厚度突變煤層采動圍巖應力顯現及巖移規律研究

齊消寒 謝文坤 劉 陽

（1.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室）

煤炭是我國重要能源，目前我國煤礦開采逐步進入深部開采，應力和瓦斯壓力伴隨著開采深度增加而增加，動力災害時有發生，煤與瓦斯突出十分復雜，產生原因也很復雜，構造帶附近煤巖層在長期的地質構造運動影響下會表現出不同程度的褶皺、錯動等現象，從而表現為煤層賦存厚度及角度的突變，在應力顯示上表現出高度的非均勻性，該區域在受到采動影響后，圍巖的應力顯現與巖移規律與均勻煤層有明顯不同，容易產生應力集中、能量蓄積，大變形等，甚至誘發煤與瓦斯突出災害。本研究以平煤十礦己15.16-24110 工作面為研究對象，采用FLAC3D數值模擬方法研究應力主導作用下煤巖破壞失穩特性［1］，建立力學模型，探究造成煤層失穩的原因，以期掌握煤巖厚度突變條件下的動力失穩過程，避免深部開采中的重大動力災害事故發生，保障煤礦安全生產。

1 工程概況

平煤十礦己15.16-24110 回采工作面發生了一起煤與瓦斯突出事故，頂部入口至工作面50架處，煤層頂部有構造煤煤，厚度0.6～1.2 m，突出點附近煤厚由之前的1.8 m 突變至3.8 m，傾角由平均8°～10°增大到17°～23°，煤層層理與節理紊亂。

2 數值模擬

2.1 數值模型的建立

本研究以平煤集團公司十礦己15.16-24110 綜采工作面和圍巖層為研究對象建學模型［2］。y軸垂直于開采方向，長234.6 m；x軸平行開采方向，長600 m；z軸為垂直方向，高121 m，向上為正，以x=0 m、x=600 m；y=0 m、y=234.6 m；z=0 m 為約束。模型的應力邊界條件按照實際測定結果進行設定，根據這一坐標系規定，建立模型，巖層傾角12°突變為20°，采高1.8 m突變為3.8 m。通過FLAC3D軟件得到單元類型是8個節點六面體的模型網格劃分如圖1 所示［3］。本次數值模擬實驗擬進行單煤層回采，每次回采40 m，直至回采400 m，為研究傾斜方向不同開采進度煤巖應力變化，在傾斜方向上每步推進20 m，共采120 m。

2.2 數值模擬結果分析

為更加方便、直觀地呈現應力顯現和巖移規律，運用Tecplot 軟件進行數值計算成果的后處理和圖像分析。

2.2.1 覆巖應力變化規律分析

在未進行煤層回采前，巖體處于應力平衡狀態，一旦受到采動的影響，應力平衡被破壞，部分區域卸壓，部分出現應力集中，應力集中程度用應力集中系數表示（應力值與原巖應力的比值）。分別截取己15.16-24110 綜采工作面推進到40，160，320，400 m時的沿走向剖面的垂直應力分布圖，如圖2所示。

從圖2（a）得出，開采至40 m 時，工作面和切眼煤壁出現應力集中，應力集中最大值是-220 MPa，采空區中部頂底板均出現卸壓區域，呈半圓形，采空區頂板中部卸壓最充分，影響范圍最高，其應力值為0～40 MPa，直接頂底板垂直應力是-20 MPa，采動影響下切眼和工作面煤壁應力集中系數為4.4［4］。從圖2（b）得出，當工作面推進至160 m 時，隨著回采的不斷推進，應力集中區的范圍也不斷增大，并且應力集中區的峰值也在不斷增大，此時工作面前方煤壁的應力集中系數已達7.6，峰值也變大，高達-380 MPa，覆巖上部卸壓區的形態逐漸呈現馬鞍形的狀態，采空區中部由于巖層垮落后壓實，對頂板形成支撐應力，因此卸壓范圍不再繼續向高處延伸，上覆巖體卸壓區垂直高度已達10.5 m；下伏巖層卸壓區向深部延伸至17 m 左右，呈碗狀，開采持續深入，卸壓區變大，但增加幅度變小，逐漸穩定。從圖2（c）得出，開采至320 m 時，頂板卸壓區呈波浪形，頂板卸壓區高度延伸至25 m 左右，應力集中區域出現在開切眼和工作面區域，最大應力集中系數為11.0；下伏巖層卸壓區域仍以碗狀形式向下擴展，影響深度延伸至20 m 左右。從圖2（d）得出，隨著煤層開采推進至400 m，對巖層的卸壓影響非常明顯，上覆巖層卸壓高度達到40 m，下伏巖層強烈卸壓影響區范圍向下延伸至30 m。

