大倾角煤层长壁开采围岩应力传递路径时空演化特征

2022-08-18罗生虎伍永平田程阳赵华涛

煤炭学报 2022年7期

罗生虎，王同，伍永平，田程阳，郎丁，赵华涛

(1.西安科技大学理学院，陕西西安 710054；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部实验室，陕西西安 710054；3.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；4.山东矿机集团股份有限公司，山东潍坊 261000)

国家“十四五”能源规划以推动高质量发展为主题，能源保障是高质量发展的基础。而缺油少气的资源禀赋特点，决定了煤炭在未来比较长的时间内仍将是中国的战略性主体能源。中国西部煤炭产量约占全国2/3，这其中，赋存保护性稀缺煤种、煤炭质量较优、广泛分布且对区域经济起支撑作用的大倾角煤层的安全高效开采仍是亟待解决的重大工程问题。

大倾角煤层开采中，受煤层倾角影响，采动应力在顶板岩层内和岩层间的传递方式及传递路径的空间展布形态等较(近)水平煤层开采时复杂，顶板岩层除了在垂直岩层层面方向运动(与水平煤层开采相似)外，在平行岩层层面方向也产生运动，导致顶板的变形破坏过程中呈现出“时序性”与“非对称性”。已有的研究工作基本确定了大倾角煤层长壁综采顶板的非对称变形破坏运动一般规律，一定程度上掌握了顶板失稳诱发的煤壁片帮、支架下滑倾倒和底板滑移等工作面围岩灾害形成机制，并针对性地提出了防控措施，大幅改善了大倾角煤层开采安全性差的状况。在非对称多维交互加-卸载作用下，大倾角煤层在顶板岩层内形成了非规则的破坏包络面，而非规则破坏包络面的产生和非对称岩体结构的形成是因为顶板岩层中存在非对称展布的应力包络拱壳。应力包络拱壳是真实存在却无法直接观察得到的，应力包络拱壳是岩体为抵抗不均匀变形而进行自我调节的一种现象，是围岩内应力发生集中、传递路线发生的偏转而形成的，确定围岩采动应力的传递路径对理解和揭示围岩变形破坏、支承压力演化内在力学机理等均具有重要意义。

笔者以某矿25221工作面为工程背景，在采用相似模拟实验对大倾角煤层围岩结构演化规律研究的基础上，采用数值模拟、理论分析相结合的研究手段，分析了工作面推进过程中围岩应力包络拱壳的演化过程，量化了煤层采动应力传递路径，对丰富大倾角煤层岩层控制理论、实现该类煤层安全高效开采等具有重要的理论指导意义。

1 工程背景

新疆某矿 25221 工作面位于二采区 5号煤层，该工作面位于 15号沟以西，16线以东 153 m，地表为高山沟壑，呈东西狭长分布，西高东低，25221 工作面开采标高为+2 047～+2 120 m，工作面设计走向长2 098 m，工作面倾向长100 m，采高4.5 m。工作面煤煤层倾角36°～46°，平均45°，煤密度1.35 t/m，煤层赋存稳定。工作面直接顶厚度2.32 m，其上为厚度16.59 m的基本顶，岩石单向抗压强度为79.9～100.2 MPa。工作面直接底为粗砂岩，厚度为17.06 m。煤层综合柱状如图 1所示。

图1 煤层综合柱状Fig.1 Geological column of coal seam

2 大倾角煤层围岩结构演化特征

相似模拟实验是以相似理论为基础的模型实验技术，是利用事物或现象间存在的相似特征来研究自然规律的一种方法。为了解掌握煤层开采过程中围岩结构的演化规律，选用西安科技大学自主设计研制的1 500 mm×600 mm×1 500 mm的平立组合式模型架。该模型是一种“假”三维实验，可沿水平、垂直2个方向施加载荷约束；可在一定程度上反映围岩的三维变形破坏运移特征。

依据煤层柱状图，将现场工程研究对象按照几何相似比1∶20缩制成实验模型。依据现场取心测得的煤岩体物理力学参数，相似材料用0.106～0.212 mm(70～140目)石英砂、粉煤灰、石膏、碳酸钙(大白)按配比混合，加水搅拌均匀后装入模型架，并用重物将材料夯实到所需密度，分层材料用0.85～2.36 mm(8～20目)的云母粉。根据相似定律，求得模型应力及强度相似常数为32，时间相似常数为20，容重相似常数1.6，载荷相似常数12 800。该实验主要的测试手段采用专门制作的支架，该支架支柱、顶梁、掩护梁、底座分别安装高精度传感器对支柱和侧向载荷进行监测，数据收集采用108路压力计算机数据采集系统。实验使用模型及设备如图2所示。

