重復采動下近距離煤層群下行開采工作面礦壓顯現規律研究

昝明惠，黃 鵬，宋高峰

（北方工業大學 土木工程學院，北京 100144）

近距離煤層是指開采井田時兩煤層之間的距離較近，因此在開采過程中會互相影響的煤層[1]。近距離煤層開采時多使用下行開采，先采標高高的煤層，再采標高低的煤層，由上往下逐層開采，稱為下行式開采[2]。若煤層群開采的煤層間距較大，上煤層的開采對下煤層影響不大，但當煤層間距很小時，下煤層的開采受上煤層開采的影響較大，且下煤層的上部又有上煤層開采后垮落的矸石，會導致下煤層開采區域的頂板結構及應力環境等產生變化，從而使得下煤層開采會發生很多新的礦壓現象[3-5]。近年來，關于近距離煤層群重復采動下的巷道布置、覆巖移動等有了較豐富的研究成果。任海峰等[6]運用結構力學方法計算了下行開采下煤層巷道頂板的彎矩、剪力等力學性能，得出了采用拱形支護體系時，巷道圍巖應力狀況將會得到明顯改善；常利軍[7]通過高水充填沿空留巷技術，獲得了下行開采條件下高水充填沿空留巷頂底板和兩幫相對移近量分別為86 mm 和112 mm；祝凌甫[8]運用UDEC 軟件計算了下部煤層回采時采場覆巖的運移規律；樊永山等[9]采用相似材料模擬試驗對近距離煤層群下行開采過程進行了模擬，得到了下煤層初次和周期來壓步距、覆巖位移特征；徐青云等[10]通過建立近距離煤層頂板破壞力學計算模型，推導出了底板巖層應力分量，并計算了上部煤層開采后的底板應力狀況；吳俊達等[11]運用相似材料模擬試驗對下行開采過程進行了模擬，發現了下煤層開采會造成上層煤采空區上方的巖層二次失穩垮落；任仲久[12]通過理論分析、數值模擬和現場應用等方法，分析了近距離煤層下行開采殘留煤柱的底板破壞范圍；趙燦等[13]采用室內試驗、數值模擬和現場試驗等方法對下行開采底板應力分布特征進行了分析；楊濱濱[14]采用相似材料模擬試驗對重復采動覆巖裂隙的時空演化特征進行了研究，研究結果表明重復采動下覆巖裂隙的產生與擴張作用更明顯。

學者們對下行開采進行了全面深入的研究，但是多數研究主要是針對近距離煤層的巷道布置、覆巖破斷等。本文擬采用PHASE 2D 有限元軟件開展近距離煤層下行開采工作面煤體破壞特征和礦壓顯現規律研究，分析近距離煤層下行開采工作面煤壁破壞特征、圍巖應力分布規律和覆巖移動演化特征等，進一步豐富煤層群下行開采礦壓顯現規律的數值模擬研究。

1 概 況

本文以楊家寨煤礦為工程背景，研究了近距離煤層群下行開采重復采動影響下工作面煤壁破壞特征、圍巖應力分布規律、覆巖移動演化特征。該礦主要開采兩個煤層，兩層煤的間距為15 ～30 m，平均間距為20 m，普氏硬度系數3.5，煤層平均埋深為270 m。

上煤層：該煤層全區可采，屬穩定性煤層，煤層厚度為1.5 ～4 m，平均厚度為3 m；頂板主要為粉砂巖、細砂巖，還有部分泥巖；底板主要是泥巖組成。

下煤層：距上煤層20 m 左右，煤層厚3 ～5.5 m，平均厚度為4 m；下煤層頂板主要由粉砂巖組成，局部為泥巖；底板為泥巖及部分粗砂巖組成。

2 模型建立

本文采用PHASE2D 有限元軟件建立數值計算模型，模型的平面形狀為長方形，水平長400 m，垂直高100 m，如圖1 所示。模型包含156 045 個單元，78 583 個節點。模型上煤層的開采深度為240 m，煤層厚度為3 m，下煤層開采深度為265 m，煤層厚度為4 m。上、下煤層的層間距為20 m。模型左右兩側各預留100 m 寬的煤層邊界，以消除邊界效應的影響，因此模型水平方向上的開采區間為100 ～300 m，推進距離為200 m。由于模型中煤層上方約有270 m 厚的巖層，故在模型頂部施加了5.5 MPa 的補償應力，以模擬模型上方200 m厚巖層的重量。模型左右兩邊界施加水平方向鏈桿約束，以限制模型在水平方向的移動；模型下邊界施加垂直向上的約束，以防止底部發生向下的垂直位移。

