肖家平，竇禮同，史長勝

（1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源工程系，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著煤礦開采規(guī)模的擴(kuò)大以及開采深度的增加，瓦斯災(zāi)害已成為制約煤炭資源安全高效開采的關(guān)鍵因素，尤其是在開采低透氣性高瓦斯有突出危險(xiǎn)煤層時(shí)，顯得尤為突出[1-3]。因此，如何采取有效措施既能實(shí)現(xiàn)礦井安全高產(chǎn)，又能合理有效地利用瓦斯資源已成為亟待解決的問題，許多學(xué)者已經(jīng)在卸壓瓦斯抽采方面進(jìn)行了大量的研究[4-7]。卸壓開采是利用礦山壓力引起的巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，釋放煤體彈性能，增大煤層透氣性，使煤體內(nèi)瓦斯賦存狀態(tài)被激活，從而達(dá)到預(yù)防煤與瓦斯突出、增大瓦斯抽采率的目的。研究表明[8-12]，在上行卸壓開采過程中，被卸壓層應(yīng)力分布規(guī)律、變形特征與卸壓層開采參數(shù)密切相關(guān)。下部卸壓煤層的厚度以及開采面長是影響上覆巖層破壞狀態(tài)及發(fā)育高度的根本因素。隨著采厚的增加，垮落帶與斷裂帶的高度越大，上部煤、巖層的下沉及各種變形值越大；開采面長在一定程度上決定著煤層采動(dòng)是否為充分采動(dòng)，在充分采動(dòng)條件下被卸壓層卸壓范圍要大于非充分采動(dòng)條件下的卸壓范圍。采厚與面長對(duì)于上行卸壓開采產(chǎn)生的應(yīng)力集中范圍、上覆巖層運(yùn)移規(guī)律、上煤層卸壓范圍等的影響研究較少，因此，以潘二礦A3煤和B4煤開采技術(shù)條件為工程背景，開展開采參數(shù)對(duì)遠(yuǎn)程上向卸壓開采煤巖體應(yīng)力－裂隙演化特征數(shù)值模擬試驗(yàn)研究，探尋采厚與面長對(duì)上行卸壓開采應(yīng)力場、位移場影響特征。

1 遠(yuǎn)程上行卸壓開采模型構(gòu)建

模擬試驗(yàn)以淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二煤礦11223工作面為原型，11223 工作面標(biāo)高為－460.0～－500.0 m。潘二礦A3煤和B4煤均為高瓦斯、突出煤層，開采地質(zhì)和技術(shù)條件復(fù)雜。A3煤平均厚度5.0 m，瓦斯含量11 m3/t，瓦斯壓力 2.6 MPa，B4煤平均厚度 3.5 m，煤瓦斯含量 7.79 m3/t，瓦斯壓力 1.5 MPa。A3煤與 B4煤間距平均80 m，煤系地層傾角平均13°。A3煤頂板至B4煤底板分布有3組厚砂巖。模擬試驗(yàn)巖性物理力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)實(shí)際的煤層埋深以及巖層分布情況建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型。模型在空間上分x、y、z 3個(gè)方向，與實(shí)際的開采情況比較，工作面推進(jìn)方向在模型中為x方向，豎直方向?yàn)閦方向，整個(gè)模型在空間上尺寸x方向600 m，y方向400 m（x和y組成水平面），z方向?yàn)?80 m。模型計(jì)算采用摩爾－庫侖準(zhǔn)則計(jì)算。計(jì)算前按模型所在的地層中的實(shí)際位置在深度方向?qū)δＰ褪┘幼灾剌d荷，并對(duì)三維模型側(cè)面和底面提供位移邊界約束。根據(jù)工作面回采順序，分2步進(jìn)行數(shù)值模擬。第一步：模型初始平衡后，首先開挖3煤11223工作面回采巷道；第二步：開挖3煤11223工作面。

改變模型開采參數(shù)，即不同采厚（1、3、5、7、9 m）與不同面長（160、180、200、220、240 m），分析采厚以及面長對(duì)上行卸壓開采位移場、應(yīng)力場的影響效應(yīng)。