由模型实验结果可以看出：

图2 实验模型及设备Fig.2 Experimental model and equipment

(1) 当工作面处于初采阶段，直接顶随着工作面向前推进而垮落，顶板垮落矸石沿着底板向下滚滑，在支架后方形成矩形+三角形的充填形态，如图3(a)，(b)所示。直接顶垮落后，在倾向中上部的基本顶范围内，产生了离层裂隙，裂隙产生的岩层内部不具备承载能力。因此，形成了一个拱顶在工作面倾向中上部，上拱脚在回风巷侧，下拱脚在运输巷侧的承载拱。

图3 围岩结构演化特征Fig.3 Evolution characteristics of rock structure

(2) 当工作面继续向前推进，基本顶产生破断，在破坏包络线内部，受矸石非均匀充填效应的影响，顶板破断岩块的运移-堆砌-铰接特征复杂，错层、跨层堆砌现象明显。沿工作面倾向自下而上，块体结构形成层位逐渐增高，而其稳定性和对上覆未破坏岩层的支撑效应逐渐减弱，尤其是在工作面倾向中上部区域，块体结构与上覆未破坏岩层间易形成空洞。在破坏包络线外部，受破坏包络面内顶板的破坏运移卸荷效应影响破坏包络面外顶板岩层的应力传递路径发生改变，形成了非对称拱壳岩体结构，同时，受矸石非均匀充填和破坏包络面内块体结构的非均衡支撑效应影响，沿工作面倾向自下而上，破坏包络面外顶板拱壳结构形成层位亦逐渐增高，稳定性亦逐渐减弱。顶板承载拱拱顶向高层位演化，两侧拱脚向回风巷、运输巷两侧进一步偏移，如图3(c)所示。

(3) 当工作面推进距离较大，顶板垮落高度趋于稳定，如图3(d)所示。顶板承载拱高度趋于稳定，拱顶位置位于工作面倾向中上部，拱脚位于工作面回风、运输巷道两侧。

结合上述实验结果，可以看出，随着工作面的推进，在工作面倾向形成的承载拱结构的演化趋势是增大—稳定的，且在倾向上、下端头位置处，承载拱的拱脚位置随着推进距离的增大而向深处煤柱内偏移后趋于稳定。但是大倾角煤层围岩变形破坏的本质是开采扰动下围岩应力的二次分布所造成的。因此发现并揭示开采过程中大倾角煤层应力传递路径的演化过程与特征尤其重要。

3 大倾角煤层应力拱壳演化特征

为探究大倾角煤层采动过程中围岩应力拱壳与应力传递路径的演化过程，采用FLAC 3D有限差分数值模拟软件建立如图4所示的数值模型。

图4 大倾角煤层长壁开采数值模型Fig.4 Numerical model of longwall mining in steeply dipping coal seam

采用四边形网格，模型宽270 m(方向)、长1 000 m(方向)、高325 m(方向)，工作面长度100 m。以实际工程地质为参考依据，在模型底部施加垂直位移约束，在模型前、后、左、右面施加水平位移约束。煤层倾角45°，模型顶部施加2 MPa垂直载荷，模拟地层深度80 m。采用Mohr-Coulomb本构模型、大应变变形模式。模型生成的单元数2 947 500和节点数3 050 481。开采过程中，利用Fish语言对结果文件进行二次开发，在模型内部布置测点、测线、测面、测体，提取围岩支承压力、空间主应力包络面、三向应力状态、第一主应力传递路径等数据对围岩宏观应力拱壳、应力传递路径进行系统研究。

结合矿区地质赋存条件与煤岩体物理力学参数，数值计算采用的煤岩力学参数见表1。

3.1 支承压力演化规律

通常意义上，支承压力是指煤层采出后，在围岩应力重新分布的范围内，垂直作用在煤层、岩层和矸石上的压力。由于煤层倾角的影响，大倾角煤层与水平煤层的支承压力分布呈现较大差异。在(近)水平煤层中，竖直应力即是支承压力，但在大倾角煤层中，煤层赋存倾角与水平方向之间具有一定夹角，竖直应力或者竖直应力沿垂直于煤层方向上的分力与支承压力之间的数据表征具有较大差异。因此，需对计算所得应力数据进行后处理。

表1 煤岩力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

由弹性力学理论可知，物体内任意一点的应力状态中，采用正应力表征垂直于斜面上力的大小，表征斜面上切应力的大小。假设工作面推进方向沿轴方向，煤层倾角在平面内变化，则切应力又可分解成沿煤层走向的n与沿煤层倾向的n，且正应力可表征为

