開采參數(shù)對遠程上行卸壓開采應(yīng)力-裂隙的影響

肖家平，竇禮同，史長勝

（1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著煤礦開采規(guī)模的擴大以及開采深度的增加，瓦斯災(zāi)害已成為制約煤炭資源安全高效開采的關(guān)鍵因素，尤其是在開采低透氣性高瓦斯有突出危險煤層時，顯得尤為突出[1-3]。因此，如何采取有效措施既能實現(xiàn)礦井安全高產(chǎn)，又能合理有效地利用瓦斯資源已成為亟待解決的問題，許多學(xué)者已經(jīng)在卸壓瓦斯抽采方面進行了大量的研究[4-7]。卸壓開采是利用礦山壓力引起的巖層運動規(guī)律，釋放煤體彈性能，增大煤層透氣性，使煤體內(nèi)瓦斯賦存狀態(tài)被激活，從而達到預(yù)防煤與瓦斯突出、增大瓦斯抽采率的目的。研究表明[8-12]，在上行卸壓開采過程中，被卸壓層應(yīng)力分布規(guī)律、變形特征與卸壓層開采參數(shù)密切相關(guān)。下部卸壓煤層的厚度以及開采面長是影響上覆巖層破壞狀態(tài)及發(fā)育高度的根本因素。隨著采厚的增加，垮落帶與斷裂帶的高度越大，上部煤、巖層的下沉及各種變形值越大；開采面長在一定程度上決定著煤層采動是否為充分采動，在充分采動條件下被卸壓層卸壓范圍要大于非充分采動條件下的卸壓范圍。采厚與面長對于上行卸壓開采產(chǎn)生的應(yīng)力集中范圍、上覆巖層運移規(guī)律、上煤層卸壓范圍等的影響研究較少，因此，以潘二礦A3煤和B4煤開采技術(shù)條件為工程背景，開展開采參數(shù)對遠程上向卸壓開采煤巖體應(yīng)力－裂隙演化特征數(shù)值模擬試驗研究，探尋采厚與面長對上行卸壓開采應(yīng)力場、位移場影響特征。

1 遠程上行卸壓開采模型構(gòu)建

模擬試驗以淮南礦業(yè)集團潘二煤礦11223工作面為原型，11223 工作面標(biāo)高為－460.0～－500.0 m。潘二礦A3煤和B4煤均為高瓦斯、突出煤層，開采地質(zhì)和技術(shù)條件復(fù)雜。A3煤平均厚度5.0 m，瓦斯含量11 m3/t，瓦斯壓力 2.6 MPa，B4煤平均厚度 3.5 m，煤瓦斯含量 7.79 m3/t，瓦斯壓力 1.5 MPa。A3煤與 B4煤間距平均80 m，煤系地層傾角平均13°。A3煤頂板至B4煤底板分布有3組厚砂巖。模擬試驗巖性物理力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)實際的煤層埋深以及巖層分布情況建立FLAC3D數(shù)值計算模型。模型在空間上分x、y、z 3個方向，與實際的開采情況比較，工作面推進方向在模型中為x方向，豎直方向為z方向，整個模型在空間上尺寸x方向600 m，y方向400 m（x和y組成水平面），z方向為280 m。模型計算采用摩爾－庫侖準(zhǔn)則計算。計算前按模型所在的地層中的實際位置在深度方向?qū)δＰ褪┘幼灾剌d荷，并對三維模型側(cè)面和底面提供位移邊界約束。根據(jù)工作面回采順序，分2步進行數(shù)值模擬。第一步：模型初始平衡后，首先開挖3煤11223工作面回采巷道；第二步：開挖3煤11223工作面。

改變模型開采參數(shù)，即不同采厚（1、3、5、7、9 m）與不同面長（160、180、200、220、240 m），分析采厚以及面長對上行卸壓開采位移場、應(yīng)力場的影響效應(yīng)。

2 采厚對上行卸壓開采影響分析

2.1 采厚對上行卸壓開采應(yīng)力場影響分析

3煤工作面開采完畢后，不同采厚情況下沿傾向方向在采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力等值線如圖1。

為便于分析煤體卸壓程度的變化規(guī)律引入卸壓系數(shù) r來反映[13]，即：

式中：σz為煤巖某點采動后豎向應(yīng)力，σz0為該點原始應(yīng)力；r＞0 為卸壓、r＜0 為增壓。

不同采厚4煤卸壓系數(shù)變化曲線如圖2。

由圖2可知，在不同采厚條件下，4煤卸壓系數(shù)變化趨勢一致，因煤層有一定傾角，上部與下部受上覆巖層重力影響不一樣，導(dǎo)致卸壓系數(shù)分布形態(tài)為非對稱狀態(tài)，卸壓系數(shù)最大處在工作面中部。

隨著3煤采厚的增加，在3煤采空區(qū)的4煤卸壓系數(shù)也隨之增加，在采厚為1 m時，4煤最大卸壓系數(shù)為0.2，當(dāng)采厚增加至9 m時，4煤最大卸壓系數(shù)為0.9，4煤卸壓系數(shù)與3煤采厚成非線性正比關(guān)系。在3煤兩側(cè)煤柱上方的4煤應(yīng)力集中系數(shù)隨3煤采厚的增加而增加，與3煤采厚成非線性正比關(guān)系。4煤應(yīng)力集中系數(shù)與采厚線性回歸曲線如圖3。

4煤應(yīng)力集中系數(shù)為：

運輸巷側(cè)

回風(fēng)巷側(cè)

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)；M為3煤采厚，m。

2.2 采厚對上行卸壓開采位移場影響分析

為分析采厚對于卸壓開采位移場的影響，提取被卸壓層4煤的垂直位移數(shù)據(jù)，分析在不同采厚條件下4煤垂直位移的變化情況。不同采厚4煤垂直位移曲線如圖4。

