大間距煤柱與采動疊加影響下煤層應力演化及應用

郭振華，陸 壯，楊 濤，席傳鵬，權軍軍，唐俊青

（1.平頂山天安煤業股份有限公司 八礦，河南 平頂山 467000；2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221000）

隨著煤炭開采逐漸向深部延伸，許多煤礦已進入深部開采（埋深800～1 500 m）[1-2]，深部煤巖體地應力、瓦斯壓力與含量持續增大，煤層滲透率急劇降低，開采環境惡劣，瓦斯抽采和治理已經十分困難[3-4]。與此同時，在煤礦開采過程中，受到復雜地質環境和開采條件的影響，不得不留設各種煤柱以保證煤礦生產安全[5]。其中許多煤柱受到開采條件的限制無法被回采，在煤層完成回采后，上覆巖層的巨大應力會集中加載到煤柱上，煤柱產生的集中應力向下傳遞必然會使下伏煤巖體的應力分布狀態發生改變[6]。因此，因歷史開采問題遺留煤柱和長壁工作面回采后不可避免的區段煤柱會在煤層群中下位煤層內形成高度應力集中區域，再疊加上方煤層回采擾動的影響，使得下位煤層開采條件更加復雜，局部區域會形成高度應力集中；此區域煤層瓦斯壓力大，煤體滲透性低，發生煤與瓦斯突出危險性大。國內外學者關于煤柱穩定性、煤柱尺寸設計及失穩機理、近距離煤層巷道變新破壞控制控制、應力場分布、合理錯距等已有大量研究成果。鄭百生等[7]采用數值模擬的方法對近距離煤層上層煤回采后遺留煤柱對下層煤開采的影響程度進行了研究；劉萍[8]等對煤柱影響下保護層開采的消突范圍進行了劃分并對消突效果進行了評價；高曉龍[9]等探討了上煤層遺留煤柱在底板中的應力傳播規律，通過工作面礦壓監測和變形分析提出了工作面過煤柱應力集中區的措施；王永秀等[10]采用2 種不同狀態類型的數值模型研究了采區隔離煤柱因寬度不同而產生的應力變化規律；羅吉安等[11]對近距離煤層下殘留煤柱引起的集中應力進行了研究，運用Mathcad 數值軟件計算得到了不同寬度煤柱下方底板應力傳遞及分布規律；張念超[12]研究了多煤層開采煤柱下底板巖層的應力分布規律，提出了“應力臨界線”和“間深比”概念；張緒言等[13]采用彈性理論與數值模擬相結合的方式，對煤柱下方底板的應力分布規律進行了研究，分析了煤柱集中應力影響下巷道附近圍巖的應力分布特點；徐佑林等[14]利用FLAC3D軟件分析了遺留煤柱的受力情況，研究了不同尺寸煤柱的應力分布狀態以及位移的變化，認為煤柱越靠近采空區應力集中越大，礦壓災害越嚴重。然而大部分學者都是探討近距離或極近距離煤層群煤柱應力分布研究，對大間距特殊煤柱影響下的應力演化特征和瓦斯流動場的變化情況研究較少。

因此，結合現場工程實際，運用FLAC3D數值模擬方法，采用應變軟化模型，系統研究大間距煤柱壓茬和采動擾動疊加影響條件下的煤層應力動態變化規律、重分布規律，從而為煤柱影響疊加采動擾動形成的高度應力集中區域范圍劃定及針對性防突措施提供理論依據。

1 工程背景

平煤八礦為多煤層組開采，主要生產開采煤層為丁、戊和己3 組煤層。己15－22080 工作面標高為－563～－665 m，地面標高＋140～＋180 m，埋藏深度為703～850 m。可采走向長度為893 m，斜長200 m，煤厚平均為3.6 m，煤層傾角5°～18°，平均10°。己15煤層直接頂為細砂巖與粉砂巖互層，直接底為砂質泥巖。己15－22080 工作面上方丁組煤層傾角平均21°，煤厚為2 m；戊組煤層傾角平均21°，煤厚為4 m。在己15－22080 工作面上部有多個已經回采完畢的工作面，主要是戊9，10－14140 工作面、戊9，10－14160工作面、丁5，6－14120 工作面、丁5，6－14140 工作面、丁5，6－14160 工作面和丁5，6－14180 工作面。

