开采参数对远程上行卸压开采应力-裂隙的影响

肖家平，窦礼同，史长胜

（1.淮南职业技术学院 能源工程系，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001）

随着煤矿开采规模的扩大以及开采深度的增加，瓦斯灾害已成为制约煤炭资源安全高效开采的关键因素，尤其是在开采低透气性高瓦斯有突出危险煤层时，显得尤为突出[1-3]。因此，如何采取有效措施既能实现矿井安全高产，又能合理有效地利用瓦斯资源已成为亟待解决的问题，许多学者已经在卸压瓦斯抽采方面进行了大量的研究[4-7]。卸压开采是利用矿山压力引起的岩层运动规律，释放煤体弹性能，增大煤层透气性，使煤体内瓦斯赋存状态被激活，从而达到预防煤与瓦斯突出、增大瓦斯抽采率的目的。研究表明[8-12]，在上行卸压开采过程中，被卸压层应力分布规律、变形特征与卸压层开采参数密切相关。下部卸压煤层的厚度以及开采面长是影响上覆岩层破坏状态及发育高度的根本因素。随着采厚的增加，垮落带与断裂带的高度越大，上部煤、岩层的下沉及各种变形值越大；开采面长在一定程度上决定着煤层采动是否为充分采动，在充分采动条件下被卸压层卸压范围要大于非充分采动条件下的卸压范围。采厚与面长对于上行卸压开采产生的应力集中范围、上覆岩层运移规律、上煤层卸压范围等的影响研究较少，因此，以潘二矿A3煤和B4煤开采技术条件为工程背景，开展开采参数对远程上向卸压开采煤岩体应力－裂隙演化特征数值模拟试验研究，探寻采厚与面长对上行卸压开采应力场、位移场影响特征。

1 远程上行卸压开采模型构建

模拟试验以淮南矿业集团潘二煤矿11223工作面为原型，11223 工作面标高为－460.0～－500.0 m。潘二矿A3煤和B4煤均为高瓦斯、突出煤层，开采地质和技术条件复杂。A3煤平均厚度5.0 m，瓦斯含量11 m3/t，瓦斯压力 2.6 MPa，B4煤平均厚度 3.5 m，煤瓦斯含量 7.79 m3/t，瓦斯压力 1.5 MPa。A3煤与 B4煤间距平均80 m，煤系地层倾角平均13°。A3煤顶板至B4煤底板分布有3组厚砂岩。模拟试验岩性物理力学参数见表1。

根据实际的煤层埋深以及岩层分布情况建立FLAC3D数值计算模型。模型在空间上分x、y、z 3个方向，与实际的开采情况比较，工作面推进方向在模型中为x方向，竖直方向为z方向，整个模型在空间上尺寸x方向600 m，y方向400 m（x和y组成水平面），z方向为280 m。模型计算采用摩尔－库仑准则计算。计算前按模型所在的地层中的实际位置在深度方向对模型施加自重载荷，并对三维模型侧面和底面提供位移边界约束。根据工作面回采顺序，分2步进行数值模拟。第一步：模型初始平衡后，首先开挖3煤11223工作面回采巷道；第二步：开挖3煤11223工作面。

改变模型开采参数，即不同采厚（1、3、5、7、9 m）与不同面长（160、180、200、220、240 m），分析采厚以及面长对上行卸压开采位移场、应力场的影响效应。

2 采厚对上行卸压开采影响分析

2.1 采厚对上行卸压开采应力场影响分析

3煤工作面开采完毕后，不同采厚情况下沿倾向方向在采空区侧的应力等值线如图1。

为便于分析煤体卸压程度的变化规律引入卸压系数 r来反映[13]，即：

式中：σz为煤岩某点采动后竖向应力，σz0为该点原始应力；r＞0 为卸压、r＜0 为增压。

不同采厚4煤卸压系数变化曲线如图2。

由图2可知，在不同采厚条件下，4煤卸压系数变化趋势一致，因煤层有一定倾角，上部与下部受上覆岩层重力影响不一样，导致卸压系数分布形态为非对称状态，卸压系数最大处在工作面中部。

随着3煤采厚的增加，在3煤采空区的4煤卸压系数也随之增加，在采厚为1 m时，4煤最大卸压系数为0.2，当采厚增加至9 m时，4煤最大卸压系数为0.9，4煤卸压系数与3煤采厚成非线性正比关系。在3煤两侧煤柱上方的4煤应力集中系数随3煤采厚的增加而增加，与3煤采厚成非线性正比关系。4煤应力集中系数与采厚线性回归曲线如图3。

