近距离煤层群初采阶段应力场分布与煤岩运移规律模拟分析

李川田 吴世跃 孙晓元 庞杰文

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024； 2.太原科技大学环境与安全学院，山西省太原市，030024)

受限于地质赋存条件的复杂性和多样性，煤层群开采的现象在我国诸多矿区普遍存在。就灾害防治与瓦斯利用的角度而言，煤层群中先行采出的煤层为保护层，后续回采的煤层为被保护层。按照保护层采动后能否与被保护层形成裂隙通道，煤层群又可分为近距离煤层群和远距离煤层群。近距离煤层群中保护层的回采不仅导致了载荷的重新转移与应力集中区和卸压带的出现，加剧了应力分布的复杂程度，同时导通的裂隙又成为被保护层瓦斯运移和泄放的主要通道，使得瓦斯涌出量明显增加，且这一现象在深部高瓦斯工作面回采时体现的尤为显著。研究表明，随着开采深度的增加，高瓦斯煤层群首采工作面瓦斯涌出量可达到90～120 m3/min，其中邻近层涌出比例超过了60%。因此，与远距离煤层群相比，近距离煤层群保护层回采时往往具有较大的危险性。

需要指出的是，近距离煤层群回采在给灾害防治提出挑战的同时，也给瓦斯抽采与利用带来了新的契机。煤层群开采恰恰是联合抽采及煤与瓦斯共采技术应用的关键领域。特别是在我国普遍存在瓦斯压力高、含量大、渗透率低和抽采难度大的情况下，利用保护层回采对被保护层进行人工增透已成为增大煤层透气性和抽放效率的重要手段。当前针对近距离煤层群开采的研究主要从理论分析、模拟试验、数值仿真和现场观测等角度展开。理论研究方面，程远平等提出利用保护层采动使上部和下部的煤层卸压，进而提高瓦斯抽采效率，并以此为依据确立新庄孜矿煤层群的开采顺序；朱涛等提出极近距离煤层开采时的下层煤“散体-块体”顶板结构模型，揭示了极近距离煤层开采时下层煤采场端面的顶板冒落机理。实验室研究主要围绕相似模拟展开，严国超等构建了极近距离薄煤层群联合开采的常规错距开采模型，并验证了常规错距计算公式的准确性；鞠金峰等利用相似模拟分析出了上部倾向煤柱时的动载矿压机理；程志恒等试验模拟了保护层与被保护层双重采动影响下围岩应力-裂隙分布与演化特征；周楠等试验模拟了下煤层开采工作面采场覆岩构成的“块体-散体-块体”复合老顶结构, 并分析了矿压显现规律。数值仿真方面，张百胜等研究了煤柱支承压力在底板的分布规律；方兴秋等分析了近距离煤层群开采过程中上层煤采空区和遗留煤柱对下层煤回采巷道的影响；王泳嘉等分析了上下层工作面的合理错距；程志恒等利用FLAC3D仿真软件确定了沙曲矿近距离煤层群巷道的布置参数。现场测试方面，李川田等研究了屯兰矿采煤工作面底板瓦斯超限的机理；刘新河等分析了郭二庄矿近距离煤层两工作面同时开采时的合理错距范围；刘洪涛等则采用窥视统计的手段，结合分形理论揭示了六家煤矿6煤组近距离煤层群岩体碎裂尺度及均匀度对裂隙分形特征的影响，指出在其裂隙分维值与块度分维值密切相关，块度分维值越接近2，则煤层群裂隙网络越发育。

