采动影响下采空区侧向煤体卸压效应研究

周若茜，王宏图，舒 才，楚 涛

（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆大学资源与安全学院，重庆 400044）

煤炭作为我国能源主体，占我国一次性能源消费的比例高达70%[1]。巨大的煤炭消费使得我国浅部的煤炭资源逐渐枯竭，煤矿的开采深度正以平均每年10～50 m 的速度向深部延伸[2]。在深部倾斜煤层开采中，上区段工作面开采完毕后其机巷临空区域煤体的瓦斯赋存主要受到3 方面的影响：①上区段工作面机巷掘进前预先对该区域进行了条带预抽；②上区段机巷掘进后，机巷可视为一超大直径的排放钻孔，为机巷下部的瓦斯提供了排放空间；③上区段工作面回采后，工作面的采动影响使得临空煤体发生塑性损伤破坏，增加了煤层渗透率使得煤体瓦斯容易向上区段采空区流出从而形成一定的消突范围。明确开采扰动下，机巷临空煤体的卸压消突范围可为下区段工作面煤柱宽度留设、沿空掘巷和防突布置提供理论指导和依据[3-6]。开采活动引起采空区煤岩体应力重分布，进而引起围岩变形、破坏和破裂，从而改变采空区边缘煤体瓦斯赋存状态，形成一定的卸压保护范围[7-10]。基于此，以重庆红岩矿3603 长壁工作面开采为例，建立了描述煤层瓦斯流动的固气耦合模型，研究倾斜煤层开采后采空区周围的变形破坏特征、沿空区煤层的应力分布和渗透率变化。并对现场瓦斯压力变化进行监测，得到瓦斯压力随工作面推进的变化规律，并验证数值模拟结果的正确性，并确定采空区侧煤体消突范围。

1 采空区下部沿空煤体卸压效应模拟模型

红岩煤矿为单一煤层开采矿井，6#煤层为主要可采煤层，采用长壁法开采。煤层平均倾角30.5°，煤层厚度1.8 m，属高硫高热值肥煤，易发生瓦斯突出。3603-2 段工作面风巷标高为+100 m，机巷标高+10 m，垂直高度为90 m。在3603-2 采区附近+0.362 m高程（埋深540 m）测得原始瓦斯压力为3.18 MPa。

由于3603-2 工作面煤层倾斜，且煤层厚度（1.4 m）远小于长壁工作面长度（160 m）和推进距离，当采用三维模型进行数值计算，模型单元数量将远超当前所配备的计算机的计算能力。故采用简化的二维平面应变模型来减小求解规模，数值计算的几何模型及单元划分如图1。

图1 数值计算的几何模型及单元划分Fig.1 Geometric model and element division of numerical calculation

模型的求解流程为：首先利用Ls-dyna 自定义材料本构模型接口对基于Hoek-Brown 塑性屈服准则的岩石材料弹塑性损伤本构模型进行二次开发，然后利用该模型对工作面开采后的应力应变场进行解算，计算出工作面开采后的应力分布及损伤变量分布情况，再将该应力及损伤变量输出到具有PDE求解功能的Comsol Multi-Phsiysic 软件中进行渗流场的求解。

2 数值模拟结果

2.1 采空区周围变形破坏特征

上覆岩层的变形与破坏如图2。

图2 上覆岩层的变形与破坏Fig.2 Deformation and failure of overlying strata

由图2（a）可知，煤层开挖后，上覆岩层总体以倾斜下部煤巷为轴向下弯曲沉降，距倾斜下部煤巷越远，位移越大，最大值为2.89 m。同时，随着竖直距离的增加，工作面开挖带来的影响逐渐减弱，上覆岩层位移逐渐减小。

由图2（b）可知，上覆岩层的损伤分布呈梯形。破坏最严重的区域为中部岩层和采空区两侧的煤层。在拉应力和剪应力的共同作用下，上覆岩层中部岩层出现穿透性断裂；工作面开挖产生的集中荷载使废弃尾巷附近的煤层被压碎，因此煤层中将形成一个相互连接的裂隙网络，为瓦斯流入采空区提供通道。

2.2 沿空煤层分区变化特征

等效应力和渗透率增大倍数随距采空区边界距离的变化如图3。

图3 等效应力和渗透率增大倍数随距采空区边界距离的变化Fig.3 Variation of equivalent stress and permeability increasing multiple away from gob-margin

从图3 可以看出，距采空区边缘约11 m 处的峰值应力为23 MPa。随着距采空区距离的增加，等效应力逐渐减小，最终恢复到初始应力值13.5 MPa，应力集中系数为1.7。另外，在煤体内部0～9 m 范围内，渗透率的增加倍数从104降到1；在集中应力作用下，距煤壁12 m 处的渗透率最低，仅为初始渗透率的0.4%。等效应力和渗透率的变化呈现出明显的分区特征，根据2 个参数的变化特征，可将采空区侧大致划分为破裂贯通区、应力集中区和原始弹性区。

1）破裂穿透区的范围为采空区侧0～9 m。区域内支承应力超过了煤体的承载极限，煤体发生塑性破坏，渗透率显著增加，为瓦斯的释放提供通道。

2）应力集中区在距采空区边界9～40 m 处。该区为弹塑性过渡区，距采空区边缘较近的部分煤体呈塑性破坏。由于破裂穿透区煤体的破坏，部分本该由破裂穿透区承担的垂直应力转移到了该区域，使该区煤体处于压缩状态，导致渗透率减小，在峰值应力点渗透率降至最低。

