李川田，龐杰文，吳世躍，謝建林

（1．太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024；2．太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原030024）

初采期是采煤工作面從開切眼至正常生產(chǎn)過渡的1 個(gè)特殊時(shí)期，采煤工作面從開切眼開始開采，采空區(qū)逐步形成，上覆巖層應(yīng)力重新分布，采空區(qū)懸頂區(qū)域頂板卸壓下沉，產(chǎn)生彎曲變形，豎向裂隙逐步發(fā)育，為鄰近煤層瓦斯解吸和排放提供條件，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，工作面頂板發(fā)生初次垮落，瞬間為鄰近層瓦斯的釋放提供了大量的裂隙通道，導(dǎo)致工作面瓦斯超限。工作面頂板的垮落使得采煤工作面影響區(qū)在豎向方向形成由垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶組成的“豎三帶”，在橫向方向形成由煤壁支撐影響區(qū)、支架支撐及離層區(qū)和已垮落矸石重新壓實(shí)區(qū)組成的“橫三區(qū)”[1-2]。在初次垮落之后，“豎三帶”和“橫三區(qū)”的裂隙分布情況是支配鄰近煤層瓦斯排放通道的主要因素，而采場覆巖運(yùn)動(dòng)與時(shí)間有密不可分的關(guān)系。初采期工作面的推進(jìn)速度受采煤工作面準(zhǔn)備情況、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行檢修情況影響，推進(jìn)速度較慢且不穩(wěn)定，同時(shí)覆巖初次垮落至穩(wěn)定的周期垮落需要一段時(shí)間，導(dǎo)致上覆巖層運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，裂隙發(fā)育情況變化大，給初采期煤層群開采的瓦斯治理帶來很大的困難[3-5]。

關(guān)于推進(jìn)速度對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)的影響，國內(nèi)外學(xué)者做了諸多方面的研究。劉洪永、趙鵬翔等[6-7]分別采用UDEC、物理相似模擬試驗(yàn)的方法，研究了綜采工作面推進(jìn)速度對(duì)瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢通道的影響，分析了推進(jìn)速度對(duì)瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢通道的發(fā)育高度、寬度、垮落角的影響。王磊[8]采用試驗(yàn)、數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，研究了推進(jìn)速度對(duì)綜采工作面圍巖應(yīng)力場、破壞場分布及透氣性的影響。薛寶玉[9]采用FLAC3D模擬方法分析了推進(jìn)速度對(duì)頂板應(yīng)力場、塑形破壞場以及位移場的影響規(guī)律。以上研究分析了推進(jìn)速度對(duì)采煤工作面上方較大范圍內(nèi)應(yīng)力場、位移場、裂隙破壞場的影響，而對(duì)于推進(jìn)速度對(duì)近距離煤層運(yùn)動(dòng)影響的分析較少。為此以沙曲礦為工程背景，運(yùn)用3DEC 離散元數(shù)值模擬軟件模擬初采期不同推進(jìn)速度下開采煤層上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)近距離煤層與開采煤層間的離層特征、應(yīng)力特征進(jìn)行深入研究分析，以期得到推進(jìn)速度對(duì)近距離煤層離層特征和應(yīng)力特征的影響規(guī)律，為初采期工作面瓦斯治理、瓦斯抽采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

沙曲煤礦24207 工作面整體呈單斜構(gòu)造，煤層走向330°，傾向SW，傾角4°～7°，平均傾角5°。底板標(biāo)高為+360~ +450 m，地面標(biāo)高為+862~ +1 007 m，埋深在412~647 m 之間。主采煤層為3#+4#合并層煤層，厚度在3.6~4.2 m 之間，平均厚度為4.6 m。工作面?zhèn)雾敳话l(fā)育，局部有0.2 m 的泥巖；3#+4#煤直接頂為灰黑色中細(xì)砂質(zhì)泥巖，厚度為5.5 m，為硬脆易冒落頂板；基本頂為5.59 m 的灰白色中砂巖，厚層狀，均勻?qū)永?。直接底為灰色中砂巖，屬基本穩(wěn)定巖層；基本底為2.5 m 的黑色粉砂巖。

