上保护层开采防突效果区域时空演化规律研究

郭怀广

（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳110016；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

在煤层群开采中，利用保护层采动作用产生的“卸压增透”效应来提高煤层透气性是最具有效的措施[1]。目前国内外广泛采用现场实测、实验室相似模拟和计算机数值模拟的方法，研究保护层开采后上覆煤岩层变化规律和被保护层的保护范围。孙培德、鲜学福等人应用瓦斯流的固气耦合理论对上保护层的保护范围进行了固气耦合分析，可动态地定量划分上保护层的保护范围[2]；王永秀等人针对华丰煤矿4号煤层冲击矿压灾害问题，应用FLAC软件模拟分析了6号保护层开采后4号被保护层的卸压效果[3]；石必明、俞启香等人基于岩石破裂损伤理论对远距离保护层开采动态发展过程进行了模拟，得出了覆岩破裂移动规律及随工作面推进时，被保护层应力、变形分布特征[4]；刘林利用三维离散单元法对上保护层开采后，底板煤岩体应力重新分布的规律、底板变形和破坏特征进行了数值模拟研究，从理论上计算了卸压范围向底板方向发展的深度，并得出了模型沿走向、倾向的最大卸压角[5]；刘泽功、涂敏等人数值模拟的方法研究了保护层开采上覆煤岩层变化规律，一致认为随着保护层采煤工作面向前推进，被保护层垂直变形呈现“M”型分布[6-7]；涂敏根据物理模拟试验，研究下保护层煤层工作面推进过程中，采动覆岩结构运动、采动裂隙动态演化与分布特征及被保护层煤层的应力变化和膨胀变形等规律[8]；郭世儒、田富超、孙国文等人研究了保护层开采后，覆（伏）岩应力、应变及岩层渗透特性的变化规律[9-12]。基于理论分析结合数值模拟的方法，通过研究上保护层开采后，伏岩应力、应变的区域时空分布，分析伏岩渗透特性变化规律，进而研究开采上保护层后，下伏岩层达到防突效果区域的时空动态演化规律。

1 伏岩应力应变区域空间演化理论分析

保护层开采使处于卸压区的伏岩发生膨胀变形、透气性增大、瓦斯出现非稳态解吸、瓦斯压力降低等变化，达到一定的防突效果。假设伏岩为均质的各向同性弹性体，结合弹性力学理论构建相应的力学模型，对模型求解，获得保护层开采过程中下方的伏岩应力应变分布特征。

1.1 伏岩内部应力分布理论分析

保护层工作面开采后，上覆岩层的自重转移，造成采空区边缘有较大的应力集中，根据弹性力学理论，建立支撑应力分布计算力学模型和保护层工作面开采后应力增量模型（图1），计算时将已开采部分应力增量看作均布载荷。

图1 应力增量计算简图

根据弹性力学理论，在分布力集度变化条件下，计算作用在均质各向同性半无限平面边界上的集中力p，作用在底板中任一点O引起的应力如下：

式中：σy为 y方向引起的应力，kN；σx为 x方向引起的应力，kN；K为应力变量系数；q0为y方向引起的原始应力，kN；L为工作面倾向长的1/2，m；S为超前支承压力分布范围，m；g为重力加速度，N/kg。

根据式（1）以及实际的工程模型相关数据，可得出伏岩区域不同空间位置对应的应力分布情况。

1.2 伏岩移动变形理论分析

上保护层开采后，伏岩出现卸压，发生变形破坏且向采空区方向移动，假定伏岩可为各向同性连续介质，满足弹性力学的相关条件。依据薄板挠度计算理论和最小势能理论，可得出薄板中面的挠曲w方程：

式中：q为对薄板施加的应力载荷；Lx为x方向薄板长度；Ly为y方向薄板长度；D为弯曲刚度。

代入工程模型：上保护层工作面长110 m，采高1.36 m，下被保护层煤层的厚度为3.28 m层间距为8.08 m；采用Matlab软件对方程进行解算，得到下被保护层应力分布特征，可得下被保护煤层最大变形量为82.7 mm。

1.3 上保护层开采伏岩渗透特征变化规律

煤层开采后，采空区周围出现应力降低区。对于承受均匀垂直刚性条带荷载的半无限刚塑性无重土地基，根据塑性理论可以得到其塑性滑移面，类似的认为工作面底板岩体在一定范围内处于塑性状态，极限状态下底板中塑性破坏示意图如图2。煤层开采后，在采空区周围的底板岩体上产生支承压力，当支承压力作用区域的岩体即图2中Ⅰ区所承受的应力超过其极限强度时，岩体会产生塑性变形，由于这部分岩体在垂直方向上受到压缩，在水平方向上必然会膨胀，膨胀的岩体挤压过渡区即图中Ⅱ区的岩体，并且将应力传递到这一区域。过渡区的岩体受到挤压后将继续挤压被动区即图中Ⅲ区的岩体，由于被动区上方为采空区，在主动区传递来的力的作用下，被动区的岩体受到拉应力，由于岩体抗拉强度极限远小于抗压强度极限，岩体将被破坏并向采空区内膨胀。

