大间距煤柱与采动叠加影响下煤层应力演化及应用

郭振华，陆 壮，杨 涛，席传鹏，权军军，唐俊青

（1.平顶山天安煤业股份有限公司 八矿，河南 平顶山 467000；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221000）

随着煤炭开采逐渐向深部延伸，许多煤矿已进入深部开采（埋深800～1 500 m）[1-2]，深部煤岩体地应力、瓦斯压力与含量持续增大，煤层渗透率急剧降低，开采环境恶劣，瓦斯抽采和治理已经十分困难[3-4]。与此同时，在煤矿开采过程中，受到复杂地质环境和开采条件的影响，不得不留设各种煤柱以保证煤矿生产安全[5]。其中许多煤柱受到开采条件的限制无法被回采，在煤层完成回采后，上覆岩层的巨大应力会集中加载到煤柱上，煤柱产生的集中应力向下传递必然会使下伏煤岩体的应力分布状态发生改变[6]。因此，因历史开采问题遗留煤柱和长壁工作面回采后不可避免的区段煤柱会在煤层群中下位煤层内形成高度应力集中区域，再叠加上方煤层回采扰动的影响，使得下位煤层开采条件更加复杂，局部区域会形成高度应力集中；此区域煤层瓦斯压力大，煤体渗透性低，发生煤与瓦斯突出危险性大。国内外学者关于煤柱稳定性、煤柱尺寸设计及失稳机理、近距离煤层巷道变新破坏控制控制、应力场分布、合理错距等已有大量研究成果。郑百生等[7]采用数值模拟的方法对近距离煤层上层煤回采后遗留煤柱对下层煤开采的影响程度进行了研究；刘萍[8]等对煤柱影响下保护层开采的消突范围进行了划分并对消突效果进行了评价；高晓龙[9]等探讨了上煤层遗留煤柱在底板中的应力传播规律，通过工作面矿压监测和变形分析提出了工作面过煤柱应力集中区的措施；王永秀等[10]采用2 种不同状态类型的数值模型研究了采区隔离煤柱因宽度不同而产生的应力变化规律；罗吉安等[11]对近距离煤层下残留煤柱引起的集中应力进行了研究，运用Mathcad 数值软件计算得到了不同宽度煤柱下方底板应力传递及分布规律；张念超[12]研究了多煤层开采煤柱下底板岩层的应力分布规律，提出了“应力临界线”和“间深比”概念；张绪言等[13]采用弹性理论与数值模拟相结合的方式，对煤柱下方底板的应力分布规律进行了研究，分析了煤柱集中应力影响下巷道附近围岩的应力分布特点；徐佑林等[14]利用FLAC3D软件分析了遗留煤柱的受力情况，研究了不同尺寸煤柱的应力分布状态以及位移的变化，认为煤柱越靠近采空区应力集中越大，矿压灾害越严重。然而大部分学者都是探讨近距离或极近距离煤层群煤柱应力分布研究，对大间距特殊煤柱影响下的应力演化特征和瓦斯流动场的变化情况研究较少。

因此，结合现场工程实际，运用FLAC3D数值模拟方法，采用应变软化模型，系统研究大间距煤柱压茬和采动扰动叠加影响条件下的煤层应力动态变化规律、重分布规律，从而为煤柱影响叠加采动扰动形成的高度应力集中区域范围划定及针对性防突措施提供理论依据。

1 工程背景

平煤八矿为多煤层组开采，主要生产开采煤层为丁、戊和己3 组煤层。己15－22080 工作面标高为－563～－665 m，地面标高＋140～＋180 m，埋藏深度为703～850 m。可采走向长度为893 m，斜长200 m，煤厚平均为3.6 m，煤层倾角5°～18°，平均10°。己15煤层直接顶为细砂岩与粉砂岩互层，直接底为砂质泥岩。己15－22080 工作面上方丁组煤层倾角平均21°，煤厚为2 m；戊组煤层倾角平均21°，煤厚为4 m。在己15－22080 工作面上部有多个已经回采完毕的工作面，主要是戊9，10－14140 工作面、戊9，10－14160工作面、丁5，6－14120 工作面、丁5，6－14140 工作面、丁5，6－14160 工作面和丁5，6－14180 工作面。