2 采厚對(duì)上行卸壓開采影響分析

2.1 采厚對(duì)上行卸壓開采應(yīng)力場影響分析

3煤工作面開采完畢后，不同采厚情況下沿傾向方向在采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力等值線如圖1。

為便于分析煤體卸壓程度的變化規(guī)律引入卸壓系數(shù) r來反映[13]，即：

式中：σz為煤巖某點(diǎn)采動(dòng)后豎向應(yīng)力，σz0為該點(diǎn)原始應(yīng)力；r＞0 為卸壓、r＜0 為增壓。

不同采厚4煤卸壓系數(shù)變化曲線如圖2。

由圖2可知，在不同采厚條件下，4煤卸壓系數(shù)變化趨勢一致，因煤層有一定傾角，上部與下部受上覆巖層重力影響不一樣，導(dǎo)致卸壓系數(shù)分布形態(tài)為非對(duì)稱狀態(tài)，卸壓系數(shù)最大處在工作面中部。

隨著3煤采厚的增加，在3煤采空區(qū)的4煤卸壓系數(shù)也隨之增加，在采厚為1 m時(shí)，4煤最大卸壓系數(shù)為0.2，當(dāng)采厚增加至9 m時(shí)，4煤最大卸壓系數(shù)為0.9，4煤卸壓系數(shù)與3煤采厚成非線性正比關(guān)系。在3煤兩側(cè)煤柱上方的4煤應(yīng)力集中系數(shù)隨3煤采厚的增加而增加，與3煤采厚成非線性正比關(guān)系。4煤應(yīng)力集中系數(shù)與采厚線性回歸曲線如圖3。

4煤應(yīng)力集中系數(shù)為：

運(yùn)輸巷側(cè)

回風(fēng)巷側(cè)

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)；M為3煤采厚，m。

2.2 采厚對(duì)上行卸壓開采位移場影響分析

為分析采厚對(duì)于卸壓開采位移場的影響，提取被卸壓層4煤的垂直位移數(shù)據(jù)，分析在不同采厚條件下4煤垂直位移的變化情況。不同采厚4煤垂直位移曲線如圖4。

圖1 不同采厚條件下應(yīng)力等值線圖

圖2 不同采厚條件下4煤卸壓系數(shù)曲線

圖3 采厚與4煤最大應(yīng)力集中系數(shù)關(guān)系

圖4 不同采厚條件下4煤垂直位移曲線

由圖4可知，在不同采厚條件下，4煤下沉趨勢一致。因采厚的增加，填充采空區(qū)所需巖石增多，三帶高度增大，故4煤垂直位移也隨采厚增加而增加。在采厚為1 m時(shí)，4最大垂直位移為0.5 m，當(dāng)采厚增加至9 m時(shí)，4煤最大垂直位移為4.5 m，采厚與4煤最大垂直位移成非線性正比關(guān)系。

4煤最大下沉量與采厚線性回歸曲線如圖5。

4煤下沉量為：

式中：Zd為4煤的垂直位移量，m；M為3煤的厚度，m。

提取被卸壓層4煤的水平位移數(shù)據(jù)，分析在不同采厚條件下4煤水平位移的變化情況。不同采厚4煤水平位移曲線如6。

圖5 采厚與4煤最大下沉量關(guān)系

圖6 不同采厚條件下4煤水平位移曲線

由圖6可知，在不同采厚條件下，4煤水平位移變化趨勢一致。隨著3煤采厚的增加，4煤水平位移有所增加，在采厚為1 m時(shí)，4煤在回風(fēng)巷側(cè)與運(yùn)輸巷側(cè)的水平位移分別為0.04 m和0.09 m，當(dāng)采厚增加至9 m時(shí)，4煤在回風(fēng)巷側(cè)與運(yùn)輸巷側(cè)的水平位移分別為0.8 m和1.6 m，4煤水平位移變化與3煤采厚成非線性正比關(guān)系。

