煤柱影响下被保护层开采应力演化特征数值模拟研究

刘宜平，朱恒忠，殷帅峰

(1.安徽省皖北煤电集团有限责任公司，安徽 宿州 234000；2.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；3.华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 065201)

煤与瓦斯突出矿井开采过程中，瓦斯爆炸、瓦斯突出等灾害严重威胁矿井安全高效生产[1]。瓦斯抽放、松动爆破、水力压裂和煤层注水等防治瓦斯灾害的措施已经得到了大范围推广应用[2-5]。保护层开采作为防治瓦斯突出的措施之一，尤其适用于煤层群开采。为阻隔采空区积水、保护建筑物和地表重要基础设施，有些工作面开采时必须留设煤柱。煤柱留设会造成应力集中并引起集中应力的传播，极易形成应力集中区，诱发瓦斯突出[6，7]。以往学者综合运用理论分析、现场实测和数值模拟等手段就煤柱稳定性、煤柱强度、煤柱尺寸设计及失稳机理进行了大量研究。针对保护层开采，学者们从煤岩体变形、瓦斯渗流、裂隙发育等视角详细探究了保护层开采后的卸压效果[8-12]。然而，目前关于留设煤柱对被保护层开采时应力分布影响的有关成果鲜有报道。留设煤柱直接影响到被保护层的保护范围划分、保护效果考察及防突措施的针对性选择。本文重点运用FLAC3D数值模拟方法，采用应变软化模型，系统研究被保护层开采过程中支承压力的动态变化规律、应力重分布规律，以期为煤柱影响的被保护层保护范围划定及针对性防突措施提供理论依据。

1 工程背景

1801工作面位于良村煤矿西段，主采C8煤，工作面走向长约248m，倾向长225m，埋深为235～460m。该区域地址构造简单，煤层赋存稳定，煤层厚度为1.85～2.10m，平均为2.02m。C8煤层上距C5煤层的距离约为23.55m，下距C12煤层的距离约为16.48m。C8煤层顶板为细砂岩，底板为粘土岩。根据C5、C8、C12煤层的突出鉴定结果，C8煤层突出危险性最大。因此将C5与C12煤层作为C8煤层的保护层，采用上行式开采，先开采C12煤层、其次C8煤层、最后C5煤层。但由于1801工作面下覆C12煤层在开采过程中为满足巷道部署需求，留设了18#上山保护煤柱，使得1801工作面部分区域未受保护，重点考察此C12煤层上山保护煤柱对1801工作面开采时的应力分布特征，用于指导安全生产。

2 数值模型的建立

采掘扰动会诱发煤岩体变形和自身强度的降低。煤岩体在破坏之前经历了应变软化阶段，可定义为一种弹塑性体。前人研究经表明，采用应变软化模型进行数值模拟计算，结果更符合现场实际[13-15]。以1801工作面为原型，模型长360m、宽260m、高150m，共划分65520个网格和70596个节点，模型四周固定水平位移、底部固定垂直位移，如图1所示。煤岩体物理力学参数见表1。其中煤层C12、C8、C7和C5的厚度分别为1.3m、2m、1m和1.5m。

图1 数值计算模型

表1 煤岩体物理力学参数

3 数值模拟结果分析

3.1 被保护层开采过程中的支承压力动态变化

受采掘扰动影响，工作面前方煤岩体的应力重新分布。在支承压力的影响下，工作面煤壁前方的煤岩体将会产生裂隙，进而促进瓦斯流动[16]。因此，需要探究被保护层开采过程中的支承压力动态变化，为瓦斯防治提供理论依据。被保护层在推进20m、40m、60m……280m时的支承压力变化如图2所示。保护层开采后，被保护层工作面除煤柱影响区外，整体处于卸压状态。被保护层工作面前方的支承压力值很小，但煤柱影响区的支承压力值较大。当被保护层工作面推进至20m时，工作面靠近煤壁处的支承压力值为0.52MPa，煤壁前方5m处的支承压力达到1.69MPa，此后工作面煤壁前方25m处的支承压力值降低至0.2MPa。然而，随着逐渐远离工作面煤壁，支承压力曲线在煤柱影响区呈迅速上升态势。支承压力在工作面前方120m处上升至6.74MPa，而后在工作面前方170m处迅速下降至0.14MPa。当被保护层工作面分别推进40m、60m和80m时，支承压力峰值和影响范围相应地降低和缩小，主要原因是随着采空区面积不断扩大，其卸压区域也相应地扩大。