工作面3#+4#煤層向上距離2#煤層平均10.5 m左右，向下距離5#煤層平均5.6 m，其中2#煤平均厚度為1.04 m，5#煤平均厚度為3.3 m。2#煤層和5#煤層均屬近距離煤層近水平煤層，當(dāng)3#+4#煤層煤層先采后，2#煤層和5#煤層都在其有效斷裂帶卸壓范圍。

2 數(shù)值模型

2.1 模型尺寸及塊體劃分

根據(jù)沙曲煤礦某采煤工作面的地質(zhì)條件建立數(shù)值模型。模型長160 m，寬40 m，高41 m。在考慮計(jì)算機(jī)配置的條件下，為充分研究回采過程中開采煤層上覆巖層的運(yùn)動(dòng)特性，本模型共劃分了12 組巖層，4 880 個(gè)塊體，5 192 個(gè)單元。模型如圖1。

圖1 數(shù)值模型

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

模型物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)煤礦相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果選取，力學(xué)參數(shù)折減為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的1/2~1/20。具體取值見表1 和表2。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 巖層節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)

2.3 邊界條件

根據(jù)沙曲煤礦采煤工作面地質(zhì)資料可知，所研究巖層頂部埋深約為500 m。側(cè)壓系數(shù)取0.5，重力加速度取10 m/s2。以此設(shè)置模型初始條件。模型上部邊界施加均布荷載，其等效荷載計(jì)算式如式（1），計(jì)算得出上部荷載為12.5 MPa。左右兩側(cè)、前后兩側(cè)以及模型底部采用速度固定。

式中：q 為等效荷載，MPa；ρ 為上覆巖層平均密度，取2.5 t/m3，h 為巖層埋深，m。

3 模擬方案

數(shù)值模擬試驗(yàn)通過控制“單位開采距離”來實(shí)現(xiàn)不同推進(jìn)速度條件下的上覆巖層運(yùn)動(dòng)模擬[10]。首先，在初始應(yīng)力條件下，使數(shù)值模型計(jì)算至平衡狀態(tài)，以此模擬巖層的原巖應(yīng)力狀態(tài)；其次，開挖3#+4#煤層，開挖由x=20 m 處開始，至x=140 m 處結(jié)束，每次沿x 方向開挖“單位開采距離”，然后讓模型運(yùn)行1 000 時(shí)步，隨后繼續(xù)開挖“單位開采距離”，然后運(yùn)行1 000 時(shí)步，以此往復(fù)?；夭伤俣龋孩倏焖偻七M(jìn)：單位開采距離為10 m；②中速推進(jìn)：單位開采距離為5 m；③慢速推進(jìn)：單位開采距離為3 m。同時(shí)，監(jiān)測各巖層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。分別在各巖層中布置1 條監(jiān)測線，記錄巖層的位移及應(yīng)力變化，以此定量揭示各巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最后，通過對(duì)比每次開挖后的計(jì)算結(jié)果分析上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 上覆巖層沉降特征

初采期上覆巖層的沉降規(guī)律與工作面的推進(jìn)速度密切相關(guān)。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層在自身重力的作用下緩慢沉降，巖層層間節(jié)理及巖層中的節(jié)理開始滑移，塊體發(fā)生變形，上覆巖層中的裂隙開始擴(kuò)大。當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到某一值時(shí)，頂板發(fā)生初次斷裂。隨后隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，頂板發(fā)生周期性斷裂。不同推進(jìn)速度下采煤工作面上覆巖層的垂直位移云圖如圖2，通過對(duì)比可以看出，在推進(jìn)速度為快速時(shí)，頂板發(fā)生初次斷裂時(shí)工作面推進(jìn)距離為70 m；在推進(jìn)速度為中速時(shí)，頂板發(fā)生初次斷裂時(shí)工作面推進(jìn)距離為55 m；在推進(jìn)速度為慢速時(shí)，頂板發(fā)生初次斷裂時(shí)工作面推進(jìn)距離為33 m。由此可以得出，工作面的推進(jìn)速度影響初次周期來壓步距，推進(jìn)速度越快，初次來壓步距越大。根據(jù)沙曲礦相關(guān)礦壓資料，沙曲礦3#+4#煤層開采的初次來壓步距約為30 m。由此可以判定，模型工作面進(jìn)行慢速推進(jìn)時(shí)，其頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律與沙曲礦實(shí)際情況相似。