3 面長對(duì)上行卸壓開采影響分析

3.1 面長對(duì)上行卸壓開采應(yīng)力場影響分析

3煤工作面開采完畢后，不同開采面長情況下沿傾向方向在采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力等值線如圖7。

為分析面長對(duì)于卸壓開采應(yīng)力場的影響，提取被卸壓層4煤的垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)，分析在不同面長條件下4煤垂直應(yīng)力的變化情況。不同面長4煤垂直應(yīng)力變化曲線如圖8。

由圖8可知，在不同面長條件下，4煤卸壓系數(shù)變化趨勢一致，因煤層有一定傾角，上部與下部受上覆巖層重力影響不一樣，導(dǎo)致卸壓系數(shù)分布形態(tài)為非對(duì)稱狀態(tài)，卸壓系數(shù)最大處在工作面中部。

隨著3煤開采面長的增加，在3煤采空區(qū)的4煤卸壓系數(shù)逐漸減小，卸壓范圍越來越大。卸壓范圍（r＞0）與面長關(guān)系如圖9，卸壓范圍與3煤開采面長成非線性正比關(guān)系。

3.2 面長對(duì)上行卸壓開采位移場影響分析

圖7 不同面長條件下應(yīng)力等值線

圖8 不同面長條件下4煤卸壓系數(shù)曲線

圖9 面長與4煤卸壓范圍關(guān)系

為分析面長對(duì)于卸壓開采位移場的影響，提取被卸壓層4煤的垂直位移數(shù)據(jù)，分析在不開采面長條件下4煤垂直位移的變化情況。不同面長4煤垂直位移曲線如圖10。

圖10 不同面長條件下4煤垂直位移曲線

由圖10可知，在不同面長條件下，4煤下沉趨勢一致，最大下沉點(diǎn)都在工作面中部。面長的增加，使得上覆巖層跨落越充分，故4煤垂直位移也隨面長增加而增加，當(dāng)4煤垂直位移增加到一定程度時(shí)將趨于平緩。在面長為160 m時(shí)，4煤最大垂直位移為1.7 m，在面長為240 m時(shí)，4煤最大垂直位移為4 m，當(dāng)4煤垂直位移增加到一定程度時(shí)將趨于平緩，3煤工作面面長與4煤最大垂直位移成非線性正比關(guān)系。

把4煤最大下沉量與3煤工作面面長進(jìn)行線性回歸（圖11）。

4煤下沉量為：

式中：Zd為4煤垂直位移量，m；L為3煤工作面面長，m。

提取被卸壓層4煤的水平位移數(shù)據(jù)，分析在不同面長條件下4煤水平位移的變化情況。不同面長4煤水平位移曲線如圖12。

圖12 不同面長條件下4煤水平位移曲線

由圖12可知，在不同面長條件下，4煤水平位移變化趨勢一致。隨著3煤工作面面長的增加，4煤水平位移有所增加，在面長為160 m時(shí)，4煤在回風(fēng)巷側(cè)與運(yùn)輸巷側(cè)的水平位移分別為0.4 m和0.8 m，當(dāng)面長增加至240 m時(shí)，4煤在回風(fēng)巷側(cè)與運(yùn)輸巷側(cè)的水平位移分別為0.6 m和1.4 m，4煤水平位移變化與3煤開采面長成非線性正比關(guān)系。

4 結(jié)果

1）下部卸壓煤層的開采厚是影響上覆巖層移動(dòng)破壞及裂隙發(fā)育高度的根本因素。隨著采厚的增大，卸壓層開采后填充采空區(qū)所需巖體增多，因此垮落帶與斷裂帶的發(fā)育高度也隨之增大，被卸壓煤層變形值越大，卸壓范圍隨之增大垮落帶與斷裂帶高度與采厚基本上成正比關(guān)系。

2）開采面長對(duì)于上行卸壓開采卸壓范圍的影響較大，面長在一定程度上決定著煤層采動(dòng)是否為充分采動(dòng)，在充分采動(dòng)條件下上被卸壓層卸壓范圍要大于非充分采動(dòng)條件下的卸壓范圍。