傾斜厚煤層采動覆巖裂隙演化規(guī)律數(shù)值模擬

何清波，張文進(jìn)，王緒友，姜亦武，寧廷洲，楊俊生，孫紅星，賀海瑞

（1.兗礦新疆礦業(yè)有限公司 硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引 言

煤炭資源是中國主要的能源形式，隨著開采年限的不斷增加，緩傾斜煤層儲量大幅度降低，目前中國開采的重點逐步向傾斜煤層轉(zhuǎn)移[1-3]。與緩傾斜煤層不同，傾斜煤層往往伴隨著復(fù)雜的地質(zhì)條件，上覆巖層的運動和裂隙的發(fā)育規(guī)律較水平與緩傾斜煤層更為復(fù)雜[4-6]。煤層開采后的卸壓瓦斯氣體會通過巖層間的裂隙升浮、擴(kuò)散并儲集于裂隙帶頂部，因此有效掌握采動覆巖裂隙演化規(guī)律對卸壓瓦斯災(zāi)害的防治具有重要的參考價值。

為研究覆巖受開采擾動影響后的活動規(guī)律及裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征，國內(nèi)外眾多學(xué)者采用了多種方法開展研究[7-10]。錢鳴高等采用物理模擬試驗、圖像分析、離散元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了采動覆巖裂隙分布規(guī)律，揭示了覆巖裂隙的擴(kuò)展規(guī)律，并提出采動覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)呈“O”形圈分布[11]。李樹剛等通過物理模擬試驗研究發(fā)現(xiàn)覆巖豎向破斷裂隙和橫向離層裂隙相互連通后形成了復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙網(wǎng)絡(luò)在空間上形態(tài)呈“橢拋帶”，為優(yōu)化采動卸壓瓦斯抽放系統(tǒng)參數(shù)的布置提供了理論依據(jù)[12-14]。魏宗勇等進(jìn)一步研制了三維大尺度物理相似模擬系統(tǒng)，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測和三維模型剖切等方法，得到了覆巖三維空間裂隙發(fā)育過程及裂隙分布特征[15]。針對傾斜煤層開采底板破壞規(guī)律，李春元等應(yīng)用相似材料和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究基本頂初次垮斷前后底板應(yīng)力及變形，揭示了底板破壞與基本頂巖梁初次垮斷的聯(lián)動效應(yīng)[16]。張禮等基于3DEC數(shù)值模擬的結(jié)果，構(gòu)建了“采動裂隙環(huán)形體”的三維模型，并提出了其邊界的判定準(zhǔn)則[17]。NING，LYU等建立了破碎上覆巖層二次“活化”的力學(xué)模型，推導(dǎo)了計算覆巖離層量的遞推公式，提出了近距離煤層群開采裂隙帶高度預(yù)測方法[18-19]。結(jié)合分形幾何理論，高明忠，王志國等對采動覆巖裂隙網(wǎng)絡(luò)的分形維數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了深入的分析和研究，發(fā)現(xiàn)隨著工作面推進(jìn)，分形維數(shù)總體呈上升趨勢[20-21]。MONDAL等利用分形維數(shù)定量化表征覆巖裂隙發(fā)育的復(fù)雜程度，為裂隙網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)化分區(qū)提供依據(jù)[22]。

然而目前關(guān)于覆巖裂隙演化的研究大多集中在水平及緩傾斜煤層，而煤層實際的賦存條件復(fù)雜，難以將水平及緩傾斜煤層的覆巖裂隙演化規(guī)律直接用于傾斜煤層研究中[23-25]。因此本研究通過建立傾斜厚煤層的數(shù)值模型，分析采動覆巖位移和煤層頂板應(yīng)力的變化規(guī)律，得到傾斜厚煤層采動覆巖裂隙演化特征，分析工作面采動的覆巖下沉量變化規(guī)律，對試驗工作面及相似條件工作面的瓦斯鉆孔布置參數(shù)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 礦井概況

（9-15）08工作面設(shè)計走向長2 600 m，工作面“刀把式”布置，外段面斜長165 m，里段面傾向長130 m，煤層平均厚度為31.5 m，傾角為22°～26°，局部可達(dá)30°，平均為26°，屬于傾斜厚煤層，采取綜放后退式回采方法，頂板全部垮落充填采空區(qū)，采煤高度為3 m，放煤高度平均為28.5 m，巷道布置如圖1所示。礦井瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦井，煤塵有爆炸危險性，爆炸指數(shù)37.22%，屬于Ⅰ類易自燃煤層。