4煤应力集中系数为：

运输巷侧

回风巷侧

式中：K为应力集中系数；M为3煤采厚，m。

2.2 采厚对上行卸压开采位移场影响分析

为分析采厚对于卸压开采位移场的影响，提取被卸压层4煤的垂直位移数据，分析在不同采厚条件下4煤垂直位移的变化情况。不同采厚4煤垂直位移曲线如图4。

图1 不同采厚条件下应力等值线图

图2 不同采厚条件下4煤卸压系数曲线

图3 采厚与4煤最大应力集中系数关系

图4 不同采厚条件下4煤垂直位移曲线

由图4可知，在不同采厚条件下，4煤下沉趋势一致。因采厚的增加，填充采空区所需岩石增多，三带高度增大，故4煤垂直位移也随采厚增加而增加。在采厚为1 m时，4最大垂直位移为0.5 m，当采厚增加至9 m时，4煤最大垂直位移为4.5 m，采厚与4煤最大垂直位移成非线性正比关系。

4煤最大下沉量与采厚线性回归曲线如图5。

4煤下沉量为：

式中：Zd为4煤的垂直位移量，m；M为3煤的厚度，m。

提取被卸压层4煤的水平位移数据，分析在不同采厚条件下4煤水平位移的变化情况。不同采厚4煤水平位移曲线如6。

图5 采厚与4煤最大下沉量关系

图6 不同采厚条件下4煤水平位移曲线

由图6可知，在不同采厚条件下，4煤水平位移变化趋势一致。随着3煤采厚的增加，4煤水平位移有所增加，在采厚为1 m时，4煤在回风巷侧与运输巷侧的水平位移分别为0.04 m和0.09 m，当采厚增加至9 m时，4煤在回风巷侧与运输巷侧的水平位移分别为0.8 m和1.6 m，4煤水平位移变化与3煤采厚成非线性正比关系。

3 面长对上行卸压开采影响分析

3.1 面长对上行卸压开采应力场影响分析

3煤工作面开采完毕后，不同开采面长情况下沿倾向方向在采空区侧的应力等值线如图7。

为分析面长对于卸压开采应力场的影响，提取被卸压层4煤的垂直应力数据，分析在不同面长条件下4煤垂直应力的变化情况。不同面长4煤垂直应力变化曲线如图8。

由图8可知，在不同面长条件下，4煤卸压系数变化趋势一致，因煤层有一定倾角，上部与下部受上覆岩层重力影响不一样，导致卸压系数分布形态为非对称状态，卸压系数最大处在工作面中部。

随着3煤开采面长的增加，在3煤采空区的4煤卸压系数逐渐减小，卸压范围越来越大。卸压范围（r＞0）与面长关系如图9，卸压范围与3煤开采面长成非线性正比关系。

3.2 面长对上行卸压开采位移场影响分析

图7 不同面长条件下应力等值线

图8 不同面长条件下4煤卸压系数曲线

图9 面长与4煤卸压范围关系

为分析面长对于卸压开采位移场的影响，提取被卸压层4煤的垂直位移数据，分析在不开采面长条件下4煤垂直位移的变化情况。不同面长4煤垂直位移曲线如图10。

图10 不同面长条件下4煤垂直位移曲线

由图10可知，在不同面长条件下，4煤下沉趋势一致，最大下沉点都在工作面中部。面长的增加，使得上覆岩层跨落越充分，故4煤垂直位移也随面长增加而增加，当4煤垂直位移增加到一定程度时将趋于平缓。在面长为160 m时，4煤最大垂直位移为1.7 m，在面长为240 m时，4煤最大垂直位移为4 m，当4煤垂直位移增加到一定程度时将趋于平缓，3煤工作面面长与4煤最大垂直位移成非线性正比关系。

把4煤最大下沉量与3煤工作面面长进行线性回归（图11）。

4煤下沉量为：

式中：Zd为4煤垂直位移量，m；L为3煤工作面面长，m。

提取被卸压层4煤的水平位移数据，分析在不同面长条件下4煤水平位移的变化情况。不同面长4煤水平位移曲线如图12。

图12 不同面长条件下4煤水平位移曲线

由图12可知，在不同面长条件下，4煤水平位移变化趋势一致。随着3煤工作面面长的增加，4煤水平位移有所增加，在面长为160 m时，4煤在回风巷侧与运输巷侧的水平位移分别为0.4 m和0.8 m，当面长增加至240 m时，4煤在回风巷侧与运输巷侧的水平位移分别为0.6 m和1.4 m，4煤水平位移变化与3煤开采面长成非线性正比关系。

4 结果

1）下部卸压煤层的开采厚是影响上覆岩层移动破坏及裂隙发育高度的根本因素。随着采厚的增大，卸压层开采后填充采空区所需岩体增多，因此垮落带与断裂带的发育高度也随之增大，被卸压煤层变形值越大，卸压范围随之增大垮落带与断裂带高度与采厚基本上成正比关系。

2）开采面长对于上行卸压开采卸压范围的影响较大，面长在一定程度上决定着煤层采动是否为充分采动，在充分采动条件下上被卸压层卸压范围要大于非充分采动条件下的卸压范围。