图2 塑性破坏示意图

区域Ⅰ和区域Ⅱ的岩体被压缩，因此，该区域内的煤岩体渗透率低，不能成为覆岩瓦斯涌出的裂隙通道。而被动区Ⅲ内的岩体，一方面，在拉应力的作用下被破坏并向采空区内膨胀，产生大量的垂直或斜交裂隙，为被保护层中的瓦斯进入保护层采空区提供通道；另一方面，保护层底板的岩体向采空区方向膨胀变形，被保护层的应力平衡状态被破坏，煤层产生卸压、膨胀，煤层透气性增强，煤层吸附瓦斯变为游离状态；通过对该部分卸压瓦斯进行抽采，可降低被保护层的瓦斯内能，达到防治其煤与瓦斯突出危险的目的。

2 伏岩区域时空渗透特性演化数值模拟

2.1 工程背景及模型建立

研究背景为贵州矿区某煤矿近距离煤层群开采，煤矿采用上保护层C5煤层作为保护层，保护下部的C6煤层。上保护层工作面长110 m，采高1.36 m，下被保护层C6煤层的厚度为3.28 m，层间距为8.08 m。进行数值模拟时，数值模型的上部采用应力边界条件，根据煤矿C5煤层的埋深，同时考虑到其真实地应力条件，模型上部施加的地应力为14 MPa；模型下部采用固定边界条件；四周采用滚动边界条件，施加的应力为10 MPa。

2.2 上保护层开采伏岩应力时空演化规律

数值计算模型长和宽均为400 m，在C5煤层中部位置开挖，模型两侧各留100 m煤柱。为了减少开采扰动，每次开挖距离为2 m，共开采200 m。通过Tecplot软件对数值模拟结果进行处理，获得了围岩水平应力分布图（图3）。

图3 保护层未开采、开采 40、80、120、150、180、200 m 时垂直应力和围岩水平应力分布图

从图3可以看出，保护层工作面未开挖时，各岩层的垂直应力基本上随着埋深的增大而增大，与自重和本身的密度有关；工作面开挖时，在切眼或停头位置和采空区围岩分别出现应力集中区和卸压区；当工作面开挖至 80、120、150、180、200 m 的过程中，开切眼和停头位置的应力集中系数持续增大，同时，随着保护层工作面的不断回采，下方煤岩体的卸压范围越来越大。此外，根据上述应力分布图还可以看出，随着保护层工作面持续推进，采空区后方的应力值也有所恢复。保护层工作面开挖200 m时，从图3中可以看出，保护层工作面开采后，围岩水平方向上应力也明显降低。

2.3 上保护层开采过程伏岩移动变形规律

保护层工作面开挖不同距离时，围岩z方向的位移矢量时空分布如图4。位移矢量图反映了岩层在不同方向的移动情况。保护层工作面开采过程中，由于采空区提供了卸压空间，随着开采的不断进行，围岩不断发生膨胀变形，采空区上部和下部的围岩向采空区方向移动，同时，切眼和停头位置四周的围岩向采空区方向发生水平移动。由于不同岩层的挠度不一致，在移动过程中，岩体内部不端出现损伤，造成了透气性系数也不断增大。

图4 保护层开采80、140、150、200 m时围岩z方向矢量时空分布

2.4 保护层工作面开采过程围岩位移变化

保护层工作面开采 40、80、120、150、180、200 m过程中垂直z方向上围岩位移时空分布如图5。从图5可知，随着保护层工作面的开采，围岩垂直方向的位移表现出明显的规律性：随着开采的进行，下伏围岩的垂直位移不断增大，保护层工作面下伏煤岩体的位移从0增大到80 mm，说明上保护层开采过程中，下伏煤岩体发生了明显的膨胀变形。

2.5 被保护层应力及移动变形分析

上保护层工作面开采 20、40、60、80、100、120、150、180、200 m时，数值模拟可获得被保护层煤体的应力分布数据，被保护层中部煤体的应力随保护层工作面开采过程中的应力变化规律如图6。工作面开采范围为100~300 m，从图6可以看出，被保护层工作面原始地应力越为16.3 MPa，随着保护层的开采，被保护层工作面出现原始应力区、卸压区、应力集中区；伴随着工作面持续推进，卸压区的范围逐渐增大，同时，原先处于应力集中区的煤体，随着保护层工作面的推进，会慢慢转化成卸压区；切巷和停头处存在应力集中，最大集中应力为35.3 MPa。

图5 保护层工作面开采 40、80、120、150、180、200 m围岩z方向位移时空分布

图6 保护层工作面开采不同距离时被保护层应力变化规律

保护层工作面开采不同距离时被保护层垂直位移变化规律如图7。从图7可知，随着保护层工作面不断推进，在围岩支撑应力和水平应力的综合作用下，被保护层煤体变形量较大，在开采过程中，其位移量从最初的几个毫米增大到80 mm，充分说明了保护层开采使被保护层煤体发生了充分卸压，从而煤体出现大的膨胀变形。

3 结论

1）根据弹性力学理论和薄板挠度计算理论建立了保护层开采后伏岩应力增量方程和薄板中面的挠曲方程，代入工程模型后得到被保护煤层最大变形量82.7 mm。

2）数值模拟结果表明保护层开采后，伏岩应力在垂直（水平）方向随保护层开采进度明显降低，消突卸压效果十分明显，随着开采进行，采空区后方被保护区域的应力有所恢复，说明区域防突卸压效果存在时效性和空间差异性。

图7 保护层工作面开采不同距离时被保护层垂直位移变化规律

3）数值模拟结果表明，在围岩支撑应力和水平应力的综合作用下被保护煤层最大变形量达到80 mm，与理论计算结果基本一致。