上保護層開采防突效果區域時空演化規律研究

郭懷廣

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110016；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

在煤層群開采中，利用保護層采動作用產生的“卸壓增透”效應來提高煤層透氣性是最具有效的措施[1]。目前國內外廣泛采用現場實測、實驗室相似模擬和計算機數值模擬的方法，研究保護層開采后上覆煤巖層變化規律和被保護層的保護范圍。孫培德、鮮學福等人應用瓦斯流的固氣耦合理論對上保護層的保護范圍進行了固氣耦合分析，可動態地定量劃分上保護層的保護范圍[2]；王永秀等人針對華豐煤礦4號煤層沖擊礦壓災害問題，應用FLAC軟件模擬分析了6號保護層開采后4號被保護層的卸壓效果[3]；石必明、俞啟香等人基于巖石破裂損傷理論對遠距離保護層開采動態發展過程進行了模擬，得出了覆巖破裂移動規律及隨工作面推進時，被保護層應力、變形分布特征[4]；劉林利用三維離散單元法對上保護層開采后，底板煤巖體應力重新分布的規律、底板變形和破壞特征進行了數值模擬研究，從理論上計算了卸壓范圍向底板方向發展的深度，并得出了模型沿走向、傾向的最大卸壓角[5]；劉澤功、涂敏等人數值模擬的方法研究了保護層開采上覆煤巖層變化規律，一致認為隨著保護層采煤工作面向前推進，被保護層垂直變形呈現“M”型分布[6-7]；涂敏根據物理模擬試驗，研究下保護層煤層工作面推進過程中，采動覆巖結構運動、采動裂隙動態演化與分布特征及被保護層煤層的應力變化和膨脹變形等規律[8]；郭世儒、田富超、孫國文等人研究了保護層開采后，覆（伏）巖應力、應變及巖層滲透特性的變化規律[9-12]。基于理論分析結合數值模擬的方法，通過研究上保護層開采后，伏巖應力、應變的區域時空分布，分析伏巖滲透特性變化規律，進而研究開采上保護層后，下伏巖層達到防突效果區域的時空動態演化規律。

1 伏巖應力應變區域空間演化理論分析

保護層開采使處于卸壓區的伏巖發生膨脹變形、透氣性增大、瓦斯出現非穩態解吸、瓦斯壓力降低等變化，達到一定的防突效果。假設伏巖為均質的各向同性彈性體，結合彈性力學理論構建相應的力學模型，對模型求解，獲得保護層開采過程中下方的伏巖應力應變分布特征。

1.1 伏巖內部應力分布理論分析

保護層工作面開采后，上覆巖層的自重轉移，造成采空區邊緣有較大的應力集中，根據彈性力學理論，建立支撐應力分布計算力學模型和保護層工作面開采后應力增量模型（圖1），計算時將已開采部分應力增量看作均布載荷。

圖1 應力增量計算簡圖

根據彈性力學理論，在分布力集度變化條件下，計算作用在均質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O引起的應力如下：

式中：σy為 y方向引起的應力，kN；σx為 x方向引起的應力，kN；K為應力變量系數；q0為y方向引起的原始應力，kN；L為工作面傾向長的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。

根據式（1）以及實際的工程模型相關數據，可得出伏巖區域不同空間位置對應的應力分布情況。

1.2 伏巖移動變形理論分析

上保護層開采后，伏巖出現卸壓，發生變形破壞且向采空區方向移動，假定伏巖可為各向同性連續介質，滿足彈性力學的相關條件。依據薄板撓度計算理論和最小勢能理論，可得出薄板中面的撓曲w方程：

