別為10、15、20、23 m，其余3 組鉆孔布置方式相同。這些孔沿走向設計，分別處于不同的標高，可確保孔與孔之間有足夠間距，以消除測壓孔之間的相互影響。

圖4 工作面及瓦斯壓力考察鉆孔布置圖Fig.4 Layout of the working face and the boreholes for on-site measurements

壓力表讀數的時間間隔視工作面推進進度而定，在工作面距離測壓孔30 m 之外，平均工作面每推進5 m（約1 周）讀數1 次；當工作面距離測壓孔在30 m 以內時，讀數頻率增加到每推進2～3 m（每3～4 d）讀數1 次；當工作面推過測壓孔100 m 左右后，讀數頻率降至每推進30 m 讀數1 次。

3.2 瓦斯壓力監測結果

在采空區煤層10～25 m 范圍內設計布置了12個鉆孔，但由于測壓鉆孔與煤層夾角平緩，封孔存在問題，部分鉆孔發生泄漏，無法測量瓦斯壓力。瓦斯壓力隨工作面推進距離變化曲線如圖5。

圖5 瓦斯壓力隨工作面推進距離變化曲線Fig.5 Change curves of gas pressure with advancement

由圖5 可知，距工作面10、15、23 m 處的平均氣體壓降為1.5 MPa（M1_1 和M3_1）、1.2 MPa（M1_2）和1 MPa（M1_4 和M1_4），平均下降率分別為71%、46%和34%。表明開采擾動對采空區側瓦斯釋放有促進作用，距離是影響瓦斯壓力下降幅度和持續時間的主要因素。在整個工作面的推進過程中，每個測點的瓦斯壓力都經歷了1 個下降然后穩定的過程，可將壓力變化過程隨推進距離的增加分為3 個不同的階段。

1）初始擾動階段。在工作面前方25 m 范圍內，在此范圍內，測量點處的瓦斯壓力緩慢增加。

2）持續擾動階段。此階段定義為工作面后方230 m 范圍內，在這一階段，隨著工作面推進，測量鉆孔附近的煤體受到不同程度的破壞，煤體中的瓦斯會通過產生的裂隙網絡流出，瓦斯壓力持續下降。

3）穩定階段。工作面推過230 m 范圍之外，瓦斯壓力不再下降，說明采空區煤體中的瓦斯不再流動。這是因為：①采空區煤體瓦斯在持續擾動階段已經流失殆盡；②工作面推過后，測點處的煤體在應力作用下被重新壓實，導致滲透率降低。

3.3 模擬與現場監測結果對比

工作面開采后380 d，距離采空區15、23 m 處，數值模擬與現場監測結果比較如圖6。

圖6 數值模擬與現場監測結果比較Fig.6 Comparison between numerical simulation and field investigation results

在前300 d，瓦斯的變化趨勢與數值模型接近，隨時間變化，實測瓦斯壓力保持穩定，而模擬計算的壓力則以緩慢的速度下降。造成這種差異的原因可能是在模擬過程中沒有考慮到煤體中瓦斯的擴散效應：工作面推進300 d 后（對應距離為230 m），裂隙帶瓦斯在滲流300 d 后基本耗盡，因此，低滲透區的瓦斯可能受擴散控制。模擬結果與現場實測結果具有較好的一致性，故數值模擬計算對預測采空區煤體損傷和應力變化具有較強的指導性。

3.4 瓦斯消突帶范圍

經過長時間的流動擴散，采空區側向煤層瓦斯流動進入穩定階段，采空區側瓦斯壓力和損傷分布圖如圖7。

圖7 采空區側瓦斯壓力和損傷分布圖Fig.7 Distribution of the gas pressure and the damage along with the dip

由圖7 可知，在0～5 m 范圍內，煤體損傷極大，沿空煤體幾乎被壓碎，損傷值在之后的8 m 內急劇下降至0，瓦斯壓力分布呈現出相應的變化趨勢，但由于瓦斯壓力梯度的存在，瓦斯壓力的變化總是滯后于煤層的損傷。對比現場瓦斯壓力與數值模擬結果可以看出，瓦斯壓力的變化趨勢是一致的，但在10～15 m 范圍內，實測瓦斯壓力略大于數值模擬。

根據《防治煤與瓦斯突出規定》[11]，當煤層中的瓦斯壓力小于0.74 MPa，即可視為已消除煤與瓦斯的突出危險性。根據準則和數值模擬的瓦斯壓力結果，將瓦斯突出消除帶定為11.8 m，但由于距采空區邊界11.8 m 處位于應力集中區，為盡可能的保證安全，需要縮小消突帶范圍?，F場試驗結果表明，距采空區10 m 的煤柱瓦斯壓力滿足規范要求，因此綜合數值模擬與現場監測結果，確定瓦斯壓力消突帶范圍為10 m。

4 結 論

1）采空后覆巖的變形和破壞均呈梯形分布，應力集中在采空區兩側，這是破壞最嚴重的區域。根據等效應力分布和滲透率的變化，將沿空煤體劃分為3 個區，即裂隙貫通區、應力集中區和原始彈性區，在裂縫穿透區，瓦斯得到釋放，形成卸壓區域。

2）瓦斯壓力隨工作面推進距離的變化可分為3個階段：初始擾動階段（工作面前方25 m）、連續擾動階段（工作面后230 m）和穩定階段（工作面后230 m 以外）；另外，距采空區邊緣的距離與瓦斯壓降呈負相關。

3）通過對現場與數值模擬結果的對比，發現模擬結果對預測開采范圍具有指導意義，結合現場和模擬結果，紅巖礦3603-2 工作面采空區煤層瓦斯突出消除帶寬度為10 m。