图2 被保护层工作面不同推进阶段时的支承压力动态变化

当被保护层工作面推进140m时，支承压力迅速上升至9.9MPa(原岩应力的1.25倍)。此时的被保护层工作面推进位置恰好处于煤柱影响区，支承压力因受煤柱产生的高集中应力影响，支承压力曲线呈快速上升态势。当被保护层工作面推进160m时，支承压力峰值快速降低至4.5MPa(原岩应力的0.56倍)。支承压力高梯度使得煤岩体更易破裂，进而瓦斯更易释放流动[17]，因此，瓦斯抽放钻孔应在此阶段提前布置，防止工作面瓦斯超限。

被保护层工作面分别推进20m、140m、160m和260m时的支承压力分布如图3所示。当被保护层工作面推进20m时，煤壁后方20m范围内的煤岩体处于拉伸状态。煤壁前方10m处，支承压力曲线呈迅速上升态势且煤岩体整体处于压缩状态。煤岩体力学状态的迅速改变，会造成大量瓦斯涌出。因而此时为防止瓦斯积聚超限，应采取采空区瓦斯抽放和工作面加强通风等措施。煤壁前方90m处，沿铅垂方向的支承压力迅速增大至7.5MPa且应力曲线表现为单峰状态。而沿水平x方向的支承压力曲线表现为双峰状态，沿水平y方向的支承压力曲线却表现为单峰状态。当被保护层工作面分别推进140m和160m时，被保护层采空区由于保护层开采的卸压效应处于卸压状态。然而，被保护层工作面因受煤柱的影响，煤柱影响区整体处于高应力状态。

图3 被保护层工作面分别推进20m、140m、160m和260m时的支承压力变化

3.2 被保护层开采过程中的应力动态变化

3.2.1 沿工作面走向方向的应力动态变化

被保护层工作面开采后，保护层卸压利于瓦斯的流动和释放，但被保护层工作面留设了10m煤柱，将重点考察煤柱对被保护层沿工作面走向方向的应力动态变化。保护层上方2.5m、8m、11m、15m、17.8m、26m和40m处的监测点布置如图4所示。保护层上方不同层位的应力变化如图5所示。被保护层工作面开采完毕后，除煤柱影响区表征为应力集中状态外，采空区整体处于卸压状态。总体规律为距离保护层的层位越高，垂直应力越小。当层位与保护层工作面距离为0m时，煤柱影响区的应力峰值为26MPa(原岩应力的1.73倍)；当层位与保护层工作面距离为26m时，煤柱影响区的应力峰值为6MPa(原岩应力的0.83倍)。表明当层位与保护层工作面的距离大于26m时，被保护层工作面的应力分布基本不受煤柱的影响。这就意味着当保护层与被保护层的层间距小于26m时，相关卸压措施必须落实到位。

图4 保护层上方不同层位的监测点布置示意图

图5 保护层上方不同层位的垂直应力曲线

保护层工作面上方2.5m、8m、17.8m和26m处的应力变化，如图6所示。当距离保护层工作面2.5m时，煤柱影响区的应力曲线表征为单峰形态，沿x、y和z方向的应力峰值分别为原岩应力的3.14倍、2.29倍和2.32倍；当距离保护层工作面8m和17.8m时，沿y和z方向的应力曲线依然表征为单峰状态，而沿x方向的应力由此前的单峰状态转变为双峰状态；当距离保护层工作面8m时，沿y方向的应力峰值降低至1.24MPa。这表明沿y方向的应力开始释放，因为此影响因素，瓦斯将会沿工作面倾向流动涌出；当距离保护层工作面26m时，沿x、y和z方向的应力集中系数为0.08、0.54和0.58，表明当层间距大于26m时，被保护层工作面将完全处于卸压状态，这与上节分析结果一致。