己15-22080 工作面機巷上方的丁5-6-14160 工作面遺留煤柱，煤柱長邊長362 m，短邊長288 m，寬129 m，總體面積較大，垂直距離己組煤層260 m左右，間距較大。己15-22080 工作面機巷從150 m開始被上方煤柱壓茬，直到485 m 結束。己15-22080工作面上方有戊9,10-14160 工作面基本回采完畢，垂直距離己組煤層157 m 左右，且戊9,10-14160 工作面北部也尚未開采，己15-22080 工作面采掘平面位置關系圖如圖1。大間距丁組煤柱和上位戊組采面對下方己15-22080 工作面很有可能形成疊加擾動影響，需要具體分析此區域的應力演化特征。

圖1 己15-22080 工作面采掘平面位置關系圖Fig.1 Ⅵ-22080 working face excavation plane position relation diagram

2 數值模型

煤體是彈塑性材料，當所受應力超過峰值應力后會表現出應變軟化特性。研究表明，采用應變軟化模型進行數值模擬計算，結果更符合現場實際[15-16]。因此研究采用應變軟化模型描述煤體力學特性，采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型作為煤巖體的屈服破壞準則。依據平面布置圖建立等比例模型，模型尺寸為1 300 m（x）×500 m（y）×500 m（z），共劃分407 609 個網格，366 037 個節點。模型上表面距離地表約400 m，頂面施加載荷為10 MPa。在x 方向施加初始應力為26 MPa 的梯度最大水平應力，沿z方向每增加1 m，應力增加0.028 MPa。相同的在y方向施加初始應力為9.5 MPa 的梯度最小水平應力，沿z 方向每增加1 m，應力增加0.019 MPa。模型前后左右4 個面約束其法向自由度，底面約束x、y、z 3 個方向自由度，數值模擬模型如圖2，煤巖體力學參數見表1。

圖2 數值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

表1 煤巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

用FLAC3D進行計算時，首先模擬戊組煤層開采前己組煤層受丁組煤柱影響所處的應力狀態；然后再模擬戊9.10-14160 工作面開采過程中，己組煤層受丁組煤柱與戊組開采擾動疊加影響下的應力演化。整個研究分析過程以己15-22080 工作面機巷走向與工作面傾向為研究對象對其垂直應力進行研究。

3 己組煤層應力演化

3.1 丁組大間距煤柱影響下應力分布狀態

1）己15 煤層平面應力分析。依據實際生產情況及條件對丁組煤層除丁5.6-14160 工作面煤柱外的各工作面開挖。待開挖結束，得到己組煤層平面的應力云圖，大間距丁組煤柱影響下己組煤層平面應力分布圖如圖3（圖中應力數值負號代表受壓方向）。由圖3 可知，當丁煤層各工作面開采后在其下方產生了一定的卸壓區，己組煤層平面應力總體降低；但同時在煤柱下方產生應力集中區，導致局部應力增大。丁5.6-14160 工作面煤柱在己煤層產生的應力集中現象極為明顯，而采掘布置的己15-22080 機巷剛好處于其應力集中區內，應力集中范圍約在100～500 m 左右。

圖3 大間距丁組煤柱影響下己組煤層平面應力分布圖Fig.3 Stress distribution of group Ⅵcoal seam under the influence of the large spacing coal pillar

2）己15-22080 機巷應力分析。己15-22080 機巷走向垂面應力分布圖如圖4，大間距丁組煤柱影響下己15-22080 機巷應力分布如圖5。由圖5 可知，22080 機巷在100～500 m 范圍內機巷應力普遍大于其他區域，隨著機巷走向向里呈現先增大后減小的規律，在240 m 處產生了23.6 MPa 應力最大值，較應力最低點0 m 處增加了4 MPa；在700 m 左右出現20.7 MPa 次峰值；在0～100 m 和500～700 m 范圍內應力相對較低，在19.6～20.7 MPa 之間；700～1 000 m 區域應力逐漸降低并趨于穩定，基本在20.3 MPa 左右。結合圖4 分析可得0～150 m 和500～700 m 應力較小是因為受丁組煤層開采產生的卸壓保護作用；150～500 m 受上方丁組煤柱影響應力增大；而700 m 左右則是因為處于上方丁5,6-14160 工作面切眼下方，也受到應力集中影響應力略有增大。