圖1 PHASE2D 數值模型Fig.1 Numerical model of PHASE2D

本文根據霍克-布朗強度準則對各巖層巖石材料物理力學參數進行取值，各巖層煤巖體的物理力學參數見表1。模型的巖層分布從上到下依次為粉砂巖、細砂巖、泥巖、煤上、泥巖、粉砂巖、泥巖、煤下、泥巖、粗砂巖、石灰巖。

表1 各巖層的煤巖體參數Table1 Parameters of coal and rock mass stratum

3 數值模型計算結果分析

3.1 工作面煤壁及圍巖變形

工作面推進200 m 后，上、下煤層煤壁及圍巖變形如圖2 所示。可以看出，上、下煤層隨著工作面的推進，前方煤體發生了不同程度的破壞。工作面煤壁在壓力作用下向外鼓出，外鼓特征為中間大、兩端小。這是由于工作面頂板下沉及底板底鼓同時擠壓工作面煤層，導致煤壁向工作面方向鼓出，易誘發端面冒頂和煤壁片幫等安全事故。

圖2 工作面煤壁及覆巖變形云圖Fig.2 Deformation cloud diagram of coal wall and overburden rock in working face

工作面不同推進距離下煤壁最大塑性區寬度變化規律如圖3 所示。隨著工作面的推進，工作面前方煤體塑性區的寬度不斷增大；當工作面推進到一定距離后，工作面前方煤體塑性區寬度增大不再明顯，趨于穩定。另一方面，在相同推進距離下，下煤層的最大塑性區寬度始終大于上煤層；工作面推進200 m 時，上煤層塑性區寬度最大約為2.43 m，下煤層塑性區寬度最大約為3.18 m。

圖3 不同階段煤壁最大塑性區寬度變化規律Fig.3 The variation law of the maximum plasticzone width of coal wall in different stages

3.2 支承壓力分布規律

模型推進200 m 后，工作面前方支承壓力分布規律如圖4 所示。上、下煤層支承壓力增高系數均呈現出先急劇增大后逐漸減小并趨于穩定的規律，其中上煤層在距離工作面前方50 m 時，支承壓力逐漸恢復至原巖應力水平狀態，而下煤層在工作面前方80 m 左右才逐漸恢復到原巖應力水平。因此，在支承壓力峰值以后，上煤層的支承壓力減小速度快于下煤層。另一方面，上煤層的最大應力集中系數為1.60，而下煤層的最大應力集中系數為1.52。

圖4 工作面前方支承壓力分布規律Fig.4 Distribution law of abutment pressure in front of working face

圖5 工作面各階段支承壓力峰值增高系數Fig.5 The peak increase coefficient of abutment pressure in each stage of working face

3.3 覆巖垂直位移演化規律

當上、下煤層工作面分別推進50、100、150、200 m 時，模型上方巖層垂直位移變化規律如圖6所示。上、下煤層的垂直位移整體變化趨勢大致相同，垂直位移曲線呈現中部大、兩端小的特征，但在相同推進距離下，下煤層的垂直位移顯著大于上煤層。隨著工作面的推進，覆巖最大位移不斷增大，當上煤層工作面推進50、100、150、200 m時，覆巖最大位移分別為19、30、34、36 mm；當下煤層工作面分別推進50、100、150、200 m 時，覆巖最大位移分別為45、61、70、73 mm。經過兩層煤的開采擾動，導致覆巖垂直位移進一步增大。

圖6 覆巖垂直位移規律Fig.6 Vertical displacement law of overburden rock

另一方面，隨著工作面不斷推進，覆巖最大位移的增長趨勢逐漸減緩，最大位移的位置也隨開采階段而向前移動。當上、下煤層工作面各推進200 m 后，上煤層工作面覆巖最大下沉值不再增加，地表移動盆地將出現平底“盆狀”，工作面達到了充分采動狀態，而下煤層工作面覆巖下沉盆地呈現尖底“碗狀”，工作面仍處于非充分采動階段。

4 結 論

（1） 工作面煤壁破壞特征呈中部大、兩端小，煤壁向支架方向外鼓；隨著工作面的推進，煤壁塑性區寬度逐漸增大并趨于穩定；下層煤的最大塑性區寬度始終小于上層煤，當上、下煤層推進200 m后，最大塑性區寬度分別為2.43 m 和3.18 m。

（2） 工作面支承壓力增高系數峰值隨工作面的推進不斷增大，并趨于穩定。其中，上煤層的支承壓力增高系數大于下煤層，但上煤層的支承壓力影響范圍較小。當上、下煤層工作面各推進200 m后，上煤層支承壓力增高系數為1.60 左右，下煤層支承壓力增高系數為1.52 左右。

（3） 上、下煤層工作面各推進50、100、150、200 m 時，覆巖最大位移分別為19、30、34、36 mm 和45、61、70、73 mm。當上、下煤層工作面推進200 m 后，上煤層工作面達到了充分采動，而下煤層工作面仍處于非充分采動階段。