图6 保护层上方2.5m、8m、17.8m和26m处的应力变化曲线

3.2.2 沿工作面倾向方向的应力动态变化

在保护层工作面上方11m处，沿保护层工作面倾向，每间隔10m布置1条监测线，共计13条，如图7所示。保护层工作面上方11m处的垂直应力曲线(沿被保护层工作面倾向)，如图7(a)所示。当监测线距煤柱为0m时，可知垂直应力值为9.17～10.77MPa(原岩应力的0.9～1.05倍)沿被保护层工作面倾向50～70m和190～210m属于利于瓦斯抽放的应力降低区。瓦斯抽放钻孔应布置在此区域，以减弱或消除煤层突出危险性。随着监测线与煤柱的距离不断增加，垂直应力呈逐步降低态势。例如，当监测线与煤柱的距离为10m时，垂直应力为压应力，其值降低至2.28MPa；当监测线距煤柱的距离为80m时，垂直应力由压应力转变为拉应力，最小值为0.21MPa。说明煤柱产生的应力集中区仅局限于局部区域。

图7 保护层上方垂直应力分布(沿被保护层工作面倾向)

保护层工作面上方不同层位的垂直应力分布(沿被保护层工作面倾向)如图7(b)所示。垂直应力曲线以被保护层工作面倾向中轴对称，垂直应力随着层位距煤柱距离的增加而逐渐降低，当此距离为0～11m时，垂直应力迅速降低，其值由37.8MPa降低至16.46MPa；当此距离为17.8m时，垂直应力接近于原岩应力；当此距离大于26m时，此层位的垂直应力表现为应力卸压状态，其值小于原岩应力，有利于瓦斯抽放。通过上述分析，可知大直径钻孔、水力压裂、二氧化碳预裂爆破等卸压措施应重点在距保护层上方层位26m以内的区域实施。

3.2.3 沿工作面铅垂方向的应力动态变化

沿工作面铅垂方向，每间隔5m布置1条监测线，共布置9条监测线用于考察保护层工作面留设30m煤柱时的垂直应力动态变化。距煤柱中心不同距离处的垂直应力曲线(沿工作面铅垂方向)如图8所示。当距离为0m、5m、10m和15m时，煤柱影响区的垂直应力分布表征为应力集中状态，最大值为29MPa；当距煤柱中心距离为0～5m时，煤柱影响区的垂直应力曲线为双峰状态；当距煤柱中心距离为10～15m时，煤柱影响区的垂直应力曲线由双峰状态改变为单峰状态。与10m和15m比较而言，当距煤柱中心距离为0m和5m时，煤柱影响的应力集中区范围较广但峰值相对降低。当距煤柱中心距离大于20m时，煤柱影响区的垂直应力表征为卸压状态；距煤柱中心距离越大，煤柱影响的卸压区范围越广。

图8 距煤柱中心不同距离的垂直应力曲线(沿工作面铅垂方向)

由图8可知，位于原岩应力曲线之上的区域称之为应力升高区，而位于原岩应力曲线下方的区域称之为应力降低区。当距煤柱中心距离为0m、5m、10m和15m时，煤柱影响区的垂直应力表征为应力集中状态，其值远大于原岩应力。沿铅垂方向的84～107m(保护层底板以下12m至顶板之上11m)，此区域称之为应力完全升高区；沿铅垂方向的20～84m(保护层顶板之上11m至75m)和107～150m(保护层底板以下12m至55m )，此区域称之为应力逐步升高区；沿铅垂方向的0～20m(保护层顶板之上75m至95m)，此区域的垂直应力非常接近于原岩应力，将其称之为原岩应力区。当距煤柱中心距离为20m、25m、30m、35m和40m时，垂直应力表征为卸压状态。沿铅垂方向的82～118m(保护层底板以下23m至顶板之上13m)，将此区域称之为应力完全降低区；沿铅垂方向的20～82m(保护层顶板之上13m至75m)和118～150m(保护层底板以下23m至55m)，将此区域称之为应力逐步降低区；沿铅垂方向的0～20m(保护层顶板之上75m至95m)，此区域的垂直应力非常接近于原岩应力，将其称之为原岩应力区。通过上述分析，瓦斯抽放钻孔应当布置于应力完全降低区。