圖4 己15-22080 機巷走向垂面應力分布圖Fig.4 Vertical plane stress distribution diagram in the direction of Ⅵ-22080 haulage roadway

圖5 大間距丁組煤柱影響下己15-22080 機巷應力分布Fig.5 Vertical stress distribution of Ⅵ-22080 haulage roadway under the influence of the large spacing coal pillar

3）己15-22080 工作面傾向應力分析。由圖3 和圖4 分析可知，己15-22080 工作面傾向上受到大間距丁組煤層開采的影響范圍有限，主要作用在靠近機巷外口區域。分別在己15-22080 機巷距離外口0、200、400、600、800、1 000 m 處沿著工作面傾向方向豎直進行監測，大間距丁組煤柱影響下己15-22080工作面傾向應力如圖6。總體來看，工作面傾向垂直應力自風巷向機巷呈現出逐漸增加的規律，這是由于風巷埋深比機巷埋深淺所導致的。工作面傾向0 m 處100～200 m 應力偏低，這是因為上方丁組煤層卸壓導致；工作面200～400 m 處靠近機巷區域應力增加比較明顯，這是因為正處在丁組煤柱下方產生集中應力導致的；工作面600 m 處，此時己15-22080工作面上方已經跳過丁組煤柱造成的集中應力的影響區域，且丁5,6-14160 工作面的開采對下方有一定程度的卸壓效果，導致此位置的應力低于前面200 m 和400 m 處；工作面800～1 000 m 處的應力基本處于原始應力區，丁組煤層開采對800 m 之后的區域基本無影響。

圖6 大間距丁組煤柱影響下己15-22080 工作面傾向應力Fig.6 Vertical stress of Ⅵ-22080 working face along the dip under the influence of large spacing coal pillar

3.2 戊組煤層開采影響應力演化

依據現場實際情況研究戊9.10-14160 工作面回采過程疊加丁組煤柱的影響下，己15-22080 工作面的應力演化規律。

3.2.1 己15 煤層平面應力

模擬時將戊9.10-14160 工作面分為階段式回采，分別研究回采300、600、900、1 200 m 時己15-22080工作面的應力演化情況。沿煤層角度截取己15 煤層平面的垂直應力云圖，得到戊9,10-14160 不同回采階段下己組煤層的應力分布狀態，戊煤層開采過程中己煤層垂直應力分布變化如圖7。

通過分析圖7 可以看出，當戊9.10-14160 工作面開采300 m 和600 m 時，由于戊9.10-14160 工作面與己15-22080 工作面的層位關系，使得戊9.10-14160 工作面在己15-22080 工作面里段形成了卸壓區，具有保護層開采的效果，但同時在己15-22080 工作面的上下兩側形成小范圍的應力集中；當戊9.10-14160 工作面開采600 m 之后，戊9.10-14160 工作面發生小幅度轉向導致戊9.10-14160 工作面與己15-22080 工作面的層位關系發生了變化。此時隨著戊9.10-14160 工作面開采，己15-22080 機巷外段及工作面靠近機巷區域處于開采形成的應力集中區內，同時此區域也處于丁組大間距煤柱的應力集中區內，兩者相互疊加因此該區域的應力進一步增大。這種大間距煤柱疊加開采擾動應力導致己15-22080 工作面呈現卸壓區、原始應力區和疊加高應力區多區域復雜應力條件。

圖7 戊煤層開采過程中己煤層垂直應力分布變化Fig.7 Change of vertical stress distribution of group Ⅵcoal seam in the mining process of group Ⅴcoal seam

