特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 移动扫码阅读 高建良，蔡行行，卢方超，等特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究煤炭科学技术，， （） ， ， ， ，，（） 特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究 高建良，，，蔡行行，卢方超，王文元 （河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 ；河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室省部共 建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 ；煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 ） 摘 要对于特厚煤层分层开采，掌握煤层开采后下伏煤层应力分布及破坏特征能够为精准判定采空 区瓦斯富集区提供一定理论依据。 因此，为厘清倾斜特厚煤层下伏煤层应力及塑性破坏区的分布特 征，开展了不同煤层倾角工作面回采的数值模拟计算。 首先基于采空区压实理论，获得了采空区垮落 岩体的应力应变关系，进而通过迭代反演确定了破碎岩体的岩体力学参数。 在此基础上，通过数值 模拟计算及分析，得到了煤层倾角变化对下伏煤层应力分布及破坏特征的影响规律。 结果表明在采 空区底板范围内，随着煤层倾角增大，采空区应力恢复“”形圈不再以采空区中部走向线对称分布， 而向倾向下部偏移。 沿倾向，在采空区的上下两端，侧向应力集中系数均随煤层倾角增大而减小，但 倾向上端侧向应力集中系数始终小于倾向下端侧向应力集中系数。 沿走向，在工作面底板，超前支承 应力集中系数随着煤层倾角增大而增大。 最后，通过分析下伏煤层塑性破坏区的分布可知，工作面以 及倾向上下端底板煤体内的塑性破坏深度均随着煤层倾角增大而增大，但倾向上端底板破坏深度始 终小于倾向下端底板破坏深度；采空区底板最大塑性破坏深度所在位置逐渐远离采空区中部，向倾向 下端偏移。 关键词煤层倾角；特厚煤层；底板应力；下伏煤层；瓦斯富集 中图分类号 文献标志码 文章编号（） ，，， ， ， （ ， ， ，； ， ， ，； ， ，） 收稿日期；责任编辑朱恩光 基金项目国家重点研发计划资助项目（）；国家自然科学基金资助项目（，，）；河南省高等学校重点科 研计划资助项目（） 作者简介高建良（）， 男，河北定州人，教授，博士生导师，博士。 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 ， ， ， ， ， ， ； ； ； ； 引 言 随着东部矿区煤炭资源的枯竭，中部受资源与 环境约束的矛盾加剧，我国煤炭资源开发重点已快 速向西部地区转移。 西部地区煤层赋存的主要特点 是厚煤层与特厚煤层分布广泛，煤炭资源储量丰富， 但这些煤层多为倾斜煤层且煤层透气性较低。 煤层采掘后，下伏煤层经历了应力集中、开采卸压、 采空区应力恢复等应力变化，并随之产生不同形式 的塑性破坏。 而倾斜特厚煤层分层开采带来的大尺 度煤层活动空间，导致下伏煤层的应力、塑性破坏区 分布规律显示出与常规薄、中厚煤层不同的规律。 因此掌握采动后下伏煤层的应力分布规律及破坏特 征能够为精准判别特厚煤层采空区瓦斯富集区提供 一定理论指导。 目前，围绕煤层下伏煤岩应力分布及破坏特征， 国内外专家学者做了大量的研究工作，取得了丰硕 的理论成果。 前苏联 最早对工作 面底板岩层采动变形破坏规律进行了研究，李树刚 等研究了上保护层开采后的下伏煤岩体应力、渗 流等变化规律。 文献建立了大倾角煤层走向 长壁开采岩体结构空间模型，深入分析了非对称煤 岩的破坏失稳过程；蒋力帅等通过工作面支承压 力场演化特征的实例仿真分析实现了采动应力场与 采空区压实承载作用的耦合分析；程志恒等研究 了采动条件下工作面顶底板应力的卸压程度以及覆 岩断裂带的动态演化特征，文献通过分析底 板不同位置垂直应力，得到了采空区底板不同深度 岩体裂隙演化规律。 虽然从工作面采深、承压 水上底板扰动、采空区压实效应等方面 对底板应力分布特征开展了大量研究，但煤层倾角 作为对采空区底板应力分布及破坏特征的重要影响 因素，尤其是在特厚煤层分层开采这一工程背景下， 其作用规律有待于进一步研究。 以新疆某特厚煤层主采工作面为例，首先采用 岩体质量评分法对煤层顶底板岩性进行分析，确定 其岩体力学参数。 进而采用 建立不同倾角 的物理模型，对工作面开采进行模拟计算，分析煤层 倾角对下伏煤层应力分布及破坏特征的影响规律， 为精准判定采空区瓦斯富集区提供一定理论依据。 数值模拟方案 模拟原型及岩体力学参数确定 新疆某特厚煤层矿井的主采工作面平均埋深 ，设计走向 ，倾向长度 ，煤厚 ，平均厚 ，煤层倾角 ，自 然安息角 。 