圖1 不同采厚條件下應(yīng)力等值線圖

圖2 不同采厚條件下4煤卸壓系數(shù)曲線

圖3 采厚與4煤最大應(yīng)力集中系數(shù)關(guān)系

圖4 不同采厚條件下4煤垂直位移曲線

由圖4可知，在不同采厚條件下，4煤下沉趨勢一致。因采厚的增加，填充采空區(qū)所需巖石增多，三帶高度增大，故4煤垂直位移也隨采厚增加而增加。在采厚為1 m時，4最大垂直位移為0.5 m，當(dāng)采厚增加至9 m時，4煤最大垂直位移為4.5 m，采厚與4煤最大垂直位移成非線性正比關(guān)系。

4煤最大下沉量與采厚線性回歸曲線如圖5。

4煤下沉量為：

式中：Zd為4煤的垂直位移量，m；M為3煤的厚度，m。

提取被卸壓層4煤的水平位移數(shù)據(jù)，分析在不同采厚條件下4煤水平位移的變化情況。不同采厚4煤水平位移曲線如6。

圖5 采厚與4煤最大下沉量關(guān)系

圖6 不同采厚條件下4煤水平位移曲線

由圖6可知，在不同采厚條件下，4煤水平位移變化趨勢一致。隨著3煤采厚的增加，4煤水平位移有所增加，在采厚為1 m時，4煤在回風(fēng)巷側(cè)與運輸巷側(cè)的水平位移分別為0.04 m和0.09 m，當(dāng)采厚增加至9 m時，4煤在回風(fēng)巷側(cè)與運輸巷側(cè)的水平位移分別為0.8 m和1.6 m，4煤水平位移變化與3煤采厚成非線性正比關(guān)系。

3 面長對上行卸壓開采影響分析

3.1 面長對上行卸壓開采應(yīng)力場影響分析

3煤工作面開采完畢后，不同開采面長情況下沿傾向方向在采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力等值線如圖7。

為分析面長對于卸壓開采應(yīng)力場的影響，提取被卸壓層4煤的垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)，分析在不同面長條件下4煤垂直應(yīng)力的變化情況。不同面長4煤垂直應(yīng)力變化曲線如圖8。

由圖8可知，在不同面長條件下，4煤卸壓系數(shù)變化趨勢一致，因煤層有一定傾角，上部與下部受上覆巖層重力影響不一樣，導(dǎo)致卸壓系數(shù)分布形態(tài)為非對稱狀態(tài)，卸壓系數(shù)最大處在工作面中部。

隨著3煤開采面長的增加，在3煤采空區(qū)的4煤卸壓系數(shù)逐漸減小，卸壓范圍越來越大。卸壓范圍（r＞0）與面長關(guān)系如圖9，卸壓范圍與3煤開采面長成非線性正比關(guān)系。

3.2 面長對上行卸壓開采位移場影響分析

圖7 不同面長條件下應(yīng)力等值線

圖8 不同面長條件下4煤卸壓系數(shù)曲線

圖9 面長與4煤卸壓范圍關(guān)系

為分析面長對于卸壓開采位移場的影響，提取被卸壓層4煤的垂直位移數(shù)據(jù)，分析在不開采面長條件下4煤垂直位移的變化情況。不同面長4煤垂直位移曲線如圖10。

圖10 不同面長條件下4煤垂直位移曲線

由圖10可知，在不同面長條件下，4煤下沉趨勢一致，最大下沉點都在工作面中部。面長的增加，使得上覆巖層跨落越充分，故4煤垂直位移也隨面長增加而增加，當(dāng)4煤垂直位移增加到一定程度時將趨于平緩。在面長為160 m時，4煤最大垂直位移為1.7 m，在面長為240 m時，4煤最大垂直位移為4 m，當(dāng)4煤垂直位移增加到一定程度時將趨于平緩，3煤工作面面長與4煤最大垂直位移成非線性正比關(guān)系。

把4煤最大下沉量與3煤工作面面長進行線性回歸（圖11）。

4煤下沉量為：

式中：Zd為4煤垂直位移量，m；L為3煤工作面面長，m。

提取被卸壓層4煤的水平位移數(shù)據(jù)，分析在不同面長條件下4煤水平位移的變化情況。不同面長4煤水平位移曲線如圖12。

圖12 不同面長條件下4煤水平位移曲線

由圖12可知，在不同面長條件下，4煤水平位移變化趨勢一致。隨著3煤工作面面長的增加，4煤水平位移有所增加，在面長為160 m時，4煤在回風(fēng)巷側(cè)與運輸巷側(cè)的水平位移分別為0.4 m和0.8 m，當(dāng)面長增加至240 m時，4煤在回風(fēng)巷側(cè)與運輸巷側(cè)的水平位移分別為0.6 m和1.4 m，4煤水平位移變化與3煤開采面長成非線性正比關(guān)系。

4 結(jié)果

1）下部卸壓煤層的開采厚是影響上覆巖層移動破壞及裂隙發(fā)育高度的根本因素。隨著采厚的增大，卸壓層開采后填充采空區(qū)所需巖體增多，因此垮落帶與斷裂帶的發(fā)育高度也隨之增大，被卸壓煤層變形值越大，卸壓范圍隨之增大垮落帶與斷裂帶高度與采厚基本上成正比關(guān)系。

2）開采面長對于上行卸壓開采卸壓范圍的影響較大，面長在一定程度上決定著煤層采動是否為充分采動，在充分采動條件下上被卸壓層卸壓范圍要大于非充分采動條件下的卸壓范圍。