3.2.2 己15-22080 機巷應力

戊9.10-14160 工作面開采結束之后，得到己15-22080 機巷走向方向垂面的應力云圖，戊煤層開采后己15-22080 機巷垂面垂直應力如圖8。

圖8 戊煤層開采后己15-22080 機巷垂面垂直應力Fig.8 Vertical stress distribution in the direction ofⅥ-22080 haulage roadway after mining of group Ⅴcoal seam

從圖8 可以看出，上位戊9,10-14160 工作面開采之后在其相鄰側產生了應力集中現象，進而影響到處于應力集中區下方的己15-22080 機巷。其中，在己15-22080 機巷里段上方應力集中較為明顯，這是由于上位戊9.10-14160 工作面開采前期基本平行于下方己15-22080 工作面，機巷里段處于應力集中峰值區；而戊9.10-14160 工作面開采后期改變了方向，逐漸遠離己15-22080 機巷，所以外段應力集中程度相對較低。但是己15-22080 機巷外段受上位大間距丁組煤柱應力集中影響，區域疊加戊組開采應力集中現象，外段應力仍大于里段；而且，到己15-22080機巷外口0 m 處受戊9,10-14160 工作面開采應力集中影響最低。

戊煤層開采過程中己15-22080 機巷垂直應力分布規律如圖9。

圖9 戊煤層開采過程中己15-22080 機巷垂直應力分布規律Fig.9 Vertical stress distribution of Ⅵ-22080 haulage roadway in the mining process of group Ⅴcoal seam

由圖9 可以看出，隨著戊9,10-14160 工作面開采的進行，己15-22080 機巷應力由里段向外段逐步增加。在開采前期（開采300 m），機巷里段應力增加明顯。而靠近機巷外口區域應力基本無變化；在開采中期（600 m），除機巷里段應力受上方應力集中影響進一步增加外，機巷靠外口200～500 m 區域處于回采面前方的集中應力區，應力也有所增加。機巷外口應力基本無變化；到開采后期（900 m 和1 200 m），可以看到機巷里段應力趨于穩定。而在機巷外段受開采集中應力影響，在煤柱應力集中影響的基礎上應力進一步大幅增加。

戊9,10-14160 工作面開采結束之后，在機巷0～150 m 應力增大約1.64～3 MPa；機巷150～700 m 左右區段受戊9,10-14160 工作面回采應力集中影響最明顯，應力增大約3～4.7 MPa。且由于兩者層位關系越靠里段應力增幅越大，越靠外段增幅越小；在機巷700 m 之后應力增大約2.8～3 MPa；煤柱影響區內（100～500 m）己15-22080 機巷應力較上位戊組煤層未開采前增加約2.3～4.7 MPa，其中機巷260 m 處應力達到最大值27.3 MPa，考慮疊加煤柱影響共增加了約8 MPa 左右；總體來看上位戊組煤層開采結束之后機巷應力增加非常大，機巷外口100 m 往里區域應力基本都大于23 MPa，這對現場瓦斯治理會帶來極大困難。

3.2.3 己15-22080 工作面傾向應力

分別提取己15-22080 工作面0、200、400、600、800、1 000 m 處傾向上垂直應力跟隨不同開采長度的數據，戊組煤層開采過程中己15-22080 工作面各處傾向垂直應力如圖10。

圖10 戊組煤層開采過程中己15-22080 工作面各處傾向垂直應力Fig.10 Vertical stress of Ⅵ-22080 working face along the dip in the mining process of group Ⅴcoal seam

從圖10 并結合圖6 可以看出，戊9,10-14160 工作面的開采對己15-22080 工作面大部分區域起到了較為明顯的卸壓作用。當戊9,10-14160 工作面開采300 m 時，下方己15-22080 工作面傾向1 000 m 處發生明顯卸壓現象，最大卸壓超過10 MPa。但在靠近機巷4 m 范圍內處于應力集中區，應力稍有增加。當戊9,10-14160 工作面開采600 m 時，己15-22080 工作面800 m 處也發生卸壓現象，最大卸壓超過10 MPa，800 m 和1 000 m 右邊靠近機巷應力增大區域擴大至20 m；工作面600 m 處靠近機巷45 m 位于增壓區，靠近風巷155 m 位于卸壓區。當戊9,10-14160工作面開采900 m 時，工作面400 m 處靠近機巷73 m 范圍處于增壓區，靠近風巷127 m 范圍位于卸壓區；200 m 處應力增大；600 m 處卸壓程度增大到10 MPa；800 m 和1 000 m 趨于穩定不再變化。