9～15#煤層瓦斯基本參數(shù)：原煤瓦斯含量為3.85 m3/t，瓦斯壓力為0.5 MPa，透氣性系數(shù)為0.011 81～0.061 66 m2/（MPa2×d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為1.03～1.28 d-1。

圖1 （9-15）08工作面巷道布置示意Fig.1 （9-15）08 working face roadway layout

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模擬方案的確定

對于煤層開采影響上覆巖層裂隙演化的問題，離散元數(shù)值模擬計算軟件3DEC可在三維條件下，模擬靜態(tài)或動態(tài)的載荷作用下離散介質(zhì)的力學(xué)反應(yīng)，其優(yōu)勢如下：①離散的巖塊允許大變形，允許沿節(jié)理面滑移、旋轉(zhuǎn)和脫落；②在運算時可自動識別新的接觸[26]。因此，為得到傾斜厚煤層采動覆巖裂隙的演化規(guī)律，通過3DEC數(shù)值模擬的手段，根據(jù)Mohr-Coulomb原則，準(zhǔn)確模擬采場巖層的垮落和運動。

2.2 數(shù)值模型的建立

以硫磺溝煤礦（9-15）08工作面參數(shù)和條件為背景，建立體積為300 m×200 m×150 m的物理模型，如圖2所示。

整個模型垂直方向上共模擬了56層巖層，設(shè)定模型兩側(cè)的XZ面為約束面，底部XY面固定，頂部XY面為自由面，模型各處初始位移為0，未模擬覆巖替以2.5×104Pa的補(bǔ)償荷載。開切眼設(shè)置在距離YZ面50 m處，以消除邊界效應(yīng)，每次開挖步距10 m，共開挖200 m。

圖2 物理模型Fig.2 Physical model

根據(jù)實際巖層的巖性和厚度在上覆巖層設(shè)置K1關(guān)鍵層，分別在距煤層頂板高5，10，15，20，25，30，35，40，45 m處水平每間隔20 m布置一條位移測線，在煤層頂板處水平每間隔10 m布置一條應(yīng)力測線，巖層及節(jié)理的巖性參數(shù)選取見表1。

表1 巖層和節(jié)理力學(xué)參數(shù)性質(zhì)

3 傾斜厚煤層采動覆巖位移分布特征

為充分反映煤層上覆巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育情況，在生成的模型內(nèi)部選取具有代表性的模型切面，以沿Z軸垂直XY平面為例，分別在X=150 m和Y=100 m處選取沿煤層走向和傾向的切面，通過每個切面內(nèi)的覆巖位移分布和應(yīng)力變化來探究裂隙的發(fā)育情況。

3.1 覆巖走向位移分布規(guī)律

為分析（9-15）08工作面推進(jìn)過程中覆巖走向位移分布規(guī)律，分析在工作面分別推進(jìn)至20,50,100,150,200 m時上覆巖層裂隙的發(fā)育情況，得到位移數(shù)值分布云圖如圖3所示。

圖3 覆巖走向采動位移變化云圖Fig.3 Cloud chart of mining displacement variation of overlying rock along strike

由圖3可知，上覆巖層不同位置所受到礦壓的影響和巖塊回轉(zhuǎn)空間大小的不同，引起巖層在不同區(qū)域的下沉量和滑移量不同。一般地，煤層開采后原上覆巖層形成的承載結(jié)構(gòu)受到破壞，礦壓主要集中在煤層上覆中部區(qū)域巖體上，該位置的巖體位移變化量最大。由于（9-15）08煤層厚度較大，煤層開采對覆巖產(chǎn)生的擾動增強(qiáng)，采空區(qū)覆巖斷裂垮落后堆積的空間增大，巖層斷裂高度增大。受應(yīng)力傳遞的影響，當(dāng)巖層的受力大于其極限抗壓強(qiáng)度時會發(fā)生破裂，落在采空區(qū)中部區(qū)域的巖塊其位移變化達(dá)到峰值，并以其為中心在一定范圍和不同程度上呈現(xiàn)對稱分布。因此在采動空間中，越靠近中部的巖體所發(fā)生的位移變化則越顯著。

3.2 覆巖傾向位移分布規(guī)律

為分析（9-15）08工作面推進(jìn)過程中覆巖傾向位移分布規(guī)律，篩選并分析推進(jìn)20,50,100,150,200 m時采動裂隙分布情況，得到位移分布云圖如圖4所示。

圖4 覆巖傾向采動位移變化云圖Fig.4 Cloud chart of mining displacement variation of overlying rock along inclination

