采空區底板不同深度巖體裂隙演化規律

郭 良，張春雷

（1.運城職業技術學院，山西 運城 044000；2.中煤科工集團國際工程有限公司，北京 100013）

隨著我國煤層開采深度的增加，原巖應力和瓦斯應力均增加，煤與瓦斯突出機理更加復雜[1]。采動圍巖孔隙和裂隙是瓦斯賦存和運移的主要通道，我國煤炭科技工作者對此進行了大量研究工作[2-9]。在此基礎上，運用UDEC離散元模擬軟件，在煤層底板縱向范圍內對底板不同深度的裂隙傾角、擴展方式進行了分析統計，為了解煤層底板瓦斯運移機制，優化底板瓦斯抽采提供依據。

1 煤層底板應力演化規律

工作面開采會必然會導致采場底板圍巖應力重新分布并在工作面前方形成超前支承壓力，從而造成工作面前方區域的底板處于受壓狀態，在工作面未推進到此范圍時，超前支承壓力影響底板垂直應力始終大于原巖應力，在工作面未推進到監測區域時，垂直應力將不斷卸荷，減小至原巖應力值，工作面繼續推進，監測區域進入工作面后方，根據采空區應力分布規律。監測區域底板垂直應力繼續較小，在底板深度較小時，甚至會減小至0或變為拉應力，整個推進過程中，工作面前方底板的垂直應力整體呈現先增大后減小的趨勢。煤層開采后應力重新分布概貌如圖1。

圖1 煤層開采后應力重新分布概貌

根據文獻[5]，張勇等根據應力狀態將工作面前方到采空區范圍內底板分為4個區，分別是壓縮區、過渡區、膨脹區和重新壓實區（圖2），以雞西礦業杏花煤礦為例，通過FLAC3D數值模擬軟件對底板分區進行了量化，壓縮區范圍為工作面前方40 m到工作面前方8 m峰值處，特點為圍巖不變垂直應力升高；過渡區范圍為工作面前方8 m到工作面后方4 m處，特點為圍壓不變，垂直應力由增大開始向減小過渡；膨脹區范圍為工作面后方4 m到工作面后方40 m，特點是由于頂板下沉和垮落垂直應力逐漸恢復；膨脹區往后為重新壓實區，此區域內垂直應力恢復到原巖應力水平。可以得出，工作面推進工程中，水平應力變化程度較小，垂直應力變化顯著，變化程度遠大于水平應力，底板應力也變化顯著，其中圍壓基本保持不變，軸壓會隨工作面推進呈現先增大后變小的趨勢，并可能減小到0甚至使軸壓由壓應力變成拉應力。

圖2 底板巖層應力分區示意圖

文獻[5]基于此分區研究了在橫向維度底板裂隙的分布和傾角等演化規律，將在上述工作的基礎上研究底板豎向維度的底板裂隙發育和分布規律。

2 工程背景

杏花煤礦為高瓦斯礦井，西二采區28#煤層右二工作面傾斜長度200 m，走向長度560 m，煤層平均傾角2°，煤層厚度平均1.2 m。28#煤層往下依次是30#煤層、31#煤層，距28#煤層間距依次是6～8 m和22 m。在工作面開采過程中，其相對瓦斯涌出量達到51 m3/t，絕對瓦斯涌出量達到70 m3/min。現場觀測發現，當開采28#煤層時，其下部的30#、31#煤層的瓦斯涌出量為40 m3/min，本層及其上部的27#煤層的瓦斯絕對涌出量為30～40 m3/min。考慮到瓦斯涌出量問題，設置了專門的瓦斯排放巷。在進行28#煤右1工作面的回采過程中，在采空區預留的高位鉆場和高位抽放尾巷只能夠解決本煤層采空區瓦斯，對于底板煤層的越移瓦斯需采取并加強相應措施控制瓦斯含量。裂隙是瓦斯流動的主要通道，研究采動過程中底板裂隙發育規律對越移瓦斯的抽采具有重要意義。

3 數值模擬

采用離散元數值模擬軟件UDEC模擬分析杏花煤礦西二采區28#煤層右二工作面開采過程中底板煤巖體的裂紋動態擴展過程，假設底板煤巖體中存在各個方向的隨機原生裂紋，在模型直接底及30#煤層中建立隨機節理。根據工作面地質條件建立數值模形長160 m，高100 m，為消除邊界影響兩側各預留30 m邊界，固定左右邊界和下邊界的水平方向位移，固定下邊界豎直方向位移，并施加垂直載荷8.75 MPa[10]到上邊界。模擬采用的煤巖力學參數見表1。數值模擬模型如圖3。