(1)

式中,，，为斜面上全应力在坐标轴方向的分量，可表示为

(2)

式中,，，分别为斜面的外法线分量与，，轴之间的方向余弦;，，，，，，，，为单元体9个应力分量。

根据式(1),(2)可得，在初始应力状态下，大倾角煤层的切向应力、垂向应力与近水平煤层的应力状态存在显著差异，这种差异主要来源于煤层倾角影响下水平应力与垂直应力的比值。

图5为围岩支承压力与其峰值的渐变演化过程，图中横坐标表示推进距离与工作面长度之间比值。由图5可以看出：

(1) 当推进距离在50～300 m过程中，支承压力峰值由4.72 MPa增至5.5 MPa，峰值位置距离煤壁前方6 m，应力集中系数由1.21增加至1.41，增幅16.52%，此区域内称为支承压力峰值增长区。自300 m向后，支承压力峰值、峰值位置、应力集中系数基本保持不变，此区域称为支承压力峰值稳定区。

(2) 工作面推进距离小于倾向长度1/3，采场空间可看作是宽度为推进距离、长度为倾向距离的“倾向巷道”。工作面推进距离大于工作面长度的1/3，且小于工作面长度3倍时，覆岩宏观支撑结构的巷道特征完全消失。该阶段内，周期性破断顶板的长度呈现出增大—破断—长度再增大—再破断的特征。此时采空区上方的悬露顶板是一个四周固支、长边初始为工作面倾向长度，后为工作面推进距离的双向板结构，因此该阶段内，围岩支承压力峰值不断增大。当工作面推进长度大于倾向长度3倍，采场空间可看作是宽度为倾向距离、长度为推进距离的“走向巷道”。围岩的稳定性主要是由沿倾向结构控制。在该回采阶段内，顶板垮落高度不会向上进一步蔓延。顶板的周期性破断长度与高度保持不变，工作面周期来压强度保持稳定。

图5 支承压力及其峰值渐变演化特征Fig.5 Evolution characteristics of abutment pressure and peak

3.2 采动应力拱壳形态演化特征

煤层采出后，应力包络拱壳是岩体为抵抗不均匀变形而进行自我调节的一种现象，是围岩内应力发生集中、传递路线发生的偏转而形成的一种拱形应力分布区。

图6为推进过程中围岩主应力包络拱壳的演化过程。大倾角煤层开采后形成的顶板主应力包络拱壳在形态上是典型的非对称特征，壳顶在工作面倾向中上部。且随着工作面不断向前推进，应力包络拱壳高度呈现先增加后保持稳定的演化趋势，壳顶位置向倾向中上部迁移至一定位置(约工作面长度2/3)后趋于稳定。

图6 推进过程中围岩主应力包络拱壳演化Fig.6 Evolution characteristics of principal stress enveloped arch

当工作面推进距离为50 m时，顶板主应力包络拱壳高度不断向上发育，壳顶曲率较大，包络拱壳的壳基分别位于工作面煤壁前方2 m、后方煤壁1 m，壳顶位于采空区中部，距离煤层上方81 m，包络拱壳内部的载荷向走向前后方拱脚处传递，在前后拱脚位置处压力升高，这也是走向方向上支承压力形成的主要原因。当工作面推进距离为100 m时，顶板应力包络拱壳较50 m时拱高度进一步向上演化至距离煤层上方105 m，包络拱拱脚分别位于工作面煤壁前方3 m、后方煤壁4 m，包络拱壳内部的载荷进一步向走向前后方拱脚处传递，致使拱脚处压力进一步增大，这也是推进过程中围岩支承压力不断增大的原因。当工作面推进至300 m及以后，包络拱壳高度增至距离煤层上方118 m，拱脚位于工作面煤壁前方6 m、后方煤壁7 m，此时包络拱壳高度趋于稳定，包络拱壳为“梁+拱”形态，扁平拱顶部的“梁”结构承载的压力向倾向转移。距离前、后拱脚64 m范围内部的压力拱内部的载荷向走向转移，这是走向支承压力周期性稳定演化的主要原因。

大倾角煤层中主应力包络拱壳是内在控制覆岩垮落的宏观结构。主应力包络拱壳内部，岩层离层弯曲现象大量产生致使岩层处在受拉状态，该区域内岩层处于应力释放区域，主应力包络拱壳内部岩层易发生失稳破坏，此为支承压力周期性演化的内在力学机理。而在主应力包络拱壳外部，围岩应力传递路径的演化则是影响岩层变形破坏的核心所在，下文将就此展开详细论述。

