近直立煤層群水平分段開采應力分布與演化特征

劉傳義，楊勝利，馮攀飛，劉 垚，李 明，許金夢，畢健成

（1.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院，北京 100083；2.國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830084）

我國西部地區(qū)賦存大量的急傾斜煤層，受賦存條件與開采難度影響，急傾斜煤層開采存在儲量占比較大而產(chǎn)量占比較小的問題，隨著中東部優(yōu)質(zhì)煤炭資源減少，西部急傾斜煤層開采強度逐漸增大[1-2]。近直立煤層指煤層傾角為85°～90°的特殊的急傾斜煤層，多分布于新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū)，開采方式常選用水平分段開采[3-5]。由于極特殊的賦存條件，如新疆烏東煤礦、堿溝煤礦、甘肅窯街三礦等，這類煤層開采難度較大，常常面臨沖擊地壓的開采技術(shù)難題。姜耀東等[6]指出“采動應力分布、能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災機理”是我國沖擊地壓發(fā)生機理和防治技術(shù)領(lǐng)域需解決的關(guān)鍵科學問題之一。

我國學者在急傾斜煤層開采應力分布與沖擊地壓防治方面開展了大量研究。梁翠云等[7]通過力學實驗與理論分析得出了開采深度、應力集中等是誘發(fā)急傾斜煤層深部煤巖體動力失穩(wěn)的原因；來興平等[8-9]提出了采動應力畸變致誘動力災害機理與夾持巖柱能量異化特征；藍航[10]發(fā)現(xiàn)近直立煤層群兩側(cè)采空巖柱應力與能量集中區(qū)域在開采水平以下；郝育喜等[11]采用空心包體應力解除法開展了現(xiàn)場測試，得出了近直立煤層應力分布特征；楊磊等[12]研究得出近直立煤層水平分段開采受采掘活動影響主要集中在開采水平以下，水平應力近似呈“馬鞍形”分布；李安寧等[3-4]構(gòu)建了頂?shù)装搴兔后w的力學模型，認為頂?shù)装鍍蓚?cè)都受到支承壓力的夾持擠壓，應力集中區(qū)在工作面下方約70m處，沖擊載荷擾動下近直立煤層工作面底煤水平應力先升高后瞬間大幅降低；趙一超[13]建立了煤組中間巖柱破斷力學模型，得出了巖柱應力分布與破斷時彈性能量計算公式；馮攀飛等[14]采用應力在線監(jiān)測系統(tǒng)研究了近直立特厚煤層應力演化規(guī)律，識別了工作面走向和傾向應力集中區(qū)；戴華陽等[15]通過相似模擬實驗研究了急傾斜煤層水平分段開采巖層移動規(guī)律與開采沉陷特點；劉旭東等[16]研究了急傾斜煤層回采速度對微震事件能量釋放特征與構(gòu)造應力區(qū)的能量變化特征，驗證了其具有相關(guān)性；杜濤濤等[5,17]研究了近直立煤層單翼工作面上采下掘期間不同相向距離的應力演化規(guī)律，“高階段”區(qū)域應力分布，指出應力異常和“誘沖關(guān)鍵層”是誘發(fā)近直立煤層沖擊地壓的主要原因；何江等[18]研究了近直立煤層覆巖運動、能量釋放、煤層應力分布等規(guī)律，結(jié)果表明工作面煤體靠近頂?shù)装鍌?cè)將形成非對稱傾向支承壓力分布，頂板側(cè)應力集中程度高；吳振華等[19]建立了近直立煤層頂板與煤層的力學模型，分析了中間巖柱的穩(wěn)定性，指出頂板和巖柱的共同作用提供了沖擊地壓發(fā)生的高靜應力條件；王正義[20]對急傾斜煤層覆巖運移及夾持煤體受載演化過程開展了研究，驗證了采場煤體的夾持受載特性；王家臣等[21]揭示了急傾斜煤層“傾倒-滑塌”破壞模式并提出了判別準則；霍丙杰等[22]建立了急傾斜特厚煤層水平分段開采頂板力學模型。我國學者在急傾斜煤層圍巖應力分布特征與沖擊地壓發(fā)生機理已取得一定進展，但研究成果多基于急傾斜煤層單一工作面開采得出，受煤層賦存和采礦方法影響，隨近直立煤層群開采深度增加與兩工作面交替開采重復擾動影響，沖擊地壓發(fā)生頻度有增大趨勢。為此，以烏東煤礦為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析等手段，研究近直立煤層群兩工作面交替開采時的應力動態(tài)遷移演化特征。