4 工程实践

4.1 现场实测

现场在该矿1801工作面回风巷布置了12个钻孔，用于测量C8煤层的瓦斯含量、钻孔流量衰减系数。钻孔间距为20m，瓦斯含量测定钻孔长度大于15m，测量数据见表2。根据钻孔布置位置，钻孔8-5、8-6和8-7布置于煤柱影响区。由表2可知测定的瓦斯含量最大值为12.4832m3/t、最小值为3.3488m3/t。C12煤层作为被保护层开采后，1801工作面的瓦斯突出危险性被消除(除煤柱影响区之外)。煤柱影响区内的瓦斯含量平均值为10.3482m3/t，同时在钻孔8-7取样过程中，煤体内听见三声煤炮声。就钻孔瓦斯流量衰减系数而言，钻孔8-5、8-6和8-7的瓦斯流量衰减系数平均值为0.0217d-1，远小于其他钻孔的测定值。说明煤柱影响区仍具有突出危险性。因此应将煤柱影响区作为重点瓦斯防治区。

表2 C8煤层瓦斯含量和钻孔流量衰减系数的实测结果

4.2 瓦斯突出防治分区策略

通过分析煤柱影响下被保护层应力分布特征可知，煤柱对被保护层的保护效果产生了重要影响。沿被保护层工作面走向方向，可被划分为原岩应力区、卸压区和应力集中区。沿被保护层工作面倾向方向，可被分为原岩应力区、应力逐步升高区和应力完全升高区，同时也可被分为原岩应力区、应力逐步降低区和应力完全降低区。综合瓦斯含量测量结果与应力场分布规律，被保护层工作面被分为煤柱影响区、煤柱影响扩界区和卸压区。根据分区针对此情况，提出了瓦斯突出防治的分区策略：

1)保护层开采过程中，确实需要留设煤柱时，需要准确地在采掘工程平面图标注煤柱的位置。根据被保护层与保护层的层间距和卸压角，准确划分煤柱的影响范围。同时根据瓦斯涌出的动态变化，及时划定和调整煤柱影响区范围。

2)卸压措施应重点在煤柱影响区实施，加大卸压钻孔和瓦斯抽放钻孔的密度，以完全消除煤柱对被保护层的影响；同时可将水力压裂和煤层注水等可作为辅助措施，以完全覆盖煤柱影响区范围。瓦斯抽放的穿层钻孔和顺层钻孔可布置于卸压区和应力完全降低区，卸压措施应重点实施于应力集中区和应力完全升高区。

4.3 现场实践

依据瓦斯突出的分区防治策略，瓦斯抽放和卸压等措施在该煤矿C12煤层的1801工作面进行现场实施。总体的瓦斯抽放和卸压措施，如图9所示。为提高瓦斯抽放效率和增强煤柱影响区的卸压效果，网状穿层钻孔布置于工作面两巷。考虑到煤柱留设形成的未保护区，为完全消除煤柱影响区的突出危险性，采取密集瓦斯抽放钻孔和大直径卸压钻孔。为防止瓦斯超限，采用顺层钻孔用于抽放瓦斯。

图9 1801工作面瓦斯突出防治总体实施方案

现场钻孔施工完成后实现了联网抽放，累计抽放90余天，抽放瓦斯体积分数为3%～8%，抽放瓦斯流量为0.3～1.2m3/min，累计抽放瓦斯64805m3。同时在工作面煤柱影响区，每隔10m布置1个预测钻孔，预测指标为K1和S值；每间隔20m进行残余瓦斯含量预测。在采取了上述措施后，煤柱影响区的瓦斯抽放率达到了43%，预测及效果检验指标均不超限，实现了安全回采。

5 结 论

1)煤柱显著影响了被保护层开采过程中的应力分布规律。保护层开采后，被保护层煤柱影响区中心处的应力最为集中，其他区域处于卸压状态。当被保护层工作面位置处于煤柱影响区边缘时，支承压力梯度较高，利于瓦斯抽放。

2)距煤柱的层位越远，煤柱影响区的应力集中程度越弱。当距煤柱的层位大于26m时，应力分布不再受煤柱的影响。提出了瓦斯突出的分区防治思想并进行了现场应用，实现了工作面安全回采。