己15-22080 工作面机巷上方的丁5-6-14160 工作面遗留煤柱，煤柱长边长362 m，短边长288 m，宽129 m，总体面积较大，垂直距离己组煤层260 m左右，间距较大。己15-22080 工作面机巷从150 m开始被上方煤柱压茬，直到485 m 结束。己15-22080工作面上方有戊9,10-14160 工作面基本回采完毕，垂直距离己组煤层157 m 左右，且戊9,10-14160 工作面北部也尚未开采，己15-22080 工作面采掘平面位置关系图如图1。大间距丁组煤柱和上位戊组采面对下方己15-22080 工作面很有可能形成叠加扰动影响，需要具体分析此区域的应力演化特征。

图1 己15-22080 工作面采掘平面位置关系图Fig.1 Ⅵ-22080 working face excavation plane position relation diagram

2 数值模型

煤体是弹塑性材料，当所受应力超过峰值应力后会表现出应变软化特性。研究表明，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[15-16]。因此研究采用应变软化模型描述煤体力学特性，采用摩尔-库伦弹塑性本构模型作为煤岩体的屈服破坏准则。依据平面布置图建立等比例模型，模型尺寸为1 300 m（x）×500 m（y）×500 m（z），共划分407 609 个网格，366 037 个节点。模型上表面距离地表约400 m，顶面施加载荷为10 MPa。在x 方向施加初始应力为26 MPa 的梯度最大水平应力，沿z方向每增加1 m，应力增加0.028 MPa。相同的在y方向施加初始应力为9.5 MPa 的梯度最小水平应力，沿z 方向每增加1 m，应力增加0.019 MPa。模型前后左右4 个面约束其法向自由度，底面约束x、y、z 3 个方向自由度，数值模拟模型如图2，煤岩体力学参数见表1。

图2 数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model

表1 煤岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

用FLAC3D进行计算时，首先模拟戊组煤层开采前己组煤层受丁组煤柱影响所处的应力状态；然后再模拟戊9.10-14160 工作面开采过程中，己组煤层受丁组煤柱与戊组开采扰动叠加影响下的应力演化。整个研究分析过程以己15-22080 工作面机巷走向与工作面倾向为研究对象对其垂直应力进行研究。

3 己组煤层应力演化

3.1 丁组大间距煤柱影响下应力分布状态

1）己15 煤层平面应力分析。依据实际生产情况及条件对丁组煤层除丁5.6-14160 工作面煤柱外的各工作面开挖。待开挖结束，得到己组煤层平面的应力云图，大间距丁组煤柱影响下己组煤层平面应力分布图如图3（图中应力数值负号代表受压方向）。由图3 可知，当丁煤层各工作面开采后在其下方产生了一定的卸压区，己组煤层平面应力总体降低；但同时在煤柱下方产生应力集中区，导致局部应力增大。丁5.6-14160 工作面煤柱在己煤层产生的应力集中现象极为明显，而采掘布置的己15-22080 机巷刚好处于其应力集中区内，应力集中范围约在100～500 m 左右。

图3 大间距丁组煤柱影响下己组煤层平面应力分布图Fig.3 Stress distribution of group Ⅵcoal seam under the influence of the large spacing coal pillar

2）己15-22080 机巷应力分析。己15-22080 机巷走向垂面应力分布图如图4，大间距丁组煤柱影响下己15-22080 机巷应力分布如图5。由图5 可知，22080 机巷在100～500 m 范围内机巷应力普遍大于其他区域，随着机巷走向向里呈现先增大后减小的规律，在240 m 处产生了23.6 MPa 应力最大值，较应力最低点0 m 处增加了4 MPa；在700 m 左右出现20.7 MPa 次峰值；在0～100 m 和500～700 m 范围内应力相对较低，在19.6～20.7 MPa 之间；700～1 000 m 区域应力逐渐降低并趋于稳定，基本在20.3 MPa 左右。结合图4 分析可得0～150 m 和500～700 m 应力较小是因为受丁组煤层开采产生的卸压保护作用；150～500 m 受上方丁组煤柱影响应力增大；而700 m 左右则是因为处于上方丁5,6-14160 工作面切眼下方，也受到应力集中影响应力略有增大。

