初采期工作面推进速度对近距离煤层的影响

李川田，庞杰文，吴世跃，谢建林

（1．太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原030024；2．太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原030024）

初采期是采煤工作面从开切眼至正常生产过渡的1 个特殊时期，采煤工作面从开切眼开始开采，采空区逐步形成，上覆岩层应力重新分布，采空区悬顶区域顶板卸压下沉，产生弯曲变形，竖向裂隙逐步发育，为邻近煤层瓦斯解吸和排放提供条件，随着工作面的进一步推进，工作面顶板发生初次垮落，瞬间为邻近层瓦斯的释放提供了大量的裂隙通道，导致工作面瓦斯超限。工作面顶板的垮落使得采煤工作面影响区在竖向方向形成由垮落带、断裂带和弯曲下沉带组成的“竖三带”，在横向方向形成由煤壁支撑影响区、支架支撑及离层区和已垮落矸石重新压实区组成的“横三区”[1-2]。在初次垮落之后，“竖三带”和“横三区”的裂隙分布情况是支配邻近煤层瓦斯排放通道的主要因素，而采场覆岩运动与时间有密不可分的关系。初采期工作面的推进速度受采煤工作面准备情况、设备设施运行检修情况影响，推进速度较慢且不稳定，同时覆岩初次垮落至稳定的周期垮落需要一段时间，导致上覆岩层运动不稳定，裂隙发育情况变化大，给初采期煤层群开采的瓦斯治理带来很大的困难[3-5]。

关于推进速度对覆岩运动的影响，国内外学者做了诸多方面的研究。刘洪永、赵鹏翔等[6-7]分别采用UDEC、物理相似模拟试验的方法，研究了综采工作面推进速度对瓦斯运移优势通道的影响，分析了推进速度对瓦斯运移优势通道的发育高度、宽度、垮落角的影响。王磊[8]采用试验、数值模拟与现场实测相结合的方法，研究了推进速度对综采工作面围岩应力场、破坏场分布及透气性的影响。薛宝玉[9]采用FLAC3D模拟方法分析了推进速度对顶板应力场、塑形破坏场以及位移场的影响规律。以上研究分析了推进速度对采煤工作面上方较大范围内应力场、位移场、裂隙破坏场的影响，而对于推进速度对近距离煤层运动影响的分析较少。为此以沙曲矿为工程背景，运用3DEC 离散元数值模拟软件模拟初采期不同推进速度下开采煤层上覆岩层的运动规律，并对近距离煤层与开采煤层间的离层特征、应力特征进行深入研究分析，以期得到推进速度对近距离煤层离层特征和应力特征的影响规律，为初采期工作面瓦斯治理、瓦斯抽采提供理论依据。

1 工程概况

沙曲煤矿24207 工作面整体呈单斜构造，煤层走向330°，倾向SW，倾角4°～7°，平均倾角5°。底板标高为+360~ +450 m，地面标高为+862~ +1 007 m，埋深在412~647 m 之间。主采煤层为3#+4#合并层煤层，厚度在3.6~4.2 m 之间，平均厚度为4.6 m。工作面伪顶不发育，局部有0.2 m 的泥岩；3#+4#煤直接顶为灰黑色中细砂质泥岩，厚度为5.5 m，为硬脆易冒落顶板；基本顶为5.59 m 的灰白色中砂岩，厚层状，均匀层理。直接底为灰色中砂岩，属基本稳定岩层；基本底为2.5 m 的黑色粉砂岩。

工作面3#+4#煤层向上距离2#煤层平均10.5 m左右，向下距离5#煤层平均5.6 m，其中2#煤平均厚度为1.04 m，5#煤平均厚度为3.3 m。2#煤层和5#煤层均属近距离煤层近水平煤层，当3#+4#煤层煤层先采后，2#煤层和5#煤层都在其有效断裂带卸压范围。

2 数值模型

2.1 模型尺寸及块体划分

根据沙曲煤矿某采煤工作面的地质条件建立数值模型。模型长160 m，宽40 m，高41 m。在考虑计算机配置的条件下，为充分研究回采过程中开采煤层上覆岩层的运动特性，本模型共划分了12 组岩层，4 880 个块体，5 192 个单元。模型如图1。

图1 数值模型

2.2 物理力学参数

模型物理力学参数根据煤矿相关岩石力学试验结果选取，力学参数折减为试验数据的1/2~1/20。具体取值见表1 和表2。

表1 岩层物理力学参数

表2 岩层节理物理力学参数

2.3 边界条件

根据沙曲煤矿采煤工作面地质资料可知，所研究岩层顶部埋深约为500 m。侧压系数取0.5，重力加速度取10 m/s2。以此设置模型初始条件。模型上部边界施加均布荷载，其等效荷载计算式如式（1），计算得出上部荷载为12.5 MPa。左右两侧、前后两侧以及模型底部采用速度固定。