當戊9,10-14160 工作面開采結束，工作面同時存在卸壓區與應力集中區。對比圖10（d）和圖6 可以看出，除工作面0 m 處，其他區域卸壓區內卸壓效果明顯，最大卸壓均超過10 MPa；卸壓區靠近風巷一側，應力集中區靠近機巷一側；應力集中區應力曲線平緩上升，越靠近機巷外口，其應力集中范圍與應力增加幅度越大。其中工作面200 m 和400 m 處應力集中程度最大，應力超過26 MPa；工作面0 m 處在戊煤層開采1 200 m 之前的應力曲線相對變化平緩，其曲線形狀不同于其他地方的原因在于工作面0 m 處傾向方向50 m 左右位置處于丁5,6-14140 工作面與丁5,6-14160 工作面之間的煤柱下方，因此在此處形成了小范圍的應力集中與卸壓。

4 煤體滲透率變化分析及工作面分區

研究不同應力區煤體的滲透率，有利于全面了解工作面瓦斯賦存情況；分析不同應力區內的煤與瓦斯突出危險性，有利于對工作面進行分區分級治理，實施“一區一策”，實現瓦斯安全經濟高效治理。

4.1 己15-22080 工作面煤體滲透率變化及危險性

截止目前，學者對于煤層的滲透率已經建立了多種演化模型，其中大部分模型均將煤的結構簡化為“火柴桿”模型或“立方體”模型[17-18]。選用LIU 等[19]提出的在單軸應變假設下，基于“火柴桿”模型推導的氣固耦合作用下瓦斯運移滲透率演化模型進行計算。5 組煤樣裂隙率等相關數據見表2。

表2 5 組煤樣裂隙率等相關數據Table 2 Related data of 5 groups of coal samples

根據前文數值模擬所得到的應力值，設初始應力值為19.5 MPa，高應力區的應力最大值為27.5 MPa，煤體初始裂隙率均值為0.013 4，根據礦方現場實測原始瓦斯數據，將正常應力區瓦斯壓力設為0.74 MPa，高應力疊加區瓦斯壓力設為3 MPa。滲透率演化模型各參數值見表3。

表3 滲透率演化模型各參數值Table 3 Parameter values in permeability evolution model

最終得到高應力區煤體裂隙率最小為0.009 5，較初始應力區煤體裂隙率最大降低約29%；滲透率最大降低約64%。工作面靠近風巷一側形成了較大范圍的卸壓區，最大卸壓達10 MPa。張榮[20]對保護層開采后上覆煤體卸壓后滲透率演化進行了研究，得出卸壓后的煤體滲透率會極大提高。陳海棟[21]通過CT 實時檢測研究了煤體卸壓后的損傷與滲透性演化特征，發現保護層開采使煤層卸壓后會產生4個滲透性變化區，被保護層滲透性明顯增加。

因此在受到煤柱的壓茬與煤層開采擾動的高應力區內，一方面煤體處于強壓狀態，裂隙受到壓縮，使得裂隙率下降，煤體的裂隙率與煤層的滲透率都更小，瓦斯更難從煤體中解吸出來。另一方面，由理想氣體狀態方程可知，煤體的裂隙率降低后使得其能夠儲存瓦斯的空間變小，氣體的壓力勢必會增大，因此高應力區煤體內的瓦斯壓力更大，其壓力梯度也更大；當煤層受到打鉆擾動時，鉆孔前方的煤體失穩卸壓，瓦斯快速解吸，在高瓦斯壓力梯度條件下，煤層中瓦斯會瞬間釋放，從而導致噴孔甚至煤與瓦斯突出，所以高應力區的突出危險性相較于正常區域與卸壓區更大；而卸壓區內煤層滲透率增加，瓦斯抽采與治理難度相對較低，突出危險性更小。在現場工作面機巷區域施工底板巖巷密集穿層鉆孔預抽區域性防突措施時，于機巷底抽巷200 m 附近發生嚴重的噴孔現象，單孔噴出煤量6.0 t，噴出瓦斯量650 m3。這也驗證了煤柱的壓茬與煤層開采擾動的高應力疊加區的突出危險性。