通过上述分析可知，许多学者从不同角度针对近距离煤层群开采进行了大量的研究，也取得了丰硕的成果。但是，当前对于近距离煤层群开采展开的研究主要集中于正常回采阶段，针对初采阶段煤层群开采进行探讨的文献较少。实际上，矿井正常回采时工作面采动裂隙发育及孔隙流压明显降低的上边界高度可达145 m，但煤层群初采阶段竖向上不能达到如此大的范围。所谓初采阶段，是指工作面从切眼开始推进到老顶初次垮落，瓦斯涌出不稳定的一段距离范围的推进时间。在初采阶段，采空区煤体尚未完全冒落，回采工作面承受上覆煤岩体悬臂梁作用，开切眼附近裂隙带横向范围约等于整个工作面长度，纵向范围大于初始来压步距和两倍周期来压步距之和，竖向范围则较小。与正常回采期相比，煤层群开采的初采阶段上覆煤岩层移动、矿压显现及瓦斯涌出规律等均具有特殊性。所以，开展针对煤层群初采阶段采场应力场分布及煤岩运移规律的分析是研究矿井围岩控制及裂隙演化规律的基础理论，具有重要的理论意义与应用价值。

煤层群开采现象在华北晚古生代盆地南带的下二叠山西组和下石盒子组中体现的较为显著，华晋焦煤集团沙曲煤矿就属于典型的近距离煤层群开采矿井。在当前的+400 m一开采水平中，分布有二叠系山西组2#、3#、4#和5#煤层。其中，3#煤层和4#煤层由于在24207等北翼工作面距离过近(100 mm)，往往被合并开采。此外，上覆2#煤层距离3～4#煤层不足15 m，下部5#煤层距离3～4#煤层仅5.5 m。因此，在3～4#煤层作为保护层的24207工作面采掘时，存在明显的一层开采、多层卸压的现象，煤岩卸压使煤层原始透气性系数得到数十倍至数百倍的提高。特别是24207工作面初采阶段，采动影响下的上下煤岩层的力学行为导致其裂隙发育、扩展直至破坏，从而为瓦斯运移形成通道，使得工作面瓦斯涌出量大，涌出不平衡及瓦斯超限现象频发，给瓦斯治理及安全生产提出了技术难题。鉴于采动围岩应力分布及裂隙演化具有系统性、复杂性及现场不可视性等特点，本文以华晋焦煤沙曲矿24207回采面为工程背景，借助FLAC3D数值模拟软件进行系统仿真，探索煤层群初釆阶段的应力场分布和煤岩运移规律。该研究成果将有助于完善采煤工作面初采阶段煤岩细观力学行为规律的探索，并将为高瓦斯近距离煤层群初釆阶段的瓦斯防治理论研究提供依据和技术支撑。

1 仿真模型构建

24207工作面为沙曲矿北二采区沿煤层倾向布置的长壁式回采工作面，采用一次采全高、倾向长壁后退式跟顶跟底全部垮落的综合机械化采煤方法, 开采3～4#合并煤层。煤层平均厚度约4.6 m，平均埋深约500 m，回采初期工作面长度220 m。24207工作面及上下煤岩层基本情况见表1。

根据表1中列举的参数，利用FLAC3D模拟软件建立仿真模型，竖向高度为40.87 m。由于开切眼附近的24207工作面长度为220 m，为充分探究回采后采空区周围煤柱的应力场分布情况，模型横向和纵向宽度均设定为300 m，由此所构建的基本模型含有35100个网格和38440个节点，具体的仿真模型及网格划分如图1所示。

图1 仿真模型及网格划分情况图

在FLAC3D建模过程中，为了便于计算，对煤岩介质性质、矿山地质条件、受力条件、采煤工艺等都进行了假设。工作面采用一次开挖完成的形式进行模拟，计算时暂不考虑与时间相关的其他物理量，同时假定工作面及其上下煤岩层均为符合摩尔-库伦弹塑性模型的介质。

2 仿真模拟结果初步分析

根据采空区顶板移动规律，回采初期采空区煤体尚未完全冒落，整个采空区基本属于离层区范围。裂隙带沿纵向和横向无重新压实区，回采工作面承受上覆煤岩体悬臂梁作用，开切眼附近裂隙带横向范围约等于整个工作面长度，纵向范围大于初始来压步距和两倍周期来压步距之和。结合沙曲矿的实际情况，确定24207回采面初采期的横向范围为220 m，纵向范围为80 m。本文分别研究未开采及开挖至10 m、30 m、50 m和70 m时的位移场和应力场分布情况，同时模拟出各阶段的煤岩体塑性区分布情况。

