重复采动下近距离煤层群下行开采工作面矿压显现规律研究

昝明惠，黄 鹏，宋高峰

（北方工业大学 土木工程学院，北京 100144）

近距离煤层是指开采井田时两煤层之间的距离较近，因此在开采过程中会互相影响的煤层[1]。近距离煤层开采时多使用下行开采，先采标高高的煤层，再采标高低的煤层，由上往下逐层开采，称为下行式开采[2]。若煤层群开采的煤层间距较大，上煤层的开采对下煤层影响不大，但当煤层间距很小时，下煤层的开采受上煤层开采的影响较大，且下煤层的上部又有上煤层开采后垮落的矸石，会导致下煤层开采区域的顶板结构及应力环境等产生变化，从而使得下煤层开采会发生很多新的矿压现象[3-5]。近年来，关于近距离煤层群重复采动下的巷道布置、覆岩移动等有了较丰富的研究成果。任海峰等[6]运用结构力学方法计算了下行开采下煤层巷道顶板的弯矩、剪力等力学性能，得出了采用拱形支护体系时，巷道围岩应力状况将会得到明显改善；常利军[7]通过高水充填沿空留巷技术，获得了下行开采条件下高水充填沿空留巷顶底板和两帮相对移近量分别为86 mm 和112 mm；祝凌甫[8]运用UDEC 软件计算了下部煤层回采时采场覆岩的运移规律；樊永山等[9]采用相似材料模拟试验对近距离煤层群下行开采过程进行了模拟，得到了下煤层初次和周期来压步距、覆岩位移特征；徐青云等[10]通过建立近距离煤层顶板破坏力学计算模型，推导出了底板岩层应力分量，并计算了上部煤层开采后的底板应力状况；吴俊达等[11]运用相似材料模拟试验对下行开采过程进行了模拟，发现了下煤层开采会造成上层煤采空区上方的岩层二次失稳垮落；任仲久[12]通过理论分析、数值模拟和现场应用等方法，分析了近距离煤层下行开采残留煤柱的底板破坏范围；赵灿等[13]采用室内试验、数值模拟和现场试验等方法对下行开采底板应力分布特征进行了分析；杨滨滨[14]采用相似材料模拟试验对重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行了研究，研究结果表明重复采动下覆岩裂隙的产生与扩张作用更明显。

学者们对下行开采进行了全面深入的研究，但是多数研究主要是针对近距离煤层的巷道布置、覆岩破断等。本文拟采用PHASE 2D 有限元软件开展近距离煤层下行开采工作面煤体破坏特征和矿压显现规律研究，分析近距离煤层下行开采工作面煤壁破坏特征、围岩应力分布规律和覆岩移动演化特征等，进一步丰富煤层群下行开采矿压显现规律的数值模拟研究。

1 概 况

本文以杨家寨煤矿为工程背景，研究了近距离煤层群下行开采重复采动影响下工作面煤壁破坏特征、围岩应力分布规律、覆岩移动演化特征。该矿主要开采两个煤层，两层煤的间距为15 ～30 m，平均间距为20 m，普氏硬度系数3.5，煤层平均埋深为270 m。

上煤层：该煤层全区可采，属稳定性煤层，煤层厚度为1.5 ～4 m，平均厚度为3 m；顶板主要为粉砂岩、细砂岩，还有部分泥岩；底板主要是泥岩组成。

下煤层：距上煤层20 m 左右，煤层厚3 ～5.5 m，平均厚度为4 m；下煤层顶板主要由粉砂岩组成，局部为泥岩；底板为泥岩及部分粗砂岩组成。

2 模型建立

本文采用PHASE2D 有限元软件建立数值计算模型，模型的平面形状为长方形，水平长400 m，垂直高100 m，如图1 所示。模型包含156 045 个单元，78 583 个节点。模型上煤层的开采深度为240 m，煤层厚度为3 m，下煤层开采深度为265 m，煤层厚度为4 m。上、下煤层的层间距为20 m。模型左右两侧各预留100 m 宽的煤层边界，以消除边界效应的影响，因此模型水平方向上的开采区间为100 ～300 m，推进距离为200 m。由于模型中煤层上方约有270 m 厚的岩层，故在模型顶部施加了5.5 MPa 的补偿应力，以模拟模型上方200 m厚岩层的重量。模型左右两边界施加水平方向链杆约束，以限制模型在水平方向的移动；模型下边界施加垂直向上的约束，以防止底部发生向下的垂直位移。