由圖4可知，工作面推進(jìn)20 m時，上覆巖層受集中應(yīng)力作用發(fā)生彎曲下沉，頂板發(fā)生垮落，隨著推進(jìn)距離的增大，覆巖下沉量在整體上呈非對稱分布，其中工作面?zhèn)鹊纳细矌r層下沉量最大。巖層在垮落的時候，由于存在下滑效應(yīng)，巖體順著傾斜的方向自由滑動最終填充在其底部，在此過程中在傾斜巖層的限制下，部分巖層開始出現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉸接，導(dǎo)致在采空區(qū)下端頭的巖層垮落空間減小，上端頭的巖層垮落空間增大，形成了這種非對稱的垮落現(xiàn)象，其裂隙區(qū)域基本呈拋物形態(tài)分布。在采動的影響下，覆巖冒落帶巖塊位移較大，因此可判定位移變化第1層階梯（0～20 m）為冒落帶所處區(qū)域，由于冒落帶巖塊存在碎脹和支撐作用，相比之下裂隙帶的位移量小，故可認(rèn)定第2層階梯所處區(qū)域（20～65 m）為裂隙帶。

3.3 覆巖下沉量變化特征

煤層開采后，上覆巖層受到應(yīng)力作用發(fā)生垮落、斷裂、彎曲變形進(jìn)而發(fā)生位移，在上覆巖層自下而上共布置了9排位移測線，每條測線上間隔布置12個測點，全方位監(jiān)測采動過程中的覆巖下沉量，如圖5所示。由于冒落帶中垮落巖層的碎脹性與不規(guī)則性，其范圍內(nèi)巖層下沉量變化趨勢明顯，最大下沉量達(dá)到22 m，覆巖高度越大，其下沉量越小，下沉量沿梯度高度呈逐漸減小趨勢。壓實區(qū)巖層鉸接結(jié)構(gòu)少且穩(wěn)定，其下沉量波動緩慢且各測線之間的距離較小，圖中測線在距煤柱75～160 m之間變化趨勢緩慢且各測線分布密集，因此可得（9-15）08采空區(qū)壓實區(qū)在距煤柱70～160 m的位置；反之同一范圍中測線波動劇烈為裂隙區(qū)，圖中兩邊裂隙區(qū)的寬度范圍存在差異，靠近切眼方向的裂隙區(qū)寬度較大。

圖5 （9-15）08采空區(qū)覆巖下沉量分布Fig.5 （9-15）08 subsidence distribution of mined-out areas

4 傾斜厚煤層采動覆巖應(yīng)力變化規(guī)律

4.1 采動覆巖走向應(yīng)力變化規(guī)律

受煤層開采的影響，圍巖的應(yīng)力平衡被破壞，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，進(jìn)而形成新的應(yīng)力場，可分為3個區(qū)域：卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

在采動過程中，在煤巖體初始損傷的影響下，內(nèi)部原始存在的裂隙發(fā)生擴(kuò)展從而導(dǎo)致了煤巖體的破壞，宏觀上主要表現(xiàn)為上覆巖層的變形破壞。因此煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力傳遞和變化對覆巖的變形、滑落等一系列運動存在直接的影響。

圖6 覆巖走向采動應(yīng)力變化云圖Fig.6 Cloud chart of mining stress variation of overlying rock along strike

由圖6可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至20 m時，煤層開采后采空區(qū)覆巖失去了支撐，致使上覆巖層因重力而產(chǎn)生的載荷向采空區(qū)兩側(cè)的煤體轉(zhuǎn)移，在此處形成應(yīng)力集中；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)至50～100 m時，覆巖開始垮落，從原巖應(yīng)力至側(cè)向支承壓力，其圍巖應(yīng)力的演變呈現(xiàn)遞增趨勢，形成應(yīng)力集中區(qū)，隨著推進(jìn)距離的增大，應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力分布范圍也在不斷增大，其區(qū)域基本呈軸對稱分布。在工作面的持續(xù)回采下，采空區(qū)覆巖逐漸出現(xiàn)塑性破壞，該區(qū)域豎向應(yīng)力迅速減小，形成了呈拋物形態(tài)分布的采動卸壓區(qū)域。由于（9-15）08工作面煤層厚度較大，導(dǎo)致主關(guān)鍵層下方卸壓區(qū)域增大，其高度也相應(yīng)增大。隨著工作面向前推進(jìn)，主關(guān)鍵層逐漸出現(xiàn)彎曲下沉，下方的卸壓區(qū)域范圍繼續(xù)擴(kuò)大，卸壓區(qū)域高度進(jìn)一步發(fā)育但未超過主關(guān)鍵層。