2.1 未开挖时的模拟结果分析

研究表明，在深度25～2700 m范围内，垂直应力基本呈线性增长，由此计算得出的数值与平均容重27 kN/m3计算得出的自重应力大致相当。由于24207工作面平均埋深约500 m，由此可知其上覆煤岩体所承载的近似竖向均布载荷为13.5 MPa。在上述载荷下，仿真模型出现位移变化，利用Tecplot后处理程序，此时其位移场和应力场如图2所示。

图2 未开挖时的应力场和位移场切片图

由图2可知，当载荷施加后，仿真模型产生位移变化，最大位移量为75 mm。由于模型竖向高度为40.87 m，在上覆载荷和模型重力场的综合作用下，模型底部出现最大载荷区，最大应力值为14.35 MPa，模拟值与计算值基本相同，这也从侧面验证了模型的正确性。

2.2 开挖10 m时的模拟结果分析

24207工作面回采10 m后的应力场、位移场和塑性区分布情况如图3所示。工作面开挖10 m仿真模型沿中轴线纵剖面的应力场分布如图3(a)所示。为充分探究初采阶段围岩应力场分布情况，回采面开切眼距离模型边界也保留40 m，从而首次开挖的x轴坐标为250～260 m。鉴于此，特选取x=250 m和x=255 m的横向切片来分析回采10 m时采场及采空区两处的应力场分布情况如图3(b)和图3(c)所示。对比分析应力场和位移场图可知，与采场断面相比，采空区附近的应力场更为复杂，具体表现为当3～4#煤层开挖之后，采空区上下煤岩体的应力均呈现出向采空区方向降低的变化规律，甚至出现应力值低于未开挖时原始应力值的情况，表明此时采空区上下存在煤岩体应力的泄放过程。与此同时，采场两端应力呈现出向支撑煤岩体端头中部逐渐升高的现象，即在两端形成应力集中区，峰值应力值达到16 MPa。上述分析结果表明，当采煤工作面开挖之后，部分煤体被采出，原本由该部分煤体承载的应力场向周围介质转移，进而使开挖工作面上下煤岩体的应力向采出空间释放，同时在回采面的遗留煤柱范围内产生应力集中区。上述过程是工作面回采后载荷转移和应力场重新分布的重要体现。

与应力分布情况相类似，24207工作面回采10 m后的仿真模型各层位位移也呈现一定的规律性。位移场纵向局部切片如图3(d)所示。由图3(d)可以看出，随着采空区的形成，上覆煤岩层开始下沉，同时底板及下部煤岩层位向上移动，采空区上下煤岩体开始产生离层裂隙。在此阶段，底板煤岩应力及位移变化较上覆煤岩的变化较小。这一变化规律与应力场的变化规律是对应的，均为载荷转移和应力场重新分布的结果。此外，由图3(e)所示的采场处塑性区横向切片图可知，此时所有单元的塑性区均处于past状态，因此可认为该面在荷载作用下模型仍然处于弹性变形阶段，模型尚未形成破坏。

图3 开挖10 m时的仿真模拟结果

2.3 开挖30 m时的模拟结果分析

24207工作面回采30 m后的应力场、位移场和塑性区分布情况如图4所示。对比分析图3(a)与图4(a)可知，开挖至30 m时，采空区上覆煤岩体的应力得到进一步下降，变化趋势相同，但较开挖10 m时的应力值小，表明此时煤岩体应力的泄放过程仍在进行。泄放的载荷持续向两侧转移，使应力场纵向切片(y=150 m)和横向切片(x=245 m)处的最大峰值应力均出现在采掘空间两端，分别为开挖10 m时的1.45倍和1.2倍。