1 工程背景

烏東煤礦南采區(qū)位于八道灣向斜南翼，主采B1+2、B3+6煤層，B1+2煤層平均厚度為28m，B3+6煤層平均為40m。煤層傾角平均為87°，屬近直立煤層。2層煤之間由巖柱分開，巖柱自東向西逐漸變寬，厚度在50～110m之間。南采區(qū)最大主應力方位角平均為158.6 °，最大水平主應力的走向總體上為北西-南東向，水平最大主應力傾角平均為14.25 °，最大主應力約為自重應力的1.74 ～1.90 倍，呈現(xiàn)出明顯的水平構(gòu)造應力場作用特征。礦井采用水平分段綜合機械化放頂煤開采方法，分段高度25m，割煤高度3m，放煤高度22m，全部垮落法管理頂板，采空區(qū)由上方黃土不完全充填，當前現(xiàn)場采取兩煤層交替開采的順序，優(yōu)先開采B3+6煤層。受煤層走向和采礦方法的影響，B1+2煤層和B3+6煤層工作面巷道軸線近似垂直于最大水平應力方向，在采動影響下，工作面煤巖體容易產(chǎn)生應力集中，積聚大量的彈性能，易進一步引發(fā)沖擊地壓。烏東煤礦煤層賦存情況與工作面布置如圖1。

圖1 烏東煤礦煤層賦存與工作面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal seam occurrence and working face layout in Wudong Coal Mine

2 近直立煤層群開采應力演化理論

與單一近直立煤層開采不同，近直立煤層群之間存在直立巖柱，開展力學分析時邊界條件發(fā)生改變，且隨著兩煤層交替開采，工作面周圍煤巖體將呈現(xiàn)有規(guī)律的動態(tài)演化特征。建立的烏東礦近直立煤層群應力動態(tài)演化模型如圖2。

圖2 近直立煤層群開采應力演化模型Fig.2 Mining stress evolution model of steeply inclined coal seams

分析可得，隨開采深度增加，兩煤層工作面煤體支承壓力峰值不斷增大，峰值點不斷下移；隨工作面交替開采，工作面煤體呈現(xiàn)2種應力狀態(tài)，同水平B3+6工作面開采前，巖柱兩側(cè)煤體處在同一水平，支承壓力呈現(xiàn)相同分布特征；同水平B3+6工作面開采后，開挖空間應力釋放，減弱了右側(cè)水平應力向中間巖柱的傳遞作用，進而對該水平B1+2煤體起到卸壓的作用，使B1+2煤體應力集中峰值增大，支承壓力峰值點下移，B3+6煤體應力向深部轉(zhuǎn)移，應力集中峰值增大，峰值點下移；2種應力狀態(tài)隨兩煤層交替開采重復出現(xiàn)。

3 應力動態(tài)演化特征數(shù)值計算

3.1 模型建立與參數(shù)賦值

按照烏東煤礦南采區(qū)兩煤層工作面地質(zhì)條件，選取+300～+600m水平為研究對象建立FLAC3D數(shù)值模型，近直立煤層群數(shù)值計算模型如圖3。

圖3 近直立煤層群數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model of steeply inclined coal seams

模型長寬高尺寸為400m×400m×300m，包含1612800個單元。模型四周采用滾動約束，底部采用固定約束，在上表面施加5MPa豎直向下的載荷以模擬+600m水平至地表的覆巖重力，參照現(xiàn)場地應力測試結(jié)果[11]，設(shè)置水平應力為垂直應力的1.74 倍。模型整體采用摩爾庫倫模型，采空區(qū)黃土及垮落巖塊充填采用雙屈服模型，工作面煤巖體力學參數(shù)見表1。為重點研究+500～+400m區(qū)域內(nèi)兩工作面隨開采深度增加的應力演化規(guī)律，將+500m上方兩工作面煤體整體開挖計算至平衡，進而對兩煤層進行分段交替開挖至+400m水平，同水平優(yōu)先開挖B3+6煤層，每次開挖高度25m，開挖后對采空區(qū)進行充填。

表1 模擬煤巖層參數(shù)表Table1 Parameters table of simulated coal strata

3.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

近直立煤層群隨兩工作面交替開采深度增加圍巖的垂直應力分布及演化情況如圖4。近直立煤層群隨兩工作面交替開采深度增加圍巖的水平應力分布及演化情況如圖5。

圖4 圍巖垂直應力演化情況Fig.4 Vertical stress evolution of surrounding rock

圖5 圍巖水平應力演化情況Fig.5 Horizontal stress evolution of surrounding rock

兩工作面各分段交替開采過程中，隨開采深度增加，圍巖應力也呈現(xiàn)動態(tài)演化規(guī)律，采空區(qū)逐漸被壓實，從上到下垂直應力逐漸降低，采空區(qū)兩側(cè)圍巖應力先升高后降低；受煤層賦存傾角影響，兩側(cè)工作面采空后巖柱在重力作用下具有“撬轉(zhuǎn)”的趨勢，在靠近B2煤層頂板位置處形成垂直應力集中，中心不斷下移，應力集中峰值不斷增大，開采至+400m水平時垂直應力集中峰值可達21.63MPa。

由圖5可知，受水平應力主導的地應力場影響，工作面開采后，水平應力向深部轉(zhuǎn)移，在工作面下方煤體形成應力集中區(qū)，隨著開采深度不斷增加，應力集中中心不斷下移，應力集中峰值不斷增大；同水平B3+6工作面作為保護層優(yōu)先開采對B1+2工作面起到卸壓保護的作用，減弱了B1+2煤體應力集中程度，降低了應力集中峰值，本水平B1+2工作面開采后，B1+2工作面下方煤體應力集中程度再度升高，應力集中峰值增大，隨兩工作面交替開采，B1+2煤體應力集中呈現(xiàn)重復先升高再降低的特征。