由上述模擬結(jié)果可知，工作面煤層開采后致使圍巖應(yīng)力重新分布，沿煤層走向形成卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)，并呈現(xiàn)水平對稱分布。隨著工作面的推進(jìn)，卸壓區(qū)高度逐漸升高，使得卸壓瓦斯的運移空間也相應(yīng)的擴(kuò)大，在此過程中，卸壓區(qū)高度受主關(guān)鍵層的影響，其高度增大的速率有所減緩。

4.2 采動覆巖傾向應(yīng)力變化規(guī)律

圖7為工作面開采穩(wěn)定后覆巖應(yīng)力傾向分布特征的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖7 覆巖傾向采動應(yīng)力變化云圖Fig.7 Cloud chart of mining stress variation of overlying rock along inclination

采動覆巖傾向應(yīng)力的演變呈現(xiàn)遞增趨勢，形成了應(yīng)力集中區(qū)域，區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布在2.06～10 MPa之間。在采動的持續(xù)影響下，采空區(qū)覆巖出現(xiàn)了具有卸壓性質(zhì)的塑性破壞，巖體從變形到斷裂，豎向應(yīng)力驟減，形成了采動卸壓區(qū)域，區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布在0.2～1.56 MPa之間。當(dāng)煤層角度較大時，工作面煤層開采后，最大卸壓區(qū)高度逐漸向上端頭側(cè)偏移，導(dǎo)致應(yīng)力場分布不對稱性增強(qiáng)。

4.3 煤層頂板應(yīng)力變化特征

通過煤層頂板布置的應(yīng)力測線，記錄工作面推進(jìn)過程的頂板應(yīng)力變化，引入應(yīng)力集中系數(shù)（當(dāng)前所測應(yīng)力數(shù)據(jù)與煤層未開采之前所測應(yīng)力的比值）更加直觀反映頂板應(yīng)力變化規(guī)律。如圖8所示，圖8（a）為（9-15）08工作面推進(jìn)過程中各個周期來壓所對應(yīng)的頂板應(yīng)力，其應(yīng)力峰值與推進(jìn)距成正比關(guān)系。根據(jù)第8次周期來壓的頂板應(yīng)力分布規(guī)律，如圖8（b）所示，將其分為應(yīng)力集中區(qū)和采動影響區(qū)，在采動影響區(qū)內(nèi)，兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)比中間小，這是由于切眼和工作面附近的巖層垮落時，斷裂巖體之間相互咬合，易形成具有支承作用的鉸接結(jié)構(gòu)。而壓實區(qū)中部則受到上覆巖層垂直向下的壓力，裂隙被壓縮，應(yīng)力向下傳遞，導(dǎo)致中間區(qū)域應(yīng)力集中系數(shù)較高，因此將采動影響區(qū)進(jìn)一步劃分為裂隙區(qū)和中部壓實區(qū)，在裂隙區(qū)和壓實區(qū)的邊界處，應(yīng)力集中系數(shù)存在明顯變化。

圖8 （9-15）08工作面頂板應(yīng)力變化Fig.8 Roof stress variation of （9-15）08 working face

根據(jù)前述分析，數(shù)值模擬所得覆巖冒落帶和裂隙帶的厚度分別為20，45 m，受回采擾動的影響，傾斜厚煤層工作面采動覆巖總體垮落形態(tài)沿煤層走向呈軸對稱梯臺狀分布，沿煤層傾向呈軌道順槽側(cè)高、皮帶順槽側(cè)低的非對稱垮落橢拋帶形態(tài)，依據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果可指導(dǎo)瓦斯抽采鉆孔的布置。

5 結(jié) 論

1）沿煤層走向方向，越靠近采空區(qū)中部的巖體其位移變化越大，呈現(xiàn)對稱分布；沿煤層傾向方向，覆巖位移變化越顯著，巖體位移呈現(xiàn)非對稱分布，位移變化的第1層階梯所處區(qū)域為冒落帶，即0～20 m，第2層階梯所處區(qū)域為裂隙帶，即20～65 m。

2）根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)變化可將采空區(qū)覆巖分為靠近切眼、靠近工作面的2個裂隙區(qū)和中部壓實區(qū)。裂隙區(qū)未完全垮落的鉸接結(jié)構(gòu)具有支承作用，導(dǎo)致裂隙區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)較小，而中部壓實區(qū)則受覆巖垂直向下的壓力，導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力集中系數(shù)較高。

3）傾斜厚煤層工作面采動覆巖總體垮落形態(tài)沿煤層走向呈軸對稱梯臺狀分布，沿煤層傾向呈軌道順槽側(cè)高、皮帶順槽風(fēng)巷側(cè)低的非對稱垮落橢拋帶形態(tài)，為瓦斯抽采系統(tǒng)布置提供一定的理論依據(jù)。