图4 开挖30 m时的仿真模拟结果

24207工作面回采30 m后的仿真模型各层位的位移与应力场变化也表现出一定的相关性。对比图3(d)和图4(c)可知，两端应力集中区位移变形加剧，并沿应力卸放区的方向由水平位移向竖向位移发展。开采30 m后，回采面正上方处于较高位置的部分煤岩体产生较大形变，但这一形变位移在某类岩层的特殊作用下并未向下有效地传递，从而使工作面直接顶的位移下降有所减少。结合图4(d)的塑性区分布结果可知，这一特殊岩层实际上就是煤矿开采中的主关键层。弹性模量较大，强度较高，厚度较大的细砂岩和中砂岩(模型第9层和第10层)满足主关键层的特性，并以平板梁的形式承载着上覆岩层，对岩层运移起控制作用，减缓了其位移速率。

2.4 开挖50 m时的模拟结果分析

24207工作面回采50 m后的应力场、位移场和塑性区分布情况如图5所示。由图5(a)可以看出，随着回采进尺的增加，采场上方覆岩的应力转移趋势愈加清晰，支承压力峰值继续下降；同时煤壁处的应力集中程度也更为明显，其峰值(36 MPa)已达到开挖30 m时的1.6倍，是初始地应力水平的2.57倍。

与图4相比，开挖进尺50 m时的采场空间上覆岩层运移情况产生了较大变化，各点的位移量均显著增加，最大值由140 mm增大到340 mm，增幅近150%，离层裂隙充分发育，两端应力集中区的竖向位移也明显加剧。在该阶段，采空区上覆煤岩体的离层裂隙和竖向裂隙都得到了充分发育，为邻近层瓦斯的运移提供了有效通道。在此过程中，以细砂岩和中砂岩为主体的关键层仍对上覆岩层的运移起主导作用，此时该区段岩层正位于屈服面上，处于塑性流动的状态。

图5 开挖50 m时的仿真模拟结果

2.5 开挖70 m时的模拟结果分析

24207工作面回采70 m后的应力场、位移场和塑性区分布情况如图6所示。由图6(a)可以看出，与其他开挖进尺类似，回采面控顶距内上部仍为应力泄放区，载荷均转移到煤壁周边，其峰值载荷达到50 MPa，为初始地应力的3.57倍。

与此同时，回采面上覆煤岩层的竖向位移也在不断增加，其位移峰值甚至达到了5 m，已经超过了3～4#煤层的采高。这种仿真结果和实际情况存在着较大出入。究其原因，FLAC软件是基于连续介质及有限差分原理提出的，在地质材料达到强度极限或屈服极限前的地表移动或开采沉陷等大变形仿真中具有较大的优势。当变形增加到一定值后，煤岩断裂将变得不可避免，此时基于连续介质和有限差分原理的FLAC3D将不再适用，这一点在图6(c)的塑性场分布规律中得到印证。这也说明当24207工作面回采至70 m时，初釆期已经结束。

图6 开挖70 m时的仿真模拟结果

3 监测点应力与位移演化曲线分析

上述的仿真分析主要围绕云图模拟结果来展开，云图可以较好地反映同一时刻煤岩体不同位置的应力场和位移场分布规律，但不能反映煤岩体同一位置随开挖时步和进尺的应力—位移变化规律。为充分探讨3～4#煤层回采工作面开挖后仿真模型

中相邻煤层的应力及位移演化规律，在3～4#煤层回采工作面开切眼的上覆2#煤层和下伏5#煤层中开始布置第一个监测点，每隔10 m处布置第二个监测点，然后每隔20 m布置一个监测点，各煤层分别布置5个监测点，如图7所示。