图4 己15-22080 机巷走向垂面应力分布图Fig.4 Vertical plane stress distribution diagram in the direction of Ⅵ-22080 haulage roadway

图5 大间距丁组煤柱影响下己15-22080 机巷应力分布Fig.5 Vertical stress distribution of Ⅵ-22080 haulage roadway under the influence of the large spacing coal pillar

3）己15-22080 工作面倾向应力分析。由图3 和图4 分析可知，己15-22080 工作面倾向上受到大间距丁组煤层开采的影响范围有限，主要作用在靠近机巷外口区域。分别在己15-22080 机巷距离外口0、200、400、600、800、1 000 m 处沿着工作面倾向方向竖直进行监测，大间距丁组煤柱影响下己15-22080工作面倾向应力如图6。总体来看，工作面倾向垂直应力自风巷向机巷呈现出逐渐增加的规律，这是由于风巷埋深比机巷埋深浅所导致的。工作面倾向0 m 处100～200 m 应力偏低，这是因为上方丁组煤层卸压导致；工作面200～400 m 处靠近机巷区域应力增加比较明显，这是因为正处在丁组煤柱下方产生集中应力导致的；工作面600 m 处，此时己15-22080工作面上方已经跳过丁组煤柱造成的集中应力的影响区域，且丁5,6-14160 工作面的开采对下方有一定程度的卸压效果，导致此位置的应力低于前面200 m 和400 m 处；工作面800～1 000 m 处的应力基本处于原始应力区，丁组煤层开采对800 m 之后的区域基本无影响。

图6 大间距丁组煤柱影响下己15-22080 工作面倾向应力Fig.6 Vertical stress of Ⅵ-22080 working face along the dip under the influence of large spacing coal pillar

3.2 戊组煤层开采影响应力演化

依据现场实际情况研究戊9.10-14160 工作面回采过程叠加丁组煤柱的影响下，己15-22080 工作面的应力演化规律。

3.2.1 己15 煤层平面应力

模拟时将戊9.10-14160 工作面分为阶段式回采，分别研究回采300、600、900、1 200 m 时己15-22080工作面的应力演化情况。沿煤层角度截取己15 煤层平面的垂直应力云图，得到戊9,10-14160 不同回采阶段下己组煤层的应力分布状态，戊煤层开采过程中己煤层垂直应力分布变化如图7。

通过分析图7 可以看出，当戊9.10-14160 工作面开采300 m 和600 m 时，由于戊9.10-14160 工作面与己15-22080 工作面的层位关系，使得戊9.10-14160 工作面在己15-22080 工作面里段形成了卸压区，具有保护层开采的效果，但同时在己15-22080 工作面的上下两侧形成小范围的应力集中；当戊9.10-14160 工作面开采600 m 之后，戊9.10-14160 工作面发生小幅度转向导致戊9.10-14160 工作面与己15-22080 工作面的层位关系发生了变化。此时随着戊9.10-14160 工作面开采，己15-22080 机巷外段及工作面靠近机巷区域处于开采形成的应力集中区内，同时此区域也处于丁组大间距煤柱的应力集中区内，两者相互叠加因此该区域的应力进一步增大。这种大间距煤柱叠加开采扰动应力导致己15-22080 工作面呈现卸压区、原始应力区和叠加高应力区多区域复杂应力条件。

图7 戊煤层开采过程中己煤层垂直应力分布变化Fig.7 Change of vertical stress distribution of group Ⅵcoal seam in the mining process of group Ⅴcoal seam

