上保護(hù)層開采防突效果區(qū)域時(shí)空演化規(guī)律研究

郭懷廣

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

在煤層群開采中，利用保護(hù)層采動(dòng)作用產(chǎn)生的“卸壓增透”效應(yīng)來提高煤層透氣性是最具有效的措施[1]。目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室相似模擬和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，研究保護(hù)層開采后上覆煤巖層變化規(guī)律和被保護(hù)層的保護(hù)范圍。孫培德、鮮學(xué)福等人應(yīng)用瓦斯流的固氣耦合理論對(duì)上保護(hù)層的保護(hù)范圍進(jìn)行了固氣耦合分析，可動(dòng)態(tài)地定量劃分上保護(hù)層的保護(hù)范圍[2]；王永秀等人針對(duì)華豐煤礦4號(hào)煤層沖擊礦壓災(zāi)害問題，應(yīng)用FLAC軟件模擬分析了6號(hào)保護(hù)層開采后4號(hào)被保護(hù)層的卸壓效果[3]；石必明、俞啟香等人基于巖石破裂損傷理論對(duì)遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采動(dòng)態(tài)發(fā)展過程進(jìn)行了模擬，得出了覆巖破裂移動(dòng)規(guī)律及隨工作面推進(jìn)時(shí)，被保護(hù)層應(yīng)力、變形分布特征[4]；劉林利用三維離散單元法對(duì)上保護(hù)層開采后，底板煤巖體應(yīng)力重新分布的規(guī)律、底板變形和破壞特征進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，從理論上計(jì)算了卸壓范圍向底板方向發(fā)展的深度，并得出了模型沿走向、傾向的最大卸壓角[5]；劉澤功、涂敏等人數(shù)值模擬的方法研究了保護(hù)層開采上覆煤巖層變化規(guī)律，一致認(rèn)為隨著保護(hù)層采煤工作面向前推進(jìn)，被保護(hù)層垂直變形呈現(xiàn)“M”型分布[6-7]；涂敏根據(jù)物理模擬試驗(yàn)，研究下保護(hù)層煤層工作面推進(jìn)過程中，采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)演化與分布特征及被保護(hù)層煤層的應(yīng)力變化和膨脹變形等規(guī)律[8]；郭世儒、田富超、孫國(guó)文等人研究了保護(hù)層開采后，覆（伏）巖應(yīng)力、應(yīng)變及巖層滲透特性的變化規(guī)律[9-12]?；诶碚摲治鼋Y(jié)合數(shù)值模擬的方法，通過研究上保護(hù)層開采后，伏巖應(yīng)力、應(yīng)變的區(qū)域時(shí)空分布，分析伏巖滲透特性變化規(guī)律，進(jìn)而研究開采上保護(hù)層后，下伏巖層達(dá)到防突效果區(qū)域的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

1 伏巖應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域空間演化理論分析

保護(hù)層開采使處于卸壓區(qū)的伏巖發(fā)生膨脹變形、透氣性增大、瓦斯出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)解吸、瓦斯壓力降低等變化，達(dá)到一定的防突效果。假設(shè)伏巖為均質(zhì)的各向同性彈性體，結(jié)合彈性力學(xué)理論構(gòu)建相應(yīng)的力學(xué)模型，對(duì)模型求解，獲得保護(hù)層開采過程中下方的伏巖應(yīng)力應(yīng)變分布特征。

1.1 伏巖內(nèi)部應(yīng)力分布理論分析

保護(hù)層工作面開采后，上覆巖層的自重轉(zhuǎn)移，造成采空區(qū)邊緣有較大的應(yīng)力集中，根據(jù)彈性力學(xué)理論，建立支撐應(yīng)力分布計(jì)算力學(xué)模型和保護(hù)層工作面開采后應(yīng)力增量模型（圖1），計(jì)算時(shí)將已開采部分應(yīng)力增量看作均布載荷。

圖1 應(yīng)力增量計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)彈性力學(xué)理論，在分布力集度變化條件下，計(jì)算作用在均質(zhì)各向同性半無限平面邊界上的集中力p，作用在底板中任一點(diǎn)O引起的應(yīng)力如下：

式中：σy為 y方向引起的應(yīng)力，kN；σx為 x方向引起的應(yīng)力，kN；K為應(yīng)力變量系數(shù)；q0為y方向引起的原始應(yīng)力，kN；L為工作面傾向長(zhǎng)的1/2，m；S為超前支承壓力分布范圍，m；g為重力加速度，N/kg。

根據(jù)式（1）以及實(shí)際的工程模型相關(guān)數(shù)據(jù)，可得出伏巖區(qū)域不同空間位置對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布情況。

1.2 伏巖移動(dòng)變形理論分析

上保護(hù)層開采后，伏巖出現(xiàn)卸壓，發(fā)生變形破壞且向采空區(qū)方向移動(dòng)，假定伏巖可為各向同性連續(xù)介質(zhì)，滿足彈性力學(xué)的相關(guān)條件。依據(jù)薄板撓度計(jì)算理論和最小勢(shì)能理論，可得出薄板中面的撓曲w方程：