图1 PHASE2D 数值模型Fig.1 Numerical model of PHASE2D

本文根据霍克-布朗强度准则对各岩层岩石材料物理力学参数进行取值，各岩层煤岩体的物理力学参数见表1。模型的岩层分布从上到下依次为粉砂岩、细砂岩、泥岩、煤上、泥岩、粉砂岩、泥岩、煤下、泥岩、粗砂岩、石灰岩。

表1 各岩层的煤岩体参数Table1 Parameters of coal and rock mass stratum

3 数值模型计算结果分析

3.1 工作面煤壁及围岩变形

工作面推进200 m 后，上、下煤层煤壁及围岩变形如图2 所示。可以看出，上、下煤层随着工作面的推进，前方煤体发生了不同程度的破坏。工作面煤壁在压力作用下向外鼓出，外鼓特征为中间大、两端小。这是由于工作面顶板下沉及底板底鼓同时挤压工作面煤层，导致煤壁向工作面方向鼓出，易诱发端面冒顶和煤壁片帮等安全事故。

图2 工作面煤壁及覆岩变形云图Fig.2 Deformation cloud diagram of coal wall and overburden rock in working face

工作面不同推进距离下煤壁最大塑性区宽度变化规律如图3 所示。随着工作面的推进，工作面前方煤体塑性区的宽度不断增大；当工作面推进到一定距离后，工作面前方煤体塑性区宽度增大不再明显，趋于稳定。另一方面，在相同推进距离下，下煤层的最大塑性区宽度始终大于上煤层；工作面推进200 m 时，上煤层塑性区宽度最大约为2.43 m，下煤层塑性区宽度最大约为3.18 m。

图3 不同阶段煤壁最大塑性区宽度变化规律Fig.3 The variation law of the maximum plasticzone width of coal wall in different stages

3.2 支承压力分布规律

模型推进200 m 后，工作面前方支承压力分布规律如图4 所示。上、下煤层支承压力增高系数均呈现出先急剧增大后逐渐减小并趋于稳定的规律，其中上煤层在距离工作面前方50 m 时，支承压力逐渐恢复至原岩应力水平状态，而下煤层在工作面前方80 m 左右才逐渐恢复到原岩应力水平。因此，在支承压力峰值以后，上煤层的支承压力减小速度快于下煤层。另一方面，上煤层的最大应力集中系数为1.60，而下煤层的最大应力集中系数为1.52。

图4 工作面前方支承压力分布规律Fig.4 Distribution law of abutment pressure in front of working face

图5 工作面各阶段支承压力峰值增高系数Fig.5 The peak increase coefficient of abutment pressure in each stage of working face

3.3 覆岩垂直位移演化规律

当上、下煤层工作面分别推进50、100、150、200 m 时，模型上方岩层垂直位移变化规律如图6所示。上、下煤层的垂直位移整体变化趋势大致相同，垂直位移曲线呈现中部大、两端小的特征，但在相同推进距离下，下煤层的垂直位移显著大于上煤层。随着工作面的推进，覆岩最大位移不断增大，当上煤层工作面推进50、100、150、200 m时，覆岩最大位移分别为19、30、34、36 mm；当下煤层工作面分别推进50、100、150、200 m 时，覆岩最大位移分别为45、61、70、73 mm。经过两层煤的开采扰动，导致覆岩垂直位移进一步增大。

图6 覆岩垂直位移规律Fig.6 Vertical displacement law of overburden rock

另一方面，随着工作面不断推进，覆岩最大位移的增长趋势逐渐减缓，最大位移的位置也随开采阶段而向前移动。当上、下煤层工作面各推进200 m 后，上煤层工作面覆岩最大下沉值不再增加，地表移动盆地将出现平底“盆状”，工作面达到了充分采动状态，而下煤层工作面覆岩下沉盆地呈现尖底“碗状”，工作面仍处于非充分采动阶段。

4 结 论

（1） 工作面煤壁破坏特征呈中部大、两端小，煤壁向支架方向外鼓；随着工作面的推进，煤壁塑性区宽度逐渐增大并趋于稳定；下层煤的最大塑性区宽度始终小于上层煤，当上、下煤层推进200 m后，最大塑性区宽度分别为2.43 m 和3.18 m。

（2） 工作面支承压力增高系数峰值随工作面的推进不断增大，并趋于稳定。其中，上煤层的支承压力增高系数大于下煤层，但上煤层的支承压力影响范围较小。当上、下煤层工作面各推进200 m后，上煤层支承压力增高系数为1.60 左右，下煤层支承压力增高系数为1.52 左右。

（3） 上、下煤层工作面各推进50、100、150、200 m 时，覆岩最大位移分别为19、30、34、36 mm 和45、61、70、73 mm。当上、下煤层工作面推进200 m 后，上煤层工作面达到了充分采动，而下煤层工作面仍处于非充分采动阶段。