3.2.2 己15-22080 机巷应力

戊9.10-14160 工作面开采结束之后，得到己15-22080 机巷走向方向垂面的应力云图，戊煤层开采后己15-22080 机巷垂面垂直应力如图8。

图8 戊煤层开采后己15-22080 机巷垂面垂直应力Fig.8 Vertical stress distribution in the direction ofⅥ-22080 haulage roadway after mining of group Ⅴcoal seam

从图8 可以看出，上位戊9,10-14160 工作面开采之后在其相邻侧产生了应力集中现象，进而影响到处于应力集中区下方的己15-22080 机巷。其中，在己15-22080 机巷里段上方应力集中较为明显，这是由于上位戊9.10-14160 工作面开采前期基本平行于下方己15-22080 工作面，机巷里段处于应力集中峰值区；而戊9.10-14160 工作面开采后期改变了方向，逐渐远离己15-22080 机巷，所以外段应力集中程度相对较低。但是己15-22080 机巷外段受上位大间距丁组煤柱应力集中影响，区域叠加戊组开采应力集中现象，外段应力仍大于里段；而且，到己15-22080机巷外口0 m 处受戊9,10-14160 工作面开采应力集中影响最低。

戊煤层开采过程中己15-22080 机巷垂直应力分布规律如图9。

图9 戊煤层开采过程中己15-22080 机巷垂直应力分布规律Fig.9 Vertical stress distribution of Ⅵ-22080 haulage roadway in the mining process of group Ⅴcoal seam

由图9 可以看出，随着戊9,10-14160 工作面开采的进行，己15-22080 机巷应力由里段向外段逐步增加。在开采前期（开采300 m），机巷里段应力增加明显。而靠近机巷外口区域应力基本无变化；在开采中期（600 m），除机巷里段应力受上方应力集中影响进一步增加外，机巷靠外口200～500 m 区域处于回采面前方的集中应力区，应力也有所增加。机巷外口应力基本无变化；到开采后期（900 m 和1 200 m），可以看到机巷里段应力趋于稳定。而在机巷外段受开采集中应力影响，在煤柱应力集中影响的基础上应力进一步大幅增加。

戊9,10-14160 工作面开采结束之后，在机巷0～150 m 应力增大约1.64～3 MPa；机巷150～700 m 左右区段受戊9,10-14160 工作面回采应力集中影响最明显，应力增大约3～4.7 MPa。且由于两者层位关系越靠里段应力增幅越大，越靠外段增幅越小；在机巷700 m 之后应力增大约2.8～3 MPa；煤柱影响区内（100～500 m）己15-22080 机巷应力较上位戊组煤层未开采前增加约2.3～4.7 MPa，其中机巷260 m 处应力达到最大值27.3 MPa，考虑叠加煤柱影响共增加了约8 MPa 左右；总体来看上位戊组煤层开采结束之后机巷应力增加非常大，机巷外口100 m 往里区域应力基本都大于23 MPa，这对现场瓦斯治理会带来极大困难。

3.2.3 己15-22080 工作面倾向应力

分别提取己15-22080 工作面0、200、400、600、800、1 000 m 处倾向上垂直应力跟随不同开采长度的数据，戊组煤层开采过程中己15-22080 工作面各处倾向垂直应力如图10。

图10 戊组煤层开采过程中己15-22080 工作面各处倾向垂直应力Fig.10 Vertical stress of Ⅵ-22080 working face along the dip in the mining process of group Ⅴcoal seam

从图10 并结合图6 可以看出，戊9,10-14160 工作面的开采对己15-22080 工作面大部分区域起到了较为明显的卸压作用。当戊9,10-14160 工作面开采300 m 时，下方己15-22080 工作面倾向1 000 m 处发生明显卸压现象，最大卸压超过10 MPa。但在靠近机巷4 m 范围内处于应力集中区，应力稍有增加。当戊9,10-14160 工作面开采600 m 时，己15-22080 工作面800 m 处也发生卸压现象，最大卸压超过10 MPa，800 m 和1 000 m 右边靠近机巷应力增大区域扩大至20 m；工作面600 m 处靠近机巷45 m 位于增压区，靠近风巷155 m 位于卸压区。当戊9,10-14160工作面开采900 m 时，工作面400 m 处靠近机巷73 m 范围处于增压区，靠近风巷127 m 范围位于卸压区；200 m 处应力增大；600 m 处卸压程度增大到10 MPa；800 m 和1 000 m 趋于稳定不再变化。