式中：q為對(duì)薄板施加的應(yīng)力載荷；Lx為x方向薄板長(zhǎng)度；Ly為y方向薄板長(zhǎng)度；D為彎曲剛度。

代入工程模型：上保護(hù)層工作面長(zhǎng)110 m，采高1.36 m，下被保護(hù)層煤層的厚度為3.28 m層間距為8.08 m；采用Matlab軟件對(duì)方程進(jìn)行解算，得到下被保護(hù)層應(yīng)力分布特征，可得下被保護(hù)煤層最大變形量為82.7 mm。

1.3 上保護(hù)層開采伏巖滲透特征變化規(guī)律

煤層開采后，采空區(qū)周圍出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)。對(duì)于承受均勻垂直剛性條帶荷載的半無限剛塑性無重土地基，根據(jù)塑性理論可以得到其塑性滑移面，類似的認(rèn)為工作面底板巖體在一定范圍內(nèi)處于塑性狀態(tài)，極限狀態(tài)下底板中塑性破壞示意圖如圖2。煤層開采后，在采空區(qū)周圍的底板巖體上產(chǎn)生支承壓力，當(dāng)支承壓力作用區(qū)域的巖體即圖2中Ⅰ區(qū)所承受的應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度時(shí)，巖體會(huì)產(chǎn)生塑性變形，由于這部分巖體在垂直方向上受到壓縮，在水平方向上必然會(huì)膨脹，膨脹的巖體擠壓過渡區(qū)即圖中Ⅱ區(qū)的巖體，并且將應(yīng)力傳遞到這一區(qū)域。過渡區(qū)的巖體受到擠壓后將繼續(xù)擠壓被動(dòng)區(qū)即圖中Ⅲ區(qū)的巖體，由于被動(dòng)區(qū)上方為采空區(qū)，在主動(dòng)區(qū)傳遞來的力的作用下，被動(dòng)區(qū)的巖體受到拉應(yīng)力，由于巖體抗拉強(qiáng)度極限遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度極限，巖體將被破壞并向采空區(qū)內(nèi)膨脹。

圖2 塑性破壞示意圖

區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的巖體被壓縮，因此，該區(qū)域內(nèi)的煤巖體滲透率低，不能成為覆巖瓦斯涌出的裂隙通道。而被動(dòng)區(qū)Ⅲ內(nèi)的巖體，一方面，在拉應(yīng)力的作用下被破壞并向采空區(qū)內(nèi)膨脹，產(chǎn)生大量的垂直或斜交裂隙，為被保護(hù)層中的瓦斯進(jìn)入保護(hù)層采空區(qū)提供通道；另一方面，保護(hù)層底板的巖體向采空區(qū)方向膨脹變形，被保護(hù)層的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，煤層產(chǎn)生卸壓、膨脹，煤層透氣性增強(qiáng)，煤層吸附瓦斯變?yōu)橛坞x狀態(tài)；通過對(duì)該部分卸壓瓦斯進(jìn)行抽采，可降低被保護(hù)層的瓦斯內(nèi)能，達(dá)到防治其煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的目的。

2 伏巖區(qū)域時(shí)空滲透特性演化數(shù)值模擬

2.1 工程背景及模型建立

研究背景為貴州礦區(qū)某煤礦近距離煤層群開采，煤礦采用上保護(hù)層C5煤層作為保護(hù)層，保護(hù)下部的C6煤層。上保護(hù)層工作面長(zhǎng)110 m，采高1.36 m，下被保護(hù)層C6煤層的厚度為3.28 m，層間距為8.08 m。進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，數(shù)值模型的上部采用應(yīng)力邊界條件，根據(jù)煤礦C5煤層的埋深，同時(shí)考慮到其真實(shí)地應(yīng)力條件，模型上部施加的地應(yīng)力為14 MPa；模型下部采用固定邊界條件；四周采用滾動(dòng)邊界條件，施加的應(yīng)力為10 MPa。

2.2 上保護(hù)層開采伏巖應(yīng)力時(shí)空演化規(guī)律

數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)和寬均為400 m，在C5煤層中部位置開挖，模型兩側(cè)各留100 m煤柱。為了減少開采擾動(dòng)，每次開挖距離為2 m，共開采200 m。通過Tecplot軟件對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，獲得了圍巖水平應(yīng)力分布圖（圖3）。