4.2 瓦斯治理分區及治理建議

根據不同應力區煤與瓦斯突出危險程度的不同，對工作面瓦斯治理進行分區，不同的區域制定對應的瓦斯治理措施。將己15-22080 工作面在丁組煤柱疊加戊組煤層開采擾動影響下的垂直應力分布狀態作為劃分瓦斯治理區域的依據，前文分析可知，己15-22080 工作面應力分布大致可以分為3 部分，即卸壓區、原始應力區與應力集中疊加區。以20 MPa 作為煤層原始應力，設高應力區的應力集中系數為1.15，卸壓區的應力集中系數為0.85。因此，將己15-22080 工作面分為3 個瓦斯治理區，分別為一般突出危險區（垂直應力小于17 MPa）、中等突出危險區（垂直應力在17～23 MPa 之間）以及重度突出危險區（垂直應力大于23 MPa）。以17 MPa 與23 MPa 2 個臨界值為基礎，將各區域劃分成較為規則的形狀；結合工程實際，為了方便現場施工，劃分了各危險區范圍，瓦斯治理分區示意圖如圖11。

圖11 瓦斯治理分區示意圖Fig.11 Schematic diagram of gas sub-region management

治理措施建議：卸壓區靠近工作面風巷一側，由于卸壓效果明顯，因而通過己15-22060 機巷低抽巷及22080 中間低抽巷向工作面施工間距較大的普通穿層與順層抽采鉆孔進行治理；一般突出危險區采用中間低抽巷施工間距較密的普通穿層抽采鉆孔加順層抽采鉆孔的方法進行治理；高應力集中區構造煤體力學強度較低，同時處于高地應力環境下煤層滲透性低，具備了高應力能與高瓦斯能的突出條件。相關研究與實驗表明，水力沖孔造穴技術對于低滲構造煤具有明顯的卸荷增透效果。因此，采用高壓水力沖孔技術對機巷及高應力集中區進行預抽，待機巷掘進之后再對工作面實施密集順層鉆孔抽采。

5 結 論

1）在只受大間距丁組遺留煤柱的影響時，平煤八礦己15-22080 機巷100～500 m 區段及工作面靠近此區段部分區域出現明顯應力集中。其中機巷240 m 處垂直應力最大，為23.6 MPa，機巷0 m 處垂直應力最小，為19.6 MPa。此外，工作面傾向方向上機巷應力普遍大于風巷。

2）隨著上位戊組煤層開采，己15-22080 工作面及機巷受到大間距丁組煤柱與上位戊組煤層開采擾動的復合影響應力分布進一步不均勻。戊組煤層開采結束后，機巷整體應力普遍提高1.64～4.7 MPa；在煤柱影響區內（100～400 m）己15-22080 機巷應力增加約2.3～4.7 MPa，于機巷260 m 處達到最大值27.3 MPa，考慮疊加煤柱影響共增加約8 MPa。工作面同時存在卸壓區和應力集中區，應力集中區主要分布于靠近機巷一側0～500 m 范圍內；卸壓區靠近風巷一側，最大卸壓達10 MPa。

3）在大間距煤柱與上位煤層開采擾動影響的高應力集中區內，煤體裂隙率較初始狀態最大降低29%左右，煤層滲透率最大降低64%左右，導致瓦斯壓力和壓力梯度增大，突出危險性更大；卸壓區內煤層滲透率增加，瓦斯抽采與治理難度相對較低。依據工作面應力分布狀態將工作面劃分為一般突出危險區、中等突出危險區與重度突出危險區，并提出瓦斯分區域治理建議。