当戊9,10-14160 工作面开采结束，工作面同时存在卸压区与应力集中区。对比图10（d）和图6 可以看出，除工作面0 m 处，其他区域卸压区内卸压效果明显，最大卸压均超过10 MPa；卸压区靠近风巷一侧，应力集中区靠近机巷一侧；应力集中区应力曲线平缓上升，越靠近机巷外口，其应力集中范围与应力增加幅度越大。其中工作面200 m 和400 m 处应力集中程度最大，应力超过26 MPa；工作面0 m 处在戊煤层开采1 200 m 之前的应力曲线相对变化平缓，其曲线形状不同于其他地方的原因在于工作面0 m 处倾向方向50 m 左右位置处于丁5,6-14140 工作面与丁5,6-14160 工作面之间的煤柱下方，因此在此处形成了小范围的应力集中与卸压。

4 煤体渗透率变化分析及工作面分区

研究不同应力区煤体的渗透率，有利于全面了解工作面瓦斯赋存情况；分析不同应力区内的煤与瓦斯突出危险性，有利于对工作面进行分区分级治理，实施“一区一策”，实现瓦斯安全经济高效治理。

4.1 己15-22080 工作面煤体渗透率变化及危险性

截止目前，学者对于煤层的渗透率已经建立了多种演化模型，其中大部分模型均将煤的结构简化为“火柴杆”模型或“立方体”模型[17-18]。选用LIU 等[19]提出的在单轴应变假设下，基于“火柴杆”模型推导的气固耦合作用下瓦斯运移渗透率演化模型进行计算。5 组煤样裂隙率等相关数据见表2。

表2 5 组煤样裂隙率等相关数据Table 2 Related data of 5 groups of coal samples

根据前文数值模拟所得到的应力值，设初始应力值为19.5 MPa，高应力区的应力最大值为27.5 MPa，煤体初始裂隙率均值为0.013 4，根据矿方现场实测原始瓦斯数据，将正常应力区瓦斯压力设为0.74 MPa，高应力叠加区瓦斯压力设为3 MPa。渗透率演化模型各参数值见表3。

表3 渗透率演化模型各参数值Table 3 Parameter values in permeability evolution model

最终得到高应力区煤体裂隙率最小为0.009 5，较初始应力区煤体裂隙率最大降低约29%；渗透率最大降低约64%。工作面靠近风巷一侧形成了较大范围的卸压区，最大卸压达10 MPa。张荣[20]对保护层开采后上覆煤体卸压后渗透率演化进行了研究，得出卸压后的煤体渗透率会极大提高。陈海栋[21]通过CT 实时检测研究了煤体卸压后的损伤与渗透性演化特征，发现保护层开采使煤层卸压后会产生4个渗透性变化区，被保护层渗透性明显增加。

因此在受到煤柱的压茬与煤层开采扰动的高应力区内，一方面煤体处于强压状态，裂隙受到压缩，使得裂隙率下降，煤体的裂隙率与煤层的渗透率都更小，瓦斯更难从煤体中解吸出来。另一方面，由理想气体状态方程可知，煤体的裂隙率降低后使得其能够储存瓦斯的空间变小，气体的压力势必会增大，因此高应力区煤体内的瓦斯压力更大，其压力梯度也更大；当煤层受到打钻扰动时，钻孔前方的煤体失稳卸压，瓦斯快速解吸，在高瓦斯压力梯度条件下，煤层中瓦斯会瞬间释放，从而导致喷孔甚至煤与瓦斯突出，所以高应力区的突出危险性相较于正常区域与卸压区更大；而卸压区内煤层渗透率增加，瓦斯抽采与治理难度相对较低，突出危险性更小。在现场工作面机巷区域施工底板岩巷密集穿层钻孔预抽区域性防突措施时，于机巷底抽巷200 m 附近发生严重的喷孔现象，单孔喷出煤量6.0 t，喷出瓦斯量650 m3。这也验证了煤柱的压茬与煤层开采扰动的高应力叠加区的突出危险性。

