煤厚变化区采动应力演化及其冲击影响研究

尚秀全，杨浩宇，艾 国，张永贵，朱广安

(1.神木职业技术学院，陕西 神木 719300； 2.北方魏家峁煤电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000； 3.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

随着煤矿进入深部开采，冲击地压灾害的频度和强度显著增加，难以有效预测与防治。根据统计分析，冲击危险程度与煤层厚度及其变化密切相关[1]。大量的现场观测和地应力测量发现，在煤厚变化区域，地应力场发生异常现象，应力集中程度高，易于诱发强矿震和冲击地压显现[2]。近年来，国内外学者通过数值模拟和微震监测等方法，对煤厚变化区域矿震活动、应力和弹性能等分布规律进行了研究[3-6]。本文以山东某矿深部工作面为例，针对切眼贯通过程中矿震呈“条带”分布特征进行分析，结合现场实际揭露的煤层变薄带，探索煤厚变化对初始应力和采动应力的影响，为类似条件下的强矿震、冲击地压事故提供借鉴。

1 工作面概况

3112工作面平面布置如图1所示，在四周断层(F2、FX2、F3111-1和F3)的切割作用下，3112工作面区域成为单独的一个块体，西侧为3113采空区(工作面宽度70 m)，东侧为3109采空区、3110采空区和3111采空区形成的大采空区(工作面宽度依此为70 m、110 m和70 m)。 3112工作面埋深约900 m，煤层平均倾角10°；煤层厚度2.8～9.0 m，平均6.73 m；走向长度平均541.8 m，倾向长度52.9～112.9 m。工作面地质条件复杂、埋深较大、冲击危险性高。

2 冲击地压概况及原因分析

3112孤岛工作面在整个掘进和初步回采过程中累计发生3次冲击地压事故[7-8]，首先是2011年11月17日3112材料道掘进发生一起冲击地压事故，如图1中45°填充斜线区域所示。为降低冲击危险，提高孤岛煤柱的承载能力，对工作面进行缩面设计，开切眼位置转移到原设计切眼后方3112工作面材料道拐弯处。切眼掘进贯通期间和工作面初步回采期间，各发生了一起冲击地压事故，事故造成的冲击破坏区域为图1中135°填充斜线区域和90°填充斜线区域，两次事故均造成大面积巷道和工作面破坏，但均无人员伤亡。

通过对现场微震统计结果进行分析，可以发现一些异常现象，图2为2014年10月1～17日皮带巷修复期间SOS微震监测系统记录的矿震分布情况。由图2可知，矿震主要分布于两个区域：①皮带巷修复区域附近，主要以小能量震动为主；②切眼靠近皮带巷附近矿震丛集，呈斜长条带分布，104J以上强矿震频发。由此可见，不受巷道掘进影响范围的切眼附近(距离修复区域350 m)矿震显现频发，且呈规律性分布，预测在此矿震带附近存在应力异常区域。后期，切眼迎头施工(材料道向皮带巷贯通)过程中揭露一处煤层变薄区，如图3所示。煤层厚度变化区应力集中，高应力的释放诱发了后两次冲击显现。

图1 3112孤岛工作面平面和历次冲击显现区域分布图Fig.1 Roadway layout and burst source distribution in the mined panel

图2 3112皮带巷修复期间震源分布图Fig.2 Distribution map of seismic sources during restoration of 3112 belt roadway

图3 煤层变薄带Fig.3 Coal bed thinning zone

3 数值模拟

3.1 数值模型和模拟方案

采用FALC3D软件模拟煤层厚度变化时的应力分布情况。 模型尺寸为200 m×150 m×130 m，如图4所示。 模型顶部边界施加垂直载荷12 MPa，根据现场地应力测试结果，侧压系数为1.5，施加15 MPa的水平应力，数值模拟采用摩尔-库伦模型，模拟采用的煤岩体力学参数见表1。共建立了4个模型，分别模拟煤层厚度由5 m依次变化为4 m、3 m、2 m和1 m时，煤厚变化区原岩应力和采动应力(垂直应力和水平应力)变化规律。

图4 数值计算模型Fig.4 Sketch of numerical modelling

表1 模拟采用的煤岩体力学参数Table 1 Properties and parameters of the model

3.2 原岩应力分布规律

3.2.1 垂直应力

提取煤层中心线测线所得的垂直应力，见图5，煤层中心线上垂直应力平均值为14.5 MPa，煤层厚度变化对其原岩应力集中程度的影响见表2。由图5和表2可知，所有模型均显示一个特点，即煤层厚度变化区域出现应力集中现象，且煤层厚度变化越剧烈，原岩应力集中程度越高。 当煤层厚度由5 m变为4 m时，煤层初始应力上升至15.93 MPa；当煤层厚度由5 m变为3 m时，煤层初始应力上升至18.46 MPa；当煤层厚度由5 m变为2 m时，煤层初始应力上升至21.67 MPa；当煤层厚度由5 m变为1 m时，煤层初始应力上升至25.55 MPa。

图5 煤厚变化区初始垂直应力分布曲线Fig.5 Vertical stress curves with varying thicknesses in thickness of the coal seam area

表2 煤厚变化区峰值应力及应力集中系数Table 2 Comparison between values of peak stress and stress concentration factor for different modelling

3.2.2 水平应力

以模型1为例，图6所示为煤层厚度变化时初始水平应力变化情况。由图6可知，煤层和底板之间的水平应力下降程度较低，相反地，煤层和顶板之间的水平应力增加较快。

为进一步研究水平应力的变化规律，提取煤层、底板和顶板之间的监测数据(图7)。由图7可知，随着煤层厚度变薄，煤层和顶板之间的水平应力差由3.11 MPa上升至6.74 MPa，煤层和底板之间的水平应力差由1.98 MPa下降至0.15 MPa。分析可知，煤层厚度的变化导致初始水平应力分量的急剧增加，这为煤层开采推进至煤厚变化区冲击地压的发生提供了条件。

图6 煤厚变化区初始垂直应力分布曲线Fig.6 Horizontal stress curves within the thickness variation of the coal seam

图7 煤厚变化区水平应力演化(模型1)Fig.7 Differential horizontal stress within the thickness variation of the coal seam (model 1)(注：Δσ1为煤层和顶板之间水平应力差，Δσ2为煤层和底板之间水平应力差)

3.3 采动应力分布规律

工作面采动推进至煤厚变化区垂直应力和水平应力差变化曲线如图8和图9所示。 由图8和图9可知，随着工作面的进一步推进，受采动影响，煤层厚度变化区采动垂直应力和水平应力差进一步增大。

4 结 论

1) 煤层厚度变化区应力集中程度高，易于诱发强矿震和冲击地压。

2) 在煤层厚度变化区，煤层厚度变化越剧烈，其原岩应力值和应力集中系数增大的程度越大，垂直应力是相同条件下初始应力值的2倍左右。

图8 采动推进至煤厚变化区垂直应力变化曲线Fig.8 The vertical stress curve when mining advances to coal thickness change area

图9 采动推进至煤厚变化区水平应力差变化曲线Fig.9 The horizontal stress difference curve when mining advances to coal thickness change area

3) 随着煤层厚度变薄，煤层和顶板之间的水平应力差随之增大，而煤层和底板之间的水平应力差随之减小。