圖2 垂直位移云圖

4.2 近距離煤層間離層分布特征

通過監(jiān)測3#+4#煤頂板、2#煤頂板位移，得到近距離煤層的沉降位移數(shù)據(jù)。將3#+4#煤頂板沉降量和2#煤頂板沉降量繪制成曲線圖（圖3）（以回采50 m 時(shí)沉降量曲線為例）。由圖3 可以看出，采空區(qū)上方3#+4#煤頂板與2#煤頂板的沉降量最不協(xié)調(diào)，出現(xiàn)較大的離層。當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，3#+4#煤頂板與2#煤頂板的沉降量趨于一致，最后相等，此現(xiàn)象是由采空區(qū)巖石被壓實(shí)引起的。同時(shí)，在工作面超前段，3#+4#煤頂板與2#煤頂板之間也存在著離層。將壓實(shí)區(qū)至采煤工作面的距離定義為采空區(qū)離層區(qū)，將工作面超前區(qū)域的離層定義為超前工作面離層區(qū)。分別統(tǒng)計(jì)不同推進(jìn)速度下采空區(qū)離層區(qū)長度，及工作面超前段離層區(qū)的長度。不同推進(jìn)速度下上覆巖層離層區(qū)分布情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

4.2.1 采空區(qū)上覆巖層離層特征

由表3 可以看出，在推進(jìn)速度為快速時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)離層區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，在推進(jìn)距離為70 m 時(shí)，采空區(qū)離層區(qū)長度出現(xiàn)1 次跳躍式擴(kuò)張，范圍由50 m 擴(kuò)大至54 m，之后隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)離層區(qū)范圍持續(xù)擴(kuò)大，直到工作面推進(jìn)至120 m 時(shí)，采空區(qū)上覆巖層離層區(qū)范圍才有縮小的趨勢。由此可以推斷，初采期工作面快速推進(jìn)時(shí)，采空區(qū)后方巖層的壓實(shí)速度不如推進(jìn)速度快，采空區(qū)上覆巖層離層區(qū)擴(kuò)張較快。

工作面中速推進(jìn)時(shí)，采空區(qū)離層區(qū)在推進(jìn)距離為70 m 時(shí)，范圍最大，為45 m，之后受周期來壓影響，采空區(qū)離層區(qū)范圍在36~42 m 范圍內(nèi)波動(dòng)。工作面慢速推進(jìn)時(shí)，采空區(qū)離層區(qū)在推進(jìn)距離為50 m時(shí)，范圍最大，其值為38 m。之后受周期來壓影響，采空區(qū)離層區(qū)范圍在30~38 m 范圍內(nèi)波動(dòng)。采空區(qū)離層區(qū)的范圍與頂板來壓密切相關(guān)，每次頂板來壓會(huì)給3#+4#煤與2#煤之間的巖層離層帶來波動(dòng)性變化，初次來壓時(shí)采空區(qū)離層區(qū)范圍最大，周期來壓時(shí)的采空區(qū)離層區(qū)范圍次之。推進(jìn)速度越快，采空區(qū)上覆巖層離層區(qū)域擴(kuò)張?jiān)娇?，擴(kuò)張范圍越大，而離層區(qū)域穩(wěn)定的速度越慢。