4 采场应力传递路径演化特征

4.1 采场三向应力状态演化规律

应力路径又称“最大斜角平面上的应力历史”，“矢量曲线”，是土力学中的常见概念。它是指在外力作用下土中某一点的应力途径和应力历史在应力主平面或应力空间中的轨迹。应力传递路径反映了其受力状态的演化过程，因此，量化应力传递路径对揭示围岩变形破坏、支承压力演化的内在力学机理具有重要意义。

图7为煤壁前方三向应力状态演化特征，图中黑色矢量为第一主应力，红色矢量为第二主应力，蓝色矢量为第三主应力，箭头长度表征应力数值的大小，箭头方向表征应力方向的偏转。图8为第一、第三主应力差值的演化特征。由图7和图8可以看出：

图7 采场三向应力演化特征Fig.7 Three-dimensional stress evolution characteristics of stope

图8 第一、第三主应力差值演化特征Fig.8 Evolution characteristics of the difference between the maximum and minimum principal stresses

(1) 采动过程中，围岩三向应力的状态发生了较大的改变。在数值上，较未受扰动区域大幅度增加；在方向上，较未受扰动区域发生了较大的偏转。沿工作面走向，煤壁前方围岩三向应力状态可分为强扰动、弱扰动、原岩应力3个区域。

(2) 分析采动过程中围岩第一、第三主应力差值演化特征，两者之间最大差值为9.5 MPa，峰值位置位于煤壁前方6 m位置处。自煤壁至前方16 m，该区域内第一、第三主应力差值较原岩应力区域内增幅超过30%，称为强扰动区域；自煤壁前方16～70 m区域内增幅位于30%～5%，称为弱扰动区域；自70 m向后，增幅位于0～5%称为原岩应力区域。

(3) 主应力呈现先增大后减小的趋势，其中第一主应力变化的幅度最大，第三主应力变化幅度其次。在强扰动区域内，在数值上，第一主应力先增大，后减小，第二主应力持续减小，第三主应力稍有增大。第二、第三主应力所在平面随着与煤壁距离的增大与水平面之间的夹角呈现出减小的趋势。在弱扰动区域至原岩应力区域，第一主应力与第二、第三主应力两两垂直。

开采状态下，煤壁前方围岩三向应力状态呈现出各异的演化趋势，下文中就变化幅度最大的第一主应力展开详细分析，第二、第三主应力可采取同样方法进行论述。

4.2 主应力大小渐变演化规律

由弹性力学，任意一点的应力状态特征方程为

(3)

即

-+-=0

(4)

其中，为主应力(=1,2,3)；，，可表示为

(5)

联立式(4)，(5)可以解出的3个实根，即，，，这3个主应力相互垂直。求解应力状态方程可得

(6)

式(6)中可表示为

(7)

将式(7)代入式(6)得主应力后，根据其大小排列，，，对应的每一个主应力的方向余弦分别为

(8)

式中，，，分别为第一主应力与，，轴之间的方向余弦。

(9)

由此可以得出各主应力沿，，轴的分量为

(10)

在模型中部(=134 m，=0～1 000 m，=161 m)布置了1条走向测线，监测煤层上表面走向第一主应力随推进过程的演化特征。图9，10中表征的是主应力在，，轴的分量及其演化过程。

(1)大倾角煤层原岩应力状态下，第一主应力在轴方向分量为0，轴的分量远大于轴分量。随着推进距离的不断增大，第一主应力扰动区域越大，反映在图中为原岩应力区域点数减少，采空区点数增多。观察，平面的投影可以得出第一主应力沿原岩应力点与采空区中点的连线呈对称性分布。开采带来的扰动，使得第一主应力开始向轴偏转，第一主应力在轴方向的分量增加。应力增高区域内，第一主应力沿，，轴分量均增大。应力降低区域内，第一主应力在，轴的分量呈递减趋势，但轴分量却呈现处先增大后减小的趋势，直至到达采空区中心点位置处3个方向的分量均降至0。

图9 第一主应力大小演化特征Fig.9 Evolution characteristics of the magnitude of the first principal stress

图10 第一主应力X，Y，Z轴分量演化特征Fig.10 Evolution characteristics of the X, Y and Z axis components of the first principal stress