式中：q 为等效荷载，MPa；ρ 为上覆岩层平均密度，取2.5 t/m3，h 为岩层埋深，m。

3 模拟方案

数值模拟试验通过控制“单位开采距离”来实现不同推进速度条件下的上覆岩层运动模拟[10]。首先，在初始应力条件下，使数值模型计算至平衡状态，以此模拟岩层的原岩应力状态；其次，开挖3#+4#煤层，开挖由x=20 m 处开始，至x=140 m 处结束，每次沿x 方向开挖“单位开采距离”，然后让模型运行1 000 时步，随后继续开挖“单位开采距离”，然后运行1 000 时步，以此往复。回采速度：①快速推进：单位开采距离为10 m；②中速推进：单位开采距离为5 m；③慢速推进：单位开采距离为3 m。同时，监测各岩层的运动状态。分别在各岩层中布置1 条监测线，记录岩层的位移及应力变化，以此定量揭示各岩层的运动规律。最后，通过对比每次开挖后的计算结果分析上覆岩层的运动规律。

4 模拟结果分析

4.1 上覆岩层沉降特征

初采期上覆岩层的沉降规律与工作面的推进速度密切相关。随着工作面的推进，上覆岩层在自身重力的作用下缓慢沉降，岩层层间节理及岩层中的节理开始滑移，块体发生变形，上覆岩层中的裂隙开始扩大。当工作面推进距离达到某一值时，顶板发生初次断裂。随后随着工作面的进一步推进，顶板发生周期性断裂。不同推进速度下采煤工作面上覆岩层的垂直位移云图如图2，通过对比可以看出，在推进速度为快速时，顶板发生初次断裂时工作面推进距离为70 m；在推进速度为中速时，顶板发生初次断裂时工作面推进距离为55 m；在推进速度为慢速时，顶板发生初次断裂时工作面推进距离为33 m。由此可以得出，工作面的推进速度影响初次周期来压步距，推进速度越快，初次来压步距越大。根据沙曲矿相关矿压资料，沙曲矿3#+4#煤层开采的初次来压步距约为30 m。由此可以判定，模型工作面进行慢速推进时，其顶板运动规律与沙曲矿实际情况相似。

图2 垂直位移云图

4.2 近距离煤层间离层分布特征

通过监测3#+4#煤顶板、2#煤顶板位移，得到近距离煤层的沉降位移数据。将3#+4#煤顶板沉降量和2#煤顶板沉降量绘制成曲线图（图3）（以回采50 m 时沉降量曲线为例）。由图3 可以看出，采空区上方3#+4#煤顶板与2#煤顶板的沉降量最不协调，出现较大的离层。当工作面推进一定距离后，3#+4#煤顶板与2#煤顶板的沉降量趋于一致，最后相等，此现象是由采空区岩石被压实引起的。同时，在工作面超前段，3#+4#煤顶板与2#煤顶板之间也存在着离层。将压实区至采煤工作面的距离定义为采空区离层区，将工作面超前区域的离层定义为超前工作面离层区。分别统计不同推进速度下采空区离层区长度，及工作面超前段离层区的长度。不同推进速度下上覆岩层离层区分布情况统计结果见表3。

4.2.1 采空区上覆岩层离层特征

由表3 可以看出，在推进速度为快速时，随着工作面的推进，采空区离层区范围逐步扩大，在推进距离为70 m 时，采空区离层区长度出现1 次跳跃式扩张，范围由50 m 扩大至54 m，之后随着工作面的推进，采空区离层区范围持续扩大，直到工作面推进至120 m 时，采空区上覆岩层离层区范围才有缩小的趋势。由此可以推断，初采期工作面快速推进时，采空区后方岩层的压实速度不如推进速度快，采空区上覆岩层离层区扩张较快。

工作面中速推进时，采空区离层区在推进距离为70 m 时，范围最大，为45 m，之后受周期来压影响，采空区离层区范围在36~42 m 范围内波动。工作面慢速推进时，采空区离层区在推进距离为50 m时，范围最大，其值为38 m。之后受周期来压影响，采空区离层区范围在30~38 m 范围内波动。采空区离层区的范围与顶板来压密切相关，每次顶板来压会给3#+4#煤与2#煤之间的岩层离层带来波动性变化，初次来压时采空区离层区范围最大，周期来压时的采空区离层区范围次之。推进速度越快，采空区上覆岩层离层区域扩张越快，扩张范围越大，而离层区域稳定的速度越慢。