圖3 保護(hù)層未開采、開采 40、80、120、150、180、200 m 時(shí)垂直應(yīng)力和圍巖水平應(yīng)力分布圖

從圖3可以看出，保護(hù)層工作面未開挖時(shí)，各巖層的垂直應(yīng)力基本上隨著埋深的增大而增大，與自重和本身的密度有關(guān)；工作面開挖時(shí)，在切眼或停頭位置和采空區(qū)圍巖分別出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)；當(dāng)工作面開挖至 80、120、150、180、200 m 的過程中，開切眼和停頭位置的應(yīng)力集中系數(shù)持續(xù)增大，同時(shí)，隨著保護(hù)層工作面的不斷回采，下方煤巖體的卸壓范圍越來越大。此外，根據(jù)上述應(yīng)力分布圖還可以看出，隨著保護(hù)層工作面持續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)后方的應(yīng)力值也有所恢復(fù)。保護(hù)層工作面開挖200 m時(shí)，從圖3中可以看出，保護(hù)層工作面開采后，圍巖水平方向上應(yīng)力也明顯降低。

2.3 上保護(hù)層開采過程伏巖移動(dòng)變形規(guī)律

保護(hù)層工作面開挖不同距離時(shí)，圍巖z方向的位移矢量時(shí)空分布如圖4。位移矢量圖反映了巖層在不同方向的移動(dòng)情況。保護(hù)層工作面開采過程中，由于采空區(qū)提供了卸壓空間，隨著開采的不斷進(jìn)行，圍巖不斷發(fā)生膨脹變形，采空區(qū)上部和下部的圍巖向采空區(qū)方向移動(dòng)，同時(shí)，切眼和停頭位置四周的圍巖向采空區(qū)方向發(fā)生水平移動(dòng)。由于不同巖層的撓度不一致，在移動(dòng)過程中，巖體內(nèi)部不端出現(xiàn)損傷，造成了透氣性系數(shù)也不斷增大。

圖4 保護(hù)層開采80、140、150、200 m時(shí)圍巖z方向矢量時(shí)空分布

2.4 保護(hù)層工作面開采過程圍巖位移變化

保護(hù)層工作面開采 40、80、120、150、180、200 m過程中垂直z方向上圍巖位移時(shí)空分布如圖5。從圖5可知，隨著保護(hù)層工作面的開采，圍巖垂直方向的位移表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性：隨著開采的進(jìn)行，下伏圍巖的垂直位移不斷增大，保護(hù)層工作面下伏煤巖體的位移從0增大到80 mm，說明上保護(hù)層開采過程中，下伏煤巖體發(fā)生了明顯的膨脹變形。

2.5 被保護(hù)層應(yīng)力及移動(dòng)變形分析

上保護(hù)層工作面開采 20、40、60、80、100、120、150、180、200 m時(shí)，數(shù)值模擬可獲得被保護(hù)層煤體的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，被保護(hù)層中部煤體的應(yīng)力隨保護(hù)層工作面開采過程中的應(yīng)力變化規(guī)律如圖6。工作面開采范圍為100~300 m，從圖6可以看出，被保護(hù)層工作面原始地應(yīng)力越為16.3 MPa，隨著保護(hù)層的開采，被保護(hù)層工作面出現(xiàn)原始應(yīng)力區(qū)、卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)；伴隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，卸壓區(qū)的范圍逐漸增大，同時(shí)，原先處于應(yīng)力集中區(qū)的煤體，隨著保護(hù)層工作面的推進(jìn)，會(huì)慢慢轉(zhuǎn)化成卸壓區(qū)；切巷和停頭處存在應(yīng)力集中，最大集中應(yīng)力為35.3 MPa。

圖5 保護(hù)層工作面開采 40、80、120、150、180、200 m圍巖z方向位移時(shí)空分布

圖6 保護(hù)層工作面開采不同距離時(shí)被保護(hù)層應(yīng)力變化規(guī)律

保護(hù)層工作面開采不同距離時(shí)被保護(hù)層垂直位移變化規(guī)律如圖7。從圖7可知，隨著保護(hù)層工作面不斷推進(jìn)，在圍巖支撐應(yīng)力和水平應(yīng)力的綜合作用下，被保護(hù)層煤體變形量較大，在開采過程中，其位移量從最初的幾個(gè)毫米增大到80 mm，充分說明了保護(hù)層開采使被保護(hù)層煤體發(fā)生了充分卸壓，從而煤體出現(xiàn)大的膨脹變形。

3 結(jié)論

1）根據(jù)彈性力學(xué)理論和薄板撓度計(jì)算理論建立了保護(hù)層開采后伏巖應(yīng)力增量方程和薄板中面的撓曲方程，代入工程模型后得到被保護(hù)煤層最大變形量82.7 mm。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明保護(hù)層開采后，伏巖應(yīng)力在垂直（水平）方向隨保護(hù)層開采進(jìn)度明顯降低，消突卸壓效果十分明顯，隨著開采進(jìn)行，采空區(qū)后方被保護(hù)區(qū)域的應(yīng)力有所恢復(fù)，說明區(qū)域防突卸壓效果存在時(shí)效性和空間差異性。

圖7 保護(hù)層工作面開采不同距離時(shí)被保護(hù)層垂直位移變化規(guī)律

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，在圍巖支撐應(yīng)力和水平應(yīng)力的綜合作用下被保護(hù)煤層最大變形量達(dá)到80 mm，與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。