图7 仿真模型纵剖面监测点布置图

由图7可以看出，上部2#煤层各监测点从切眼位置开始分别命名为1、2、3…，同时下部5#煤层各监测点分别命名为1'、2'、3'…，分别记录各点应力值和位移值的演化情况。由于FLAC3D在进行应力和位移场分析时，默认压应力为负，拉应力为正值，同时竖向方向的位移以向下沉降为负，以向上隆起为正。结果显示，上覆2#煤层各监测点的应力值和位移值均为负值，为了便于对比分析，将所有监测值取其绝对值。但下部5#煤层监测点的应力值和位移值包含正、负值，故仅对原数据值进行分析，将不同回采进尺情况下各监测点的应力和位移参数绘制分别如图8和图9所示。

图8 不同开挖进尺时上覆煤层监测点分析结果

由图8可知，在3～4#煤层初釆阶段，随着回采工作的不断推进，上覆2#煤层各监测点的竖向应力和位移绝对值演化规律为：开挖30 m时应力峰值出现在监测点4(距开切眼50 m)和监测点5(距开切眼70 m)，而最小应力值点为监测点2(距开切眼10 m)；开挖50 m时应力峰值出现在监测点4(距开切眼50 m)。由于煤层的开挖，采场上方产生明显的应力泄放区(<50 m)，造成其应力值下降，甚至低于未开挖时的原始应力值，同时载荷开始向采场两端煤柱转移，进而在两端面形成应力集中(监测点1和4)，从而形成压力拱效应。

由于FLAC3D仅能描述连续介质的应力和位移变化规律，且在初采阶段采场上方煤岩层并未出现明显的破断，因此虽然2#煤层出现压力拱效应，其位移仍严格遵循两端约束，属于整体承载的简支梁模型。开挖<50 m范围内，2#煤层各监测点位移量变化平稳，位移量最大值小于2 m；从50 m开始，各监测点位移量突然增加，开挖70 m左右时，位移量达到5 m的峰值；且临近采场上方中部的监测点3(距开切眼30 m)始终为位移峰值处，这一点与其最小应力值形成了鲜明对比，因此可以确定3～4#煤层初釆阶段是从切眼回采至接近70 m的范围。

图9 不同开挖进尺时下伏煤层监测点分析结果

由图9可知，与上覆2#煤层的应力和位移演化趋势相近，下部5#煤层随着回采工作面开挖进尺的增加，采场下方煤体应力随之泄放，载荷向两端煤柱转移。不同之处在于，采场中部(2'和3'监测点)应力变化更为明显，甚至出现了由负值(压应力)向正值(拉应力)的转化，同时产生了部分监测点的隆起，从而形成反向压力拱效应。3～4#煤层底板产生底鼓现象，同样为下部煤层瓦斯向上邻近回采工作面涌出提供有效通道。

4 结论

(1)在近距离煤层群初采阶段，由于大面积煤岩体断裂尚未发生，所以，借助FLAC3D岩土力学分析软件可较好地描述初采阶段采场邻近煤岩层的应力场分布特征与运移规律，从而为采动作用下邻近煤岩层裂隙演化规律研究提供了一种可行的研究方法，为现场初釆阶段瓦斯抽采设计提供科学依据。

(2)在近距离煤层群初采阶段，形成应力卸放区和集中区，即随着回采工作面的推进，采场上下煤岩体中部存在明显的应力泄放过程，上覆煤岩层呈现出压力拱效应，下部煤岩层同步形成反向压力拱效应，形成了应力卸放区，随着推进度的不断增加该区域也逐渐形成了瓦斯富集区；同时释放载荷向采场两端煤柱转移，采场两端应力呈现出向支撑煤岩体端头中部逐渐升高的变化规律，即在两端形成了应力集中区。

(3)对比分析图3(d)、图4(c)和图5(b)可以得出，随着工作面的不断推进，采场煤岩体的位移场分布整体上呈现出邻近煤岩体向采出空间移动的规律，随着推进度的增加，位移等值线由水平向竖向变化且梯度增大。这说明采场上下煤岩体离层裂隙发育，采场两端煤岩体随着推进度的增加竖向裂隙逐渐发育，最后形成贯通裂隙，同时为邻近层瓦斯向采空区运移提供了有效通道。