图3 近距离煤层沉降曲线

表3 不同推进速度下上覆岩层离层区分布情况

4.2.2 工作面超前区域上覆岩层离层特征

随着工作面的推进，工作面煤壁受集中应力作用，煤壁发生变形破坏，同时受采空区顶板弯曲下沉的影响，工作面超前区域上覆岩层弯曲下沉出现离层。由表3 可以看出，超前工作面离层区的变化可分为3 个阶段：第1 阶段：工作面推进距离由0 m到30 m，回采初期，工作面煤壁受力较小，煤体破坏不严重，顶板沉降量小，离层值也小，工作面超前区域离层区分布不稳定；第2 阶段：随着工作面进一步推进，采空区暴露的顶板面积增大，工作面煤壁所受压力增大，破坏范围逐渐扩大，顶板沉降量增大，工作面超前区域离层区进一步扩大，在初次来压之前，超前区域离层区范围较大，快速推进条件下，超前工作面离层区分布范围为超前工作面20~32 m，中速推进条件下，超前工作面离层区分布范围为超前工作面26~38 m，慢速推进条件下，超前工作面离层区分布范围为超前工作面32 m；第3 阶段：初次来压之后，工作面煤壁压力减小，其顶板沉降速度变慢，上覆岩层进一步沉降，顶板离层值减小，超前工作面离层区范围变小；之后，随着工作面进一步推进，工作面煤壁压力增大，煤体受到压缩破坏，顶板继续沉降，上覆岩层离层值开始变大，超前工作面离层区范围扩大，直至周期来压前，周期来压后，顶板断裂，工作面煤壁压力减小，煤体破坏变缓，顶板沉降速度变慢，上覆岩层进一步沉降，顶板离层变小，超前工作面离层区范围变小。如此往复，周期来压前超前工作离层区随着推进距离的增大而增大，周期来压后超前工作面离层区变小。快速推进时，超前工作面离层区范围为超前工作面6~12 m；中速推进时，超前工作面离层区范围为超前工作面16~22 m；慢速推进时，超前工作面离层区范围为超前工作面16~36 m。通过对比可以得出，初次来压前超前工作面离层区分布范围最大，周期来压前超前工作面离层区分布范围次之。超前工作面离层区的分布范围受推进速度影响，主要表现为2 方面：一方面，推进速度越快，初次来压步距及周期来压步距越大，工作面煤壁应力集中越大，变形破坏越严重，有利于超前工作面离层区的扩张；另一方面，推进速度越快，留给上覆岩层沉降的时间越短，不利于超前工作面离层区的扩张。因此，在不同的推进速度下，中速推进时超前工作面的离层区范围最大，快速推进时超前工作面的离层区范围最小。

4.3 近距离煤层应力场分析

2#煤层应力监测点位置-垂直应力曲线如图4~图6。

图4 快速推进时2#煤层垂直应力曲线图

由于模型岩层设置有节理，未受采动影响区域的应力呈跳跃式波动，垂直应力分布在10~15 MPa。以波动高点的垂直应力为参照点，来分析2#煤层的应力分布特征，大于参照点应力的区域为应力集中区域，小于参照点应力的区域为卸压区。通过分析，近距离煤层的应力特征分为2 个阶段，分别为顶板初次跨落前和初次跨落后。初期跨落前，采空区上方邻近层应力区主要为卸压区。在靠近左侧煤柱16 m 位置附近，有拉应力区，范围最大时约为10 m。随着工作面的推进，卸压区逐渐增大，回采速度越快，卸压区范围越大；初次跨落后，采空区上方邻近层应力区主要由拉应力区、压实区、卸压区组成。拉应力区分别分布在左侧煤柱的附近，以及回采工作面附近。左侧煤柱附近拉应力区出现在距左侧煤柱16 m 位置附近，范围约为10 m。回采工作面附近拉应力区出现在回采工作面后方，其随工作面推进而前移。压实区随着工作面推进范围逐渐扩大。卸压区位于回采工作面后方7 m 左右，顶板周期跨落前，卸压区达到最大，推进速度越快，卸压区范围越大。快速推进时，卸压区范围约为55 m，中速推进时，卸压区范围约为45 m，慢速推进时，卸压区范围约为40 m。

图5 中速推进时2#煤层垂直应力曲线图

图6 慢速推进时2#煤层垂直应力曲线图

5 结 论

1）工作面的推进速度越快，初次来压步距越大。模型工作面慢速推进时，其顶板运动规律与沙曲矿实际情况相似。

2）采空区近距离煤层离层区的分布与工作面推进速度有关，推进速度越快，采空区离层区域扩张越快，扩张范围越大，而离层区域稳定的速度越慢。

3）超前工作面上方近距离煤层离层区受推进速度影响，推进速度越快，来压步距越大，工作面煤壁应力集中越大，有利于超前工作面离层区的扩张；同时，推进速度越快，留给上覆岩层沉降的时间越短，不利于超前工作面离层区的扩张。在不同的推进速度下，中速推进时超前工作面的离层区范围最大，快速推进时超前工作面的离层区范围最小。

4）邻近煤层应力分为2 个阶段：顶板初次垮落前和顶板初次垮落后。顶板初次垮落前，采空区上方邻近层应力主要为卸压区，工作面推进速度越快，卸压区范围越大；顶板初次垮落后，采空区上方邻近层应力区主要由拉应力区、压实区、卸压区组成。拉应力区分别分布在左侧煤柱的附近，以及回采工作面附近。左侧煤柱附近的拉应力区受推进速度影响小，回采工作面附近的拉应力区受推进速度影响较大，推进速度越快，回采工作面附近的拉应力区出现位置离回采位置越远，范围越小。压实区随着工作面推进逐渐扩大，推进速度越快，压应力越大。卸压区位于回采工作面后方7 m 左右，顶板周期跨落前，卸压区达到最大，推进速度越快，卸压区范围越大。