3）原始弹性区距采空区边界40 m。随距采空区边界距离增加，应力和渗透率逐渐恢复到初始值。

3 沿空煤体瓦斯压力变化的现场考察

3.1 钻孔布置与瓦斯压力变化

瓦斯压力考察点距离3603-2 段工作面走向前方位置100 m，钻孔布置在距离工作面机巷斜长10～23 m 范围内，沿走向每隔20 m 布置1 组论证考察钻孔，每组包含4 个钻孔，工作面及瓦斯压力考察钻孔布置图如图4。第1 组的钻孔与采空区边界距离分别为10、15、20、23 m，其余3 组钻孔布置方式相同。这些孔沿走向设计，分别处于不同的标高，可确保孔与孔之间有足够间距，以消除测压孔之间的相互影响。

图4 工作面及瓦斯压力考察钻孔布置图Fig.4 Layout of the working face and the boreholes for on-site measurements

压力表读数的时间间隔视工作面推进进度而定，在工作面距离测压孔30 m 之外，平均工作面每推进5 m（约1 周）读数1 次；当工作面距离测压孔在30 m 以内时，读数频率增加到每推进2～3 m（每3～4 d）读数1 次；当工作面推过测压孔100 m 左右后，读数频率降至每推进30 m 读数1 次。

3.2 瓦斯压力监测结果

在采空区煤层10～25 m 范围内设计布置了12个钻孔，但由于测压钻孔与煤层夹角平缓，封孔存在问题，部分钻孔发生泄漏，无法测量瓦斯压力。瓦斯压力随工作面推进距离变化曲线如图5。

图5 瓦斯压力随工作面推进距离变化曲线Fig.5 Change curves of gas pressure with advancement

由图5 可知，距工作面10、15、23 m 处的平均气体压降为1.5 MPa（M1_1 和M3_1）、1.2 MPa（M1_2）和1 MPa（M1_4 和M1_4），平均下降率分别为71%、46%和34%。表明开采扰动对采空区侧瓦斯释放有促进作用，距离是影响瓦斯压力下降幅度和持续时间的主要因素。在整个工作面的推进过程中，每个测点的瓦斯压力都经历了1 个下降然后稳定的过程，可将压力变化过程随推进距离的增加分为3 个不同的阶段。

1）初始扰动阶段。在工作面前方25 m 范围内，在此范围内，测量点处的瓦斯压力缓慢增加。

2）持续扰动阶段。此阶段定义为工作面后方230 m 范围内，在这一阶段，随着工作面推进，测量钻孔附近的煤体受到不同程度的破坏，煤体中的瓦斯会通过产生的裂隙网络流出，瓦斯压力持续下降。

3）稳定阶段。工作面推过230 m 范围之外，瓦斯压力不再下降，说明采空区煤体中的瓦斯不再流动。这是因为：①采空区煤体瓦斯在持续扰动阶段已经流失殆尽；②工作面推过后，测点处的煤体在应力作用下被重新压实，导致渗透率降低。

3.3 模拟与现场监测结果对比

工作面开采后380 d，距离采空区15、23 m 处，数值模拟与现场监测结果比较如图6。

图6 数值模拟与现场监测结果比较Fig.6 Comparison between numerical simulation and field investigation results

在前300 d，瓦斯的变化趋势与数值模型接近，随时间变化，实测瓦斯压力保持稳定，而模拟计算的压力则以缓慢的速度下降。造成这种差异的原因可能是在模拟过程中没有考虑到煤体中瓦斯的扩散效应：工作面推进300 d 后（对应距离为230 m），裂隙带瓦斯在渗流300 d 后基本耗尽，因此，低渗透区的瓦斯可能受扩散控制。模拟结果与现场实测结果具有较好的一致性，故数值模拟计算对预测采空区煤体损伤和应力变化具有较强的指导性。

3.4 瓦斯消突带范围

经过长时间的流动扩散，采空区侧向煤层瓦斯流动进入稳定阶段，采空区侧瓦斯压力和损伤分布图如图7。

图7 采空区侧瓦斯压力和损伤分布图Fig.7 Distribution of the gas pressure and the damage along with the dip

由图7 可知，在0～5 m 范围内，煤体损伤极大，沿空煤体几乎被压碎，损伤值在之后的8 m 内急剧下降至0，瓦斯压力分布呈现出相应的变化趋势，但由于瓦斯压力梯度的存在，瓦斯压力的变化总是滞后于煤层的损伤。对比现场瓦斯压力与数值模拟结果可以看出，瓦斯压力的变化趋势是一致的，但在10～15 m 范围内，实测瓦斯压力略大于数值模拟。

根据《防治煤与瓦斯突出规定》[11]，当煤层中的瓦斯压力小于0.74 MPa，即可视为已消除煤与瓦斯的突出危险性。根据准则和数值模拟的瓦斯压力结果，将瓦斯突出消除带定为11.8 m，但由于距采空区边界11.8 m 处位于应力集中区，为尽可能的保证安全，需要缩小消突带范围。现场试验结果表明，距采空区10 m 的煤柱瓦斯压力满足规范要求，因此综合数值模拟与现场监测结果，确定瓦斯压力消突带范围为10 m。

4 结 论

1）采空后覆岩的变形和破坏均呈梯形分布，应力集中在采空区两侧，这是破坏最严重的区域。根据等效应力分布和渗透率的变化，将沿空煤体划分为3 个区，即裂隙贯通区、应力集中区和原始弹性区，在裂缝穿透区，瓦斯得到释放，形成卸压区域。

2）瓦斯压力随工作面推进距离的变化可分为3个阶段：初始扰动阶段（工作面前方25 m）、连续扰动阶段（工作面后230 m）和稳定阶段（工作面后230 m 以外）；另外，距采空区边缘的距离与瓦斯压降呈负相关。

3）通过对现场与数值模拟结果的对比，发现模拟结果对预测开采范围具有指导意义，结合现场和模拟结果，红岩矿3603-2 工作面采空区煤层瓦斯突出消除带宽度为10 m。