從傾斜方向上，由于煤層出現突然的厚度及傾角變化，局部煤層賦存狀態復雜，對傾斜方向圍巖應力分布進行研究，傾斜方向煤層進行開采，兩邊留保護煤柱各57 m，回采總長度為120 m，每步回采20 m，分為6步回采［5］。分別截取開采至40，80，120 m 時的沿傾向剖面的垂直應力分布如圖3所示。

從圖3（a）可知，開采至40 m 時，在煤層礦體采動影響下，煤層采空區兩端煤壁形成應力增高區。由于采動的影響導致開切眼煤壁應力集中系數為4.4，增幅非常明顯，開采至該區域時，上覆巖層卸壓區呈倒扣碗狀，向上延伸至16 m 左右，下伏巖層卸壓區影響范圍向下至4 m。如圖3（b）所示，開采至80 m 時，煤層賦存厚度和傾角突變位置卸壓區域呈現出不同于其他厚度均勻區的礦壓顯現特點，整個采空區頂板卸壓范圍呈明顯的“雙駝峰”狀特征，且突變位置卸壓影響高度非常明顯高于其他位置，卸壓高度達到35 m，采空區兩側應力集中系數最大為7.2，突變區域應力顯現規律復雜，下伏巖層卸壓劇烈區域集中在煤層賦存特征突變區域下方，說明該區域容易產生應力釋放、應力集中、能量蓄積、大變形等，極易誘發突出等動力災害。如圖3（c）所示，繼續推進至120 m，卸壓范圍進一步擴大，總體呈“雙駝峰”狀，且更加明顯，突變點上覆巖層卸壓影響范圍進一步向高處延伸，到達50 m 左右，應力集中系數最大區域出現在工作面煤壁，達到12.0，該值應比數值模擬的結果要大，主要是由于數值模擬試驗未能實現模擬頂板垮落壓實的過程。

沿傾斜方向，在煤層頂板2 m 處及煤層底板2 m處的典型位置設置監測點，方便研究該位置在采動過程中受力變化，對采動下應力變化進行分析。煤層頂板應力隨開采深度變化曲線如圖4 所示。伴隨著開采深入，開切眼處出現應力集中是在開采至40 m 時，峰值為3.17 MPa，煤壁系數2.21 并且在持續增加［6］。開采區域的應力都在變大，且開采前方煤壁應力集中系數增加較快，頂板卸壓應力變大出現在開采至120 m 時，由于該區域處于上部卸壓區，系數變化不明顯，但采動影響下，由于疊加效應，卸壓范圍變大，兩端的煤壁應力集中系數也變大，且變化明顯。

煤層底板應力隨開采深度變化曲線如圖5所示，剛開始的垂直應力都是3.75 MPa，伴隨開采深入，開切眼出現應力集中是在開采至40 m 時，峰值7.0 MPa，煤壁也出現應力集中，且系數變大為1.87，隨著工作面推進80，120 m，應力集中系數分別對應1.44，1.51，該系數先變大再變小是因為隨著開采深入，頂板周期來壓。隨著開采深入，開切眼處應力集中系數變大，但是變大的幅度在減?。?］。開采前方的煤壁應力集中系數變化不明顯，采動影響下底板卸壓范圍變大，兩端煤壁的應力集中系數變大比較明顯。

2.2.2 采動影響下覆巖移動規律

圖6 為煤層開采時沿走向剖面垂直位移等值線圖，可以看出，工作面推進40 m 時，未達到初始冒落距離，采場頂板位移較??；開采至160 m 的時候，底板出現鼓包，頂板開始冒落，隨著開采深入，頂板發生均勻的連續的沉降現象，開采至40，160，320，400 m的頂板最大位移對應是6，19，3，37 cm，都是在采空區中間的地方出現，在開采至160 m 的時候變化比較大。

煤層開采過程中，頂板圍巖沉降位移逐漸增大。隨著開采的深入，頂板圍巖出現沉降現象，且位移增大，開采至40 m 時，影響比較小，160 m 的時候影響較為明顯，從一開始的鼓包變成沉降，開采至320 m 的時候，直接頂板垮塌，下沉位移量逐漸穩定，開切眼一端至230 m 左右處，煤層采動位移場頂板位移量和沉降影響范圍均擴大，煤厚及傾角突變位置上覆巖層巖移量突然增大，整個巖移影響區形成“雙駝峰”狀分布。底板鼓起區域位移量較下沉量小，形成底部平坦的“碗底狀”［8］。

傾斜方向上，在煤層突變位置，底板鼓起十分嚴重，如圖7所示，隨著割煤的推進，工作面底邊鼓起量逐漸增大，在實際工程中表現為液壓支架承受支撐應力變大，可能會導致液壓支架破壞，傾覆等災害，進而引發動力災害，應引起注意。

在煤層頂板上方2 m處、煤層底板下方2 m處，分別布置觀測線，以研究采空區圍巖變化規律，得到的沿傾斜方向煤層頂板下沉量如圖8所示，傾斜方向煤層底板鼓起量如圖9所示。