(4)3～4#煤层回采工作面邻近层位移峰值处往往也是最小应力值点，并在采场空间中部伴随顶板下沉以及底板隆起与底鼓现象的产生。

[1] 陈炎光，徐永圻. 中国采煤方法[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1991

[2] 杨起，韩德馨. 中国煤田地质学(上册，煤田地质基础理论)[M]. 北京：煤炭工业出版社，1979

[3] 袁亮. 低透气煤层群首采关键层卸压开采采空侧瓦斯分布特征与抽采技术[J]. 煤炭学报，2008(12)

[4] 马国强，陈如忠，崔刚等. 近距离突出煤层群上保护层瓦斯综合治理技术[J]. 煤炭科学技术，2015(3)

[5] 付帅，吕平洋，王嘉鉴等．近距离松软煤层群高位钻孔瓦斯抽采技术研究[J]．煤炭科学技术，2016(11)

[6] 谢和平，高峰，周宏伟等. 煤与瓦斯共采中煤层增透率理论与模型研究[J]. 煤炭学报，2013(7)

[7] 程远平，俞启香. 煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用[J]. 中国矿业大学学报，2003(5)

[8] Wang H，Cheng Y，Yuan L. Gas outburst disasters and the mining technology of key protective seam in coal seam group in the Huainan coalfield[J]. Natural Hazards，2013(2)

[9] 朱涛，张百胜，冯国瑞等. 极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制[J]. 煤炭学报，2010(2)

[10] 严国超，胡耀青，宋选民等. 极近距离薄煤层群联合开采常规错距理论与物理模拟[J]. 岩石力学与工程学报，2009(3)

[11] 鞠金峰，许家林，朱卫兵等. 近距离煤层工作面出倾向煤柱动载矿压机理研究[J]. 煤炭学报，2010(1)

[12] 程志恒，齐庆新，李宏艳等. 近距离煤层群叠加开采采动应力-裂隙动态演化特征实验研究[J]. 煤炭学报，2016(2)

[13] 周楠，张强，安百富等. 近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究[J]. 中国煤炭，2011(2)

[14] 张百胜，杨双锁，康立勋等. 极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨[J]. 岩石力学与工程学报，2008(1)

[15] 王泳嘉，陶连金，邢纪波. 近距离煤层开采相互作用的离散元模拟研究[J]. 东北大学学报自然科学版，1997(4)

[16] 程志恒，齐庆新，孔维一等. 近距离煤层群下位煤层沿空留巷合理布置研究[J]. 采矿与安全工程学报，2015(3)

[17] 李川田，郭勇义，张福勤等. 近距离煤层群底抽巷瓦斯抽采实验研究[J]. 中国煤炭，2012(4)

[18] 刘新河，于海洋，周奕朝等. 郭二庄矿近距离煤层同采合理错距研究[J]. 中国煤炭，2012(4)

[19] 刘洪涛，赵志强，张胜凯等. 近距离煤层群围岩碎裂特征与裂隙分布关系[J]. 煤炭学报，2015(4)

[20] 袁亮，郭华，沈宝堂等. 低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体[J]. 煤炭学报，2011(3)

[21] 游浩，李宝玉，张福喜. 阳泉矿区综放面瓦斯综合治理技术[M]. 北京：煤炭工业出版社，2008

[22] 杨起，韩德馨. 中国煤田地质学(下册，中国聚煤规律)[M]. 北京：煤炭工业出版社，1980

[23] 钱鸣高，茅献彪，缪协兴. 采场覆岩中关键层上载荷的变化规律[J]. 煤炭学报，1998(2)

[24] 刘玉成. 煤层开采地表移动过程的FLAC3D模拟研究[J]. 煤炭科学技术，2012(5)

[25] 谢和平，周宏伟，王金安等. FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析[J]. 岩石力学与工程学报，1999(4)

[26] 夏均民. 大采高综采围岩控制与支架适应性研究[D]. 山东科技大学，2004