圖3 近距離煤層沉降曲線

表3 不同推進(jìn)速度下上覆巖層離層區(qū)分布情況

4.2.2 工作面超前區(qū)域上覆巖層離層特征

隨著工作面的推進(jìn)，工作面煤壁受集中應(yīng)力作用，煤壁發(fā)生變形破壞，同時(shí)受采空區(qū)頂板彎曲下沉的影響，工作面超前區(qū)域上覆巖層彎曲下沉出現(xiàn)離層。由表3 可以看出，超前工作面離層區(qū)的變化可分為3 個(gè)階段：第1 階段：工作面推進(jìn)距離由0 m到30 m，回采初期，工作面煤壁受力較小，煤體破壞不嚴(yán)重，頂板沉降量小，離層值也小，工作面超前區(qū)域離層區(qū)分布不穩(wěn)定；第2 階段：隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，采空區(qū)暴露的頂板面積增大，工作面煤壁所受壓力增大，破壞范圍逐漸擴(kuò)大，頂板沉降量增大，工作面超前區(qū)域離層區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，在初次來壓之前，超前區(qū)域離層區(qū)范圍較大，快速推進(jìn)條件下，超前工作面離層區(qū)分布范圍為超前工作面20~32 m，中速推進(jìn)條件下，超前工作面離層區(qū)分布范圍為超前工作面26~38 m，慢速推進(jìn)條件下，超前工作面離層區(qū)分布范圍為超前工作面32 m；第3 階段：初次來壓之后，工作面煤壁壓力減小，其頂板沉降速度變慢，上覆巖層進(jìn)一步沉降，頂板離層值減小，超前工作面離層區(qū)范圍變??；之后，隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，工作面煤壁壓力增大，煤體受到壓縮破壞，頂板繼續(xù)沉降，上覆巖層離層值開始變大，超前工作面離層區(qū)范圍擴(kuò)大，直至周期來壓前，周期來壓后，頂板斷裂，工作面煤壁壓力減小，煤體破壞變緩，頂板沉降速度變慢，上覆巖層進(jìn)一步沉降，頂板離層變小，超前工作面離層區(qū)范圍變小。如此往復(fù)，周期來壓前超前工作離層區(qū)隨著推進(jìn)距離的增大而增大，周期來壓后超前工作面離層區(qū)變小?？焖偻七M(jìn)時(shí)，超前工作面離層區(qū)范圍為超前工作面6~12 m；中速推進(jìn)時(shí)，超前工作面離層區(qū)范圍為超前工作面16~22 m；慢速推進(jìn)時(shí)，超前工作面離層區(qū)范圍為超前工作面16~36 m。通過對(duì)比可以得出，初次來壓前超前工作面離層區(qū)分布范圍最大，周期來壓前超前工作面離層區(qū)分布范圍次之。超前工作面離層區(qū)的分布范圍受推進(jìn)速度影響，主要表現(xiàn)為2 方面：一方面，推進(jìn)速度越快，初次來壓步距及周期來壓步距越大，工作面煤壁應(yīng)力集中越大，變形破壞越嚴(yán)重，有利于超前工作面離層區(qū)的擴(kuò)張；另一方面，推進(jìn)速度越快，留給上覆巖層沉降的時(shí)間越短，不利于超前工作面離層區(qū)的擴(kuò)張。因此，在不同的推進(jìn)速度下，中速推進(jìn)時(shí)超前工作面的離層區(qū)范圍最大，快速推進(jìn)時(shí)超前工作面的離層區(qū)范圍最小。

4.3 近距離煤層應(yīng)力場分析

2#煤層應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)位置-垂直應(yīng)力曲線如圖4~圖6。