4.2 瓦斯治理分区及治理建议

根据不同应力区煤与瓦斯突出危险程度的不同，对工作面瓦斯治理进行分区，不同的区域制定对应的瓦斯治理措施。将己15-22080 工作面在丁组煤柱叠加戊组煤层开采扰动影响下的垂直应力分布状态作为划分瓦斯治理区域的依据，前文分析可知，己15-22080 工作面应力分布大致可以分为3 部分，即卸压区、原始应力区与应力集中叠加区。以20 MPa 作为煤层原始应力，设高应力区的应力集中系数为1.15，卸压区的应力集中系数为0.85。因此，将己15-22080 工作面分为3 个瓦斯治理区，分别为一般突出危险区（垂直应力小于17 MPa）、中等突出危险区（垂直应力在17～23 MPa 之间）以及重度突出危险区（垂直应力大于23 MPa）。以17 MPa 与23 MPa 2 个临界值为基础，将各区域划分成较为规则的形状；结合工程实际，为了方便现场施工，划分了各危险区范围，瓦斯治理分区示意图如图11。

图11 瓦斯治理分区示意图Fig.11 Schematic diagram of gas sub-region management

治理措施建议：卸压区靠近工作面风巷一侧，由于卸压效果明显，因而通过己15-22060 机巷低抽巷及22080 中间低抽巷向工作面施工间距较大的普通穿层与顺层抽采钻孔进行治理；一般突出危险区采用中间低抽巷施工间距较密的普通穿层抽采钻孔加顺层抽采钻孔的方法进行治理；高应力集中区构造煤体力学强度较低，同时处于高地应力环境下煤层渗透性低，具备了高应力能与高瓦斯能的突出条件。相关研究与实验表明，水力冲孔造穴技术对于低渗构造煤具有明显的卸荷增透效果。因此，采用高压水力冲孔技术对机巷及高应力集中区进行预抽，待机巷掘进之后再对工作面实施密集顺层钻孔抽采。

5 结 论

1）在只受大间距丁组遗留煤柱的影响时，平煤八矿己15-22080 机巷100～500 m 区段及工作面靠近此区段部分区域出现明显应力集中。其中机巷240 m 处垂直应力最大，为23.6 MPa，机巷0 m 处垂直应力最小，为19.6 MPa。此外，工作面倾向方向上机巷应力普遍大于风巷。

2）随着上位戊组煤层开采，己15-22080 工作面及机巷受到大间距丁组煤柱与上位戊组煤层开采扰动的复合影响应力分布进一步不均匀。戊组煤层开采结束后，机巷整体应力普遍提高1.64～4.7 MPa；在煤柱影响区内（100～400 m）己15-22080 机巷应力增加约2.3～4.7 MPa，于机巷260 m 处达到最大值27.3 MPa，考虑叠加煤柱影响共增加约8 MPa。工作面同时存在卸压区和应力集中区，应力集中区主要分布于靠近机巷一侧0～500 m 范围内；卸压区靠近风巷一侧，最大卸压达10 MPa。

3）在大间距煤柱与上位煤层开采扰动影响的高应力集中区内，煤体裂隙率较初始状态最大降低29%左右，煤层渗透率最大降低64%左右，导致瓦斯压力和压力梯度增大，突出危险性更大；卸压区内煤层渗透率增加，瓦斯抽采与治理难度相对较低。依据工作面应力分布状态将工作面划分为一般突出危险区、中等突出危险区与重度突出危险区，并提出瓦斯分区域治理建议。