開采參數對遠程上行卸壓開采應力-裂隙的影響

肖家平，竇禮同，史長勝

（1.淮南職業技術學院 能源工程系，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001）

隨著煤礦開采規模的擴大以及開采深度的增加，瓦斯災害已成為制約煤炭資源安全高效開采的關鍵因素，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礦井安全高產，又能合理有效地利用瓦斯資源已成為亟待解決的問題，許多學者已經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律，釋放煤體彈性能，增大煤層透氣性，使煤體內瓦斯賦存狀態被激活，從而達到預防煤與瓦斯突出、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，被卸壓層應力分布規律、變形特征與卸壓層開采參數密切相關。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及發育高度的根本因素。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生的應力集中范圍、上覆巖層運移規律、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煤開采技術條件為工程背景，開展開采參數對遠程上向卸壓開采煤巖體應力－裂隙演化特征數值模擬試驗研究，探尋采厚與面長對上行卸壓開采應力場、位移場影響特征。

1 遠程上行卸壓開采模型構建

模擬試驗以淮南礦業集團潘二煤礦11223工作面為原型，11223 工作面標高為－460.0～－500.0 m。潘二礦A3煤和B4煤均為高瓦斯、突出煤層，開采地質和技術條件復雜。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參數見表1。

根據實際的煤層埋深以及巖層分布情況建立FLAC3D數值計算模型。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對模型施加自重載荷，并對三維模型側面和底面提供位移邊界約束。根據工作面回采順序，分2步進行數值模擬。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，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、應力場的影響效應。

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側的應力等值線如圖1。

為便于分析煤體卸壓程度的變化規律引入卸壓系數 r來反映[13]，即：

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

不同采厚4煤卸壓系數變化曲線如圖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，導致卸壓系數分布形態為非對稱狀態，卸壓系數最大處在工作面中部。

隨著3煤采厚的增加，在3煤采空區的4煤卸壓系數也隨之增加，在采厚為1 m時，4煤最大卸壓系數為0.2，當采厚增加至9 m時，4煤最大卸壓系數為0.9，4煤卸壓系數與3煤采厚成非線性正比關系。在3煤兩側煤柱上方的4煤應力集中系數隨3煤采厚的增加而增加，與3煤采厚成非線性正比關系。4煤應力集中系數與采厚線性回歸曲線如圖3。

4煤應力集中系數為：

運輸巷側

回風巷側

式中：K為應力集中系數；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煤的垂直位移數據，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 不同采厚條件下應力等值線圖

圖2 不同采厚條件下4煤卸壓系數曲線

圖3 采厚與4煤最大應力集中系數關系

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煤的水平位移數據，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煤在回風巷側與運輸巷側的水平位移分別為0.04 m和0.09 m，當采厚增加至9 m時，4煤在回風巷側與運輸巷側的水平位移分別為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側的應力等值線如圖7。

為分析面長對于卸壓開采應力場的影響，提取被卸壓層4煤的垂直應力數據，分析在不同面長條件下4煤垂直應力的變化情況。不同面長4煤垂直應力變化曲線如圖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，導致卸壓系數分布形態為非對稱狀態，卸壓系數最大處在工作面中部。

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

3.2 面長對上行卸壓開采位移場影響分析

圖7 不同面長條件下應力等值線

圖8 不同面長條件下4煤卸壓系數曲線

圖9 面長與4煤卸壓范圍關系

為分析面長對于卸壓開采位移場的影響，提取被卸壓層4煤的垂直位移數據，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煤的水平位移數據，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煤在回風巷側與運輸巷側的水平位移分別為0.4 m和0.8 m，當面長增加至240 m時，4煤在回風巷側與運輸巷側的水平位移分別為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系。

4 結果

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所需巖體增多，因此垮落帶與斷裂帶的發育高度也隨之增大，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。