圖4 快速推進(jìn)時(shí)2#煤層垂直應(yīng)力曲線圖

由于模型巖層設(shè)置有節(jié)理，未受采動(dòng)影響區(qū)域的應(yīng)力呈跳躍式波動(dòng)，垂直應(yīng)力分布在10~15 MPa。以波動(dòng)高點(diǎn)的垂直應(yīng)力為參照點(diǎn)，來分析2#煤層的應(yīng)力分布特征，大于參照點(diǎn)應(yīng)力的區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，小于參照點(diǎn)應(yīng)力的區(qū)域?yàn)樾秹簠^(qū)。通過分析，近距離煤層的應(yīng)力特征分為2 個(gè)階段，分別為頂板初次跨落前和初次跨落后。初期跨落前，采空區(qū)上方鄰近層應(yīng)力區(qū)主要為卸壓區(qū)。在靠近左側(cè)煤柱16 m 位置附近，有拉應(yīng)力區(qū)，范圍最大時(shí)約為10 m。隨著工作面的推進(jìn)，卸壓區(qū)逐漸增大，回采速度越快，卸壓區(qū)范圍越大；初次跨落后，采空區(qū)上方鄰近層應(yīng)力區(qū)主要由拉應(yīng)力區(qū)、壓實(shí)區(qū)、卸壓區(qū)組成。拉應(yīng)力區(qū)分別分布在左側(cè)煤柱的附近，以及回采工作面附近。左側(cè)煤柱附近拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在距左側(cè)煤柱16 m 位置附近，范圍約為10 m。回采工作面附近拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在回采工作面后方，其隨工作面推進(jìn)而前移。壓實(shí)區(qū)隨著工作面推進(jìn)范圍逐漸擴(kuò)大。卸壓區(qū)位于回采工作面后方7 m 左右，頂板周期跨落前，卸壓區(qū)達(dá)到最大，推進(jìn)速度越快，卸壓區(qū)范圍越大。快速推進(jìn)時(shí)，卸壓區(qū)范圍約為55 m，中速推進(jìn)時(shí)，卸壓區(qū)范圍約為45 m，慢速推進(jìn)時(shí)，卸壓區(qū)范圍約為40 m。

圖5 中速推進(jìn)時(shí)2#煤層垂直應(yīng)力曲線圖

圖6 慢速推進(jìn)時(shí)2#煤層垂直應(yīng)力曲線圖

5 結(jié) 論

1）工作面的推進(jìn)速度越快，初次來壓步距越大。模型工作面慢速推進(jìn)時(shí)，其頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律與沙曲礦實(shí)際情況相似。

2）采空區(qū)近距離煤層離層區(qū)的分布與工作面推進(jìn)速度有關(guān)，推進(jìn)速度越快，采空區(qū)離層區(qū)域擴(kuò)張?jiān)娇?，擴(kuò)張范圍越大，而離層區(qū)域穩(wěn)定的速度越慢。

3）超前工作面上方近距離煤層離層區(qū)受推進(jìn)速度影響，推進(jìn)速度越快，來壓步距越大，工作面煤壁應(yīng)力集中越大，有利于超前工作面離層區(qū)的擴(kuò)張；同時(shí)，推進(jìn)速度越快，留給上覆巖層沉降的時(shí)間越短，不利于超前工作面離層區(qū)的擴(kuò)張。在不同的推進(jìn)速度下，中速推進(jìn)時(shí)超前工作面的離層區(qū)范圍最大，快速推進(jìn)時(shí)超前工作面的離層區(qū)范圍最小。

4）鄰近煤層應(yīng)力分為2 個(gè)階段：頂板初次垮落前和頂板初次垮落后。頂板初次垮落前，采空區(qū)上方鄰近層應(yīng)力主要為卸壓區(qū)，工作面推進(jìn)速度越快，卸壓區(qū)范圍越大；頂板初次垮落后，采空區(qū)上方鄰近層應(yīng)力區(qū)主要由拉應(yīng)力區(qū)、壓實(shí)區(qū)、卸壓區(qū)組成。拉應(yīng)力區(qū)分別分布在左側(cè)煤柱的附近，以及回采工作面附近。左側(cè)煤柱附近的拉應(yīng)力區(qū)受推進(jìn)速度影響小，回采工作面附近的拉應(yīng)力區(qū)受推進(jìn)速度影響較大，推進(jìn)速度越快，回采工作面附近的拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)位置離回采位置越遠(yuǎn)，范圍越小。壓實(shí)區(qū)隨著工作面推進(jìn)逐漸擴(kuò)大，推進(jìn)速度越快，壓應(yīng)力越大。卸壓區(qū)位于回采工作面后方7 m 左右，頂板周期跨落前，卸壓區(qū)達(dá)到最大，推進(jìn)速度越快，卸壓區(qū)范圍越大。