模擬表明上工作面開采過程中，在老頂初次來壓前隨工作面推進底板裂隙的發育范圍不斷增大，在長度方向上布滿采空區底板，且發育深度不斷增加；基本頂初次來壓后隨工作面繼續推進，頂板垮落巖塊將采空區底板壓實導致采空區中部底板煤巖體裂隙閉合。工作面推進不同距離時底板煤巖體裂隙發育特征如圖4。底板煤巖體裂隙區發育至工作面后方40 m左右；往后裂隙被壓實閉合，但在開切眼前方12 m左右有存在1個裂隙發育區；工作面前方的剪切裂紋發育區超前工作面6 m左右，裂隙發育深度約為10.5 m。統計顯示工作面前方至后方5 m處的裂紋傾角多在30°～60°之間，工作面后方5 m往后的裂紋多為水平或小傾角，這與力學分析結果相吻合。

表1 計算采用巖體力學參數

圖3 數值模擬模型

圖4 工作面推進不同距離時底板煤巖體裂隙發育特征

由對工作面推進80 m后，其前方12 m至后方37 m的擴展裂紋的統計可知深度0～2 m處共統計得到裂紋37條，其中傾角≤30°的裂紋共有14條占37.84%，傾角為31°～45°的裂紋共有5條占13.51%，傾角為46°～60°的裂紋共有5條占13.51%，傾角為61°～75°的裂紋占16.22%，共有6條，傾角為76°～90°的裂紋占18.92%，共有7條。傾角小于45°的裂紋超過半數，占比達到51.35%。

由深度2～4 m處共統計得到裂紋40條，其中傾角≤30°的裂紋共有171條占42.5%，傾角為31°～45°的裂紋共有 7 條占 17.50%，傾角為 46°～60°的裂紋共有5條占12.50%，傾角為61°～75°的裂紋占10.00%，共有 4條，傾角為 76°～90°的裂紋占17.50%，共有7條。傾角小于45°的裂紋超過半數，占到60.0%。

由深度4～6 m處共統計得到裂紋20條，其中傾角≤30°的裂紋共有9條占45%，傾角為31°～45°的裂紋共有2條占10%，傾角為46°～60°的裂紋共有2條占10%，傾角為61°～75°的裂紋占10%，共有2條，傾角為76°～90°的裂紋占25%，共有5條。傾角小于45°的裂紋超過半數，占到55%。

由深度6～8 m處共統計得到裂紋10條，其中傾角≤30°的裂紋共有3條占30%，傾角為31°～45°的裂紋共有1條占10%，傾角為46°～60°的裂紋共有1條占10%，傾角為61°～75°的裂紋共有5條占50%，傾角為76°～90°的裂紋共有0條。傾角大于45°的裂紋占到60%超過半數。

由深度8～10 m處共統計得到裂紋5條，其中傾角≤30°的裂紋共有0條，傾角為31°～45°的裂紋共有1條占20%，傾角為46°～60°的裂紋共有2條占40%，傾角為61°～75°的裂紋共有1條占20%，傾角為76°～90°的裂紋占20%，共有1條。傾角大于45°的裂紋占到80%。底板不同深度裂紋傾角分布如圖5。

由工作面推進80 m后底板裂隙的分布特征可知，隨著底板深度的增加，裂隙數量逐漸減少直至不再發育（圖6）。且在底板淺部以傾角較小的拉張裂紋或Ⅱ型剪切裂紋為主，往深部以傾角較大的壓剪擴展裂紋為主[10]，這與煤巖體裂紋擴展的機理分析相吻合，在底板深部煤巖體水平變形受到圍巖限制，裂紋朝著主應力方向擴展，二者方向一致；而淺部裂紋以膨脹、剪切擴展為主，這是因為淺部具有垂直應力較小且水平圍巖限制變弱的特征。

4 結論

圖5 底板不同深度裂紋傾角分布

圖6 底板煤巖體裂隙數量與深度關系

1）在工作面的推進工程中，水平應力變化程度較小，垂直應力變化顯著，變化程度遠大于水平應力，底板應力也變化顯著，其中圍壓基本保持不變，軸壓會隨工作面推進呈現先增大后變小的趨勢，并可能減小到0甚至使軸壓由壓應力變成拉應力。

2）壓縮區區域內的的煤巖體主要是發生壓剪破壞，這是垂直應力作用的結果，原生裂隙、裂縫往往會被壓緊閉合，從而導致圍巖透氣性變低，但裂紋也可能向主應力方向發生拉伸擴展，這主要是高應力作用的結果。

3）煤層開采后底板裂隙數量隨底板深度增加而減小直至不再發育；底板淺部以傾角較小的拉張裂紋或Ⅱ型剪切裂紋為主，往深部以傾角較大的壓剪擴展裂紋為主，紋朝著主應力方向擴展，二者方向一致；而淺部裂紋以膨脹、剪切擴展為主，這是因為淺部具有垂直應力較小另并且水平圍巖限制變弱的特征。