煤層采空區的下沉是一個動態過程，在采空區中部出現最大下沉量。隨著傾向割煤的推進，位移影響范圍橫向和縱向均逐步增大，推進至80 m 后，z方向即豎直方向的影響范圍趨于穩定，不再增大，傾向影響范圍隨割煤進程的推進而繼續增加。煤層賦存厚度突變位置，頂底板變形量出現明顯的突然增加的現象，巖移的峰值出現在采高突變處的頂底板位置，隨著開采深入，采空區中部下沉持續，且范圍變大，開采至結束，出現整體下沉。從頂板位移橫向剖面圖可以看出，位移形成“O”型圈，中心部位下沉最明顯，并逐步向四周擴散，隨著遠離采空區中心，位移量逐漸減小。煤層開采直接影響到頂板位移場產生，受到采動影響，各個觀測點下沉現象變嚴重，切影響周圍區域，隨著開采深入，范圍逐漸變大，開采至120 m 的時候，位移變大的幅度開始減小，位移場也隨之保持基本穩定，整個過程來看，采空區中間部分的位移大，周圍的煤柱上方巖體位移比較小，位移如圖10和圖11所示。

由圖11可知，隨著開采的推進，底鼓的最大值出現在采空區中部，位移曲線圖呈現倒扣碗狀，由于采空區的兩端出現應力集中，巖體受到很高的應力擠壓，向下變形，所以兩端開切眼和開采前方煤壁出現向下的位移［9］。隨著采動加劇，下部的采空區頂板開始出現冒落，且下沉量逐漸變大，出現工作面左側下沉、右側鼓起的現象。開采至400 m 時形成頂板巖層“O”形下沉區域，如圖12 和圖13 所示。從圖12 可以得出，垂直位移曲線左右基本對稱，呈倒扣碗底狀形態。下部煤層的開采對底板上升位移起到增強的作用，但作用表現不如對頂板下沉作用明顯，但是由于多重采動影響下，采空區兩端煤柱上下方巖體應力集中區域的疊加，使得下部煤層采動對兩端煤柱及圍巖下沉作用明顯，隨著下部煤層的開采，煤柱及圍巖下沉量逐漸增大。從圖13 可以得出，煤厚突變區域底板鼓起量明顯高于其他區域，煤層厚度及角度突變變形明顯高于煤厚均勻區域，應重點關注，及時采取措施防治圍巖失穩或動力災害的發生。

3 工程實例

2007 年11 月12 日，平煤十礦己15-16-24110 工作面發生一起煤與瓦斯突出事故。與工作面位置對應的上部煤層已回采，下部煤層尚未回采，工作面標高-610～679 m，地面標高270～360 m，埋藏深度880～1 039 m。頂部入口至工作面50 架處，煤層頂部有構造煤，厚度0.6～1.2 m，突出點附近煤厚由之前的1.8 m突變至3.8 m，傾角由平均8°～10°增大到17°～23°，煤層層理與節理紊亂，煤噴出距離280 m，呈斜坡堆形，多為粉煤，粒度不均。風巷距切眼37 m 底板裂縫（3～250 mm），切眼向外21 m，頂板0～3 mm 裂縫，切眼向外，20 m有底鼓，切眼向外有多處圓木立柱壓斷。

風巷在支承壓力影響范圍內仍然具有沖擊危險，呈現如下規律：距工作面30m 以內的時候是有沖擊危險的，距工作面30 m 以外，則危險減弱，采煤工作面超前支承壓力峰值在10～20 m 處。風巷距煤壁6～7 m 是最大側向應力峰值區，機巷則在7 m 左右出現最大的側向應力值。在一定范圍內，硬質砂巖越接近煤層則沖擊危險越容易發生，煤越硬則煤的應力集中越明顯。

4 結 論

（1）由于煤層出現突然的厚度及傾角變化，局部煤層賦存狀態復雜，卸壓區域呈現出不同于其他厚度均勻區的礦壓顯現特點，整個采空區頂板卸壓范圍呈明顯的雙駝峰狀特征，且突變位置卸壓影響高度非常明顯高于其他位置。

（2）在煤層突變的位置，煤層工作面煤壁及圍巖出現卸壓區影響范圍突然擴大，煤壁的應力集中系數明顯變大。傾斜方向上，煤厚及傾角突變位置上覆巖層巖移量突然增大，整個巖移影響區形成雙駝峰狀分布。底板鼓起區域位移量較下沉量小，形成底部平坦的碗底狀，在煤層突變位置，底板鼓起十分嚴重。

（3）煤厚突變區域上覆及下伏巖層應力顯現和巖移量均明顯高于其他區域，說明該區域易蓄積能量成為動力災害及巖層失穩頻發區域，應重點關注，及時采取措施防止礦井安全事故的發生。