為對兩煤層工作面下方應力集中演化特征進一步定量分析，沿兩煤層中部傾向方向布置測線，利用FLAC3D內(nèi)置fish語言編寫命令提取測線單元體水平應力，得到的隨工作面交替開采兩煤層水平應力演化情況如圖6。由圖6可知，沿煤層傾向方向向下，煤體水平應力分布呈現(xiàn)先增大后減小再繼續(xù)增大的分布特征，隨工作面開采深度增加，兩煤層應力集中峰值整體呈增大趨勢，隨著同水平兩工作面分段交替開采，B1+2煤體應力峰值重復先減小后增大的趨勢，B3+6煤體應力峰值變化不大。

圖6 隨工作面交替開采兩煤層水平應力演化情況Fig.6 Horizontal stress evolution of two coal seams with alternating mining of working face

提取峰值數(shù)據(jù)得到的隨工作面開采兩煤層應力集中峰值與位置變化情況如圖7。由圖7可知，隨工作面交替開采，煤體應力集中峰值呈“鋸齒狀”波動增長，應力峰值點下移距離呈“階梯狀”增長，且B3+6煤體應力峰值始終大于B1+2煤體，B3+6煤體應力峰值位置始終低于B1+2煤體應力峰值位置。

圖7 兩工作面交替開采應力集中峰值與位置變化情況Fig.7 Change of stress concentration peak and position in alternate mining of two working faces

為進一步得到應力集中峰值與應力峰值位置與兩工作面開采深度變化的相關(guān)關(guān)系，繪制散點圖并擬合曲線，應力集中峰值和峰值位置隨開采深度演化情況如圖8。由圖8可知，應力集中峰值與應力峰值位置與兩工作面開采深度呈正線性相關(guān)關(guān)系，擬合精度在90%以上（R2＞0.9），為預測隨工作面開采深度增加煤體的應力集中程度與集中位置提供了計算公式。

圖8 應力集中峰值和峰值位置隨開采深度演化情況Fig.8 The evolution of stress concentration peak and peak position with mining depth

4 沖擊地壓防治方案優(yōu)化思路

1）分段高度動態(tài)調(diào)整。數(shù)值模擬結(jié)果表明，開采+500～+400m水平，應力集中峰值位置在工作面煤體下方22.5 ～41.5m處，不利于下分段巷道掘進，隨開采深度增加，應合理調(diào)整分段高度，使下分段巷道布置避開應力峰值位置，降低掘進工作面沖擊危險性。

2）頂?shù)装灞茀?shù)優(yōu)化。近直立煤層采用頂?shù)装灞苼頊p弱水平地應力向工作面的傳遞，進而對工作面煤體及兩巷起到卸壓效果，隨著水平應力集中程度增大，可對爆破參數(shù)進行優(yōu)化，如增大鉆孔深度、減小間排距、改變裝藥長度等，提高爆破卸壓效果。

3）煤體注水預裂參數(shù)優(yōu)化。煤體注水可降低煤體脆性，釋放工作面前方集中應力，根據(jù)開采深度與注水壓力的經(jīng)驗關(guān)系式，開采深度增大，相應的注水壓力也應當增大，同時也可增大注水量、增加注水孔數(shù)量，提高卸壓效果。

5 結(jié) 語

1）建立了近直立煤層群開采應力演化模型，揭示了近直立煤層群水平分段開采應力演化特征，隨開采深度增加，兩工作面煤體支承壓力峰值不斷增大，峰值點不斷下移，B3+6工作面開采對B1+2煤體起到卸壓作用，使B1+2煤體應力集中峰值降低，支承壓力峰值點下移。

2）建立了近直立煤層群開采數(shù)值計算模型，模擬了近直立煤層群兩工作面交替的動態(tài)采掘過程，揭示了煤巖體應力演化情況，開采+500～+400m水平，應力集中峰值位置在工作面煤體下方22.5 ～41.5 m處，煤體應力集中峰值呈“鋸齒狀”波動增長，應力峰值點下移距離呈“階梯狀”增長，且B3+6煤體應力峰值始終大于B1+2煤體，B3+6煤體應力峰值位置始終低于B1+2煤體應力峰值位置，應力集中峰值與應力峰值位置與兩工作面開采深度呈線性相關(guān)關(guān)系，驗證了理論分析的合理性。

3）提出了沖擊地壓防治方案優(yōu)化思路，隨著開采深度增加，煤體應力集中程度增強，沖擊危險性升高，可通過分段高度動態(tài)調(diào)整、頂?shù)装灞茀?shù)優(yōu)化、煤體注水預裂參數(shù)優(yōu)化等方式對沖擊地壓防治方案進行優(yōu)化以適應開采深度的增加。