式中：q為對薄板施加的應力載荷；Lx為x方向薄板長度；Ly為y方向薄板長度；D為彎曲剛度。

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

1.3 上保護層開采伏巖滲透特征變化規律

煤層開采后，采空區周圍出現應力降低區。對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，根據塑性理論可以得到其塑性滑移面，類似的認為工作面底板巖體在一定范圍內處于塑性狀態，極限狀態下底板中塑性破壞示意圖如圖2。煤層開采后，在采空區周圍的底板巖體上產生支承壓力，當支承壓力作用區域的巖體即圖2中Ⅰ區所承受的應力超過其極限強度時，巖體會產生塑性變形，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膨脹，膨脹的巖體擠壓過渡區即圖中Ⅱ區的巖體，并且將應力傳遞到這一區域。過渡區的巖體受到擠壓后將繼續擠壓被動區即圖中Ⅲ區的巖體，由于被動區上方為采空區，在主動區傳遞來的力的作用下，被動區的巖體受到拉應力，由于巖體抗拉強度極限遠小于抗壓強度極限，巖體將被破壞并向采空區內膨脹。

圖2 塑性破壞示意圖

區域Ⅰ和區域Ⅱ的巖體被壓縮，因此，該區域內的煤巖體滲透率低，不能成為覆巖瓦斯涌出的裂隙通道。而被動區Ⅲ內的巖體，一方面，在拉應力的作用下被破壞并向采空區內膨脹，產生大量的垂直或斜交裂隙，為被保護層中的瓦斯進入保護層采空區提供通道；另一方面，保護層底板的巖體向采空區方向膨脹變形，被保護層的應力平衡狀態被破壞，煤層產生卸壓、膨脹，煤層透氣性增強，煤層吸附瓦斯變為游離狀態；通過對該部分卸壓瓦斯進行抽采，可降低被保護層的瓦斯內能，達到防治其煤與瓦斯突出危險的目的。

2 伏巖區域時空滲透特性演化數值模擬

2.1 工程背景及模型建立

研究背景為貴州礦區某煤礦近距離煤層群開采，煤礦采用上保護層C5煤層作為保護層，保護下部的C6煤層。上保護層工作面長110 m，采高1.36 m，下被保護層C6煤層的厚度為3.28 m，層間距為8.08 m。進行數值模擬時，數值模型的上部采用應力邊界條件，根據煤礦C5煤層的埋深，同時考慮到其真實地應力條件，模型上部施加的地應力為14 MPa；模型下部采用固定邊界條件；四周采用滾動邊界條件，施加的應力為10 MPa。

2.2 上保護層開采伏巖應力時空演化規律

數值計算模型長和寬均為400 m，在C5煤層中部位置開挖，模型兩側各留100 m煤柱。為了減少開采擾動，每次開挖距離為2 m，共開采200 m。通過Tecplot軟件對數值模擬結果進行處理，獲得了圍巖水平應力分布圖（圖3）。

圖3 保護層未開采、開采 40、80、120、150、180、200 m 時垂直應力和圍巖水平應力分布圖

從圖3可以看出，保護層工作面未開挖時，各巖層的垂直應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；工作面開挖時，在切眼或停頭位置和采空區圍巖分別出現應力集中區和卸壓區；當工作面開挖至 80、120、150、180、200 m 的過程中，開切眼和停頭位置的應力集中系數持續增大，同時，隨著保護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，根據上述應力分布圖還可以看出，隨著保護層工作面持續推進，采空區后方的應力值也有所恢復。保護層工作面開挖200 m時，從圖3中可以看出，保護層工作面開采后，圍巖水平方向上應力也明顯降低。

2.3 上保護層開采過程伏巖移動變形規律

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

圖4 保護層開采80、140、150、200 m時圍巖z方向矢量時空分布

2.4 保護層工作面開采過程圍巖位移變化

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

2.5 被保護層應力及移動變形分析

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

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

圖6 保護層工作面開采不同距離時被保護層應力變化規律

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

3 結論

1）根據彈性力學理論和薄板撓度計算理論建立了保護層開采后伏巖應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煤層最大變形量82.7 mm。

2）數值模擬結果表明保護層開采后，伏巖應力在垂直（水平）方向隨保護層開采進度明顯降低，消突卸壓效果十分明顯，隨著開采進行，采空區后方被保護區域的應力有所恢復，說明區域防突卸壓效果存在時效性和空間差異性。

圖7 保護層工作面開采不同距離時被保護層垂直位移變化規律

3）數值模擬結果表明，在圍巖支撐應力和水平應力的綜合作用下被保護煤層最大變形量達到80 mm，與理論計算結果基本一致。