(2) 原岩应力状态下，煤层第一主应力在轴分量为5.62 MPa，轴分量为1.02 MPa。当推进距离处于0～300 m内，未扰动区域内煤层第一主应力分布与原岩应力状态相一致。进入应力增高区后，第一主应力轴分量峰值由10.94 MPa增至12.34 MPa，增大幅度12.8%，峰值位置由煤壁前方3 m迁移至煤壁前方6 m；轴分量峰值由3.08 MPa增至3.49 MPa，增大幅度13%；轴分量峰值由3.56 MPa增至3.84 MPa，增大幅度7.8%，峰值位置由煤壁前方2 m前移至3 m位置处。300～500 m内，轴分量由12.34 MPa增至12.39 MPa，增大幅度0.4%；轴分量由3.49 MPa增至3.51 MPa，增大幅度0.5%；轴分量由3.84 MPa增至3.93 MPa，增大幅度2.3%。进入应力降低区后至采空区中点，第一主应力沿、轴分量不断减小，直至减小至0；但轴分量由1.53 MPa先增大至3.56 MPa后减至0(50 m推进状态)，峰值位置位于煤壁前方2 m位置处。自采空区中点—应力降低区域—应力增高区域—原岩应力区域，该范围内第一主应力分布特征与前一半测线分布特征相对称(，轴分量轴对称，轴分量点对称)，即，，轴分量呈现先增大后减小至原岩应力状态。

4.3 主应力方向旋转演化特征

图11，12为第一主应力方向演化特征，由图11，12中可以看出：

(1)采动过程中，第一主应力方向发生较大改变。原岩应力状态下，受煤层赋存倾角的影响，第一主应力方向并不是竖直的，第一主应力与轴之间(水平方向)夹角为100°，与轴之间(垂向)夹角为10°，与轴之间(走向)夹角为0°，表明第一主应力分布在垂直于走向(轴)的平面内，并与竖直方向(轴)稍有偏差。采动后，第一主应力方向与水平方向(轴)之间的夹角沿走向(轴)关于采空区中点呈对称分布，由原岩应力区域至采空区中点区域内呈现先增大后减小的趋势。第一主应力与走向(轴)之间的夹角在采空区中点两侧呈点对称分布，即在采空区中点前侧采空区，第一主应力方向与走向(轴)之间夹角由90°开始呈现先增大后减小的趋势，在后侧采空区，夹角由90°开始呈现先减小后增大的趋势，两者变化趋势绝对值相同。随着推进距离的不断增大，第一主应力与垂向、水平方向、走向之间夹角的最大值呈现出先增大，后趋于稳定的演化趋势。

图11 第一主应力方向演化特征Fig.11 Evolution characteristics of the first principal stress direction

图12 第一主应力X，Y，Z轴角度演化特征Fig.12 X,Y,Z axis angle evolution characteristics of the first principal stress

(2) 当工作面推进距离处于50～300 m内，第一主应力与轴之间夹角由煤壁前方75 m增至115 m处开始增大，其夹角峰值由105°增至107°，峰值位置保持在煤壁前方7 m。由此位置至采空区中心位置处夹角开始减小，其角度由74°先减至71°后不断增大至79°；第一主应力与轴之间夹角在距离煤壁前方18 m增至26 m位置处由90°开始减小，其最小值由57°减至51°，最小值位于采空区侧煤壁12 m增至26 m，至此位置采空区中心位置增至90°；第一主应力与轴之间夹角由距离煤壁前方75 m增至115 m处开始增大，其角度峰值由32°增至39°，其峰值位置位于采空区内部12 m增至26 m，由此位置至采空区中心，角度不断减小，角度最小值由16°降至9°。当推进距离处于300 m及其之后，第一主应力与，，轴之间角度、峰值位置、演化趋势基本保持稳定。

由上述分析可以看出，在大倾角煤层开采中，受煤层倾角影响，开采后形成的顶板应力包络拱壳在形态上呈现出典型的非对称特征，壳顶在工作面倾向中上部，壳基在四周煤体中；且随着工作面推进，应力包络拱壳高度呈现先增加后保持稳定的演化趋势。当工作面推进距离小于3倍工作面长度时，主应力包络面的高度、壳体沿走向和倾向跨度、煤壁支承压力等均不断增大，包络面上部围岩自重应力向壳基处的传递是造成壳体四周围岩主应力大小增大、方向偏转的主要原因。当工作面推进距离大于3倍工作面长度，主应力包络面呈现周期性演化特征，其表现为壳体走向跨度增大，但其倾向跨度和煤壁支承压力保持不变，围岩主应力大小、方向趋于稳定。需要说明的是，不同覆岩的岩层结构及破断特征亦会对围岩应力场的演化特征造成影响，本文仅是在一般情况下，研究了大倾角煤层开采中围岩采动应力随工作面推进的演化特征，未考虑诸如关键层、断层、埋深、开采方式等因素对采动应力的影响，这需要在以后的研究中加以补充。