工作面采用走向长壁后退式综合机 械化放顶煤采煤法，采高 ，放顶 ，采放比为 ，下伏煤层厚 。 为模拟不同煤层倾角下伏煤层应力分布差异， 以开采层赋存条件为基础，煤层倾角设定为 、 、。 煤岩层岩体力学参数首先由实验室测试获 取，进而采用 强度准则计算得到，见表。 表 模型各层岩体力学参数 岩性 体积模 量 剪切模 量 黏聚力 内摩擦 角 （） 抗拉强 度 密度 （ ） 煤 泥岩 细砂岩 粉砂岩 中砂岩 粗砂岩 不同煤层倾角物理模型构建 根据试验矿井实际的生产技术条件，数值计算 中物理模型平均埋深设定为 ，工作面长度设 定为 ，推进总距离设定为 ， 每步推 。 煤层开采后，根据应力的影响范围及围岩破坏 情况，可将煤层化分为塑性区、弹性区和原始岩层应 力区。 如果模型边界取在煤层弹、塑性区域内，边界 受采动影响将产生水平方向位移，而物理模型边界 采用的是位移约束条件，可能会导致岩体应力模拟 结果产生较大误差。 当模型侧边界取在原始岩层应 力区时，受开采影响相对较小，则得到的模拟结果可 以认为接近真实情况。 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 高建良等特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究 年第 期 因此对于物理模型尺寸，可通过计算弹、塑性区 沿走向及倾向的长度，确定物理模型沿 （走向）、 （倾向）方向的长度；通过计算裂隙高度以及底板破 坏深度可确定物理模型沿 （垂向） 方向的长度。 以倾角为 为例，利用 威尔逊理论公式计算塑 性区长度为 （） 其中 为采深； 为采厚。 为确保计算正确 性，塑性区长度 取 ，采场沿走向前后两端、左 右两端各预留 倍塑性区长度，即物理模型长 ，宽 。 根据煤矿防治水规定选取“两带”最大高度 的经验公式，计算垮落带 、断裂带高度 ，见式 （）。 （） 根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程中给出工作面底板破坏深度 计 算公式。 （） 其中 为煤层倾角； 为工作面长。 计算得到 工作面底板破坏深度为 。 为确保计算正确 性，断裂带顶部预留约 ，底板破坏带底部预留 ，因此 方向长度为 。 通过上述计算，确 定物理模型的长、宽、高分别为 、、 。 同 理，可计算其他煤层倾角的物理模型尺寸，见表 ， 构建模型时各煤岩层厚度保持一致，不同煤层倾角 采场物理模型如图 所示。 表 不同煤层倾角物理模型尺寸 煤层倾角 （）长 宽 高 顶部荷载 模型边界条件及本构模型的选取 不同倾角模型的前后左右 个边界均采用位移 约束，模型上部边界为自由边界，模型下部边界为位 移全约束边界，即 平面上的节点，沿 、、 三向固定；模型顶端施加等效荷载见表 ，模拟上覆 岩层至地表土层自重压力，重力加速度取 ； 为更好地贴近真实采场矿压显现规律，模型在开采 煤层顶板设置接触面以防止顶板压入底板。 倾角 、、时分别为 、、 ； 倾角 、、时分别为 、、 图 不同煤层倾角采场物理模型 模型初始化时，煤岩材料屈服破坏判据采用 强度准则，见式（）；该准则认为煤 岩中某个平面上的法向应力影响煤岩抗剪强度，当 该切面上的法向应力与剪应力符合某种组合时，煤 岩将在切面上产生断裂带；当断裂带贯通时，即煤岩 发生破裂，相应的发生剪切屈服的条件为 。 （） 式中 为煤岩体黏聚力； 为内摩擦角；、为第 、第 主应力。 由于 模拟的是连续介质，无法真实反映 垮落岩体与母岩分离的过程，因此比较符合基本顶 初次来压前的采空区情况；当回采距离大于初次来 压步距后，随着采空区的不断扩大，垮落岩体会逐渐 充满整个回采空间，在此之后，垮落岩体受上覆岩层 压力作用而被逐渐压实，支承能力不断提高，最终形 成支承上覆岩层的支承体。 因此回采至初次来压 前，可采用直接开挖法；而回采距离超过初次来压步 距之后，直接开挖法会导致回采空间中缺少与采空 区底板直接接触垮落岩体，导致上覆岩层的重力荷 载无法有效传递至采空区底板，产生较大的计算误 差。 可在计算过程通过识别拉伸破坏区来确定垮落 带范围，进而挖去整个垮落带，然后对垮落带及采空 区进行充填处理，即可使采空区顶底板连接起来，进 而可以针对采空区底板应力分布及破坏情况进行有 效模拟计算。 由上述分析可知，煤层的推进模拟可通过开 挖识别垮落带范围挖去垮落带充填垮落带及 采空区下一步开挖的模拟计算步骤来实现，因此 需首先确定垮落带破碎岩体的充填模型及岩体力 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 学参数。 中的双屈服模型，考虑了剪切及 拉涨屈服函数，同时加入了模型体积屈服函数，比 较适合模拟破碎岩体的特性，可作为破碎岩体的 本构模型。 破碎岩体的力学参数 对于破碎岩体的力学参数，可首先基于采空区 压实理论，对其应力应变特性进行分析，进而构建 简单块体模型，通过反演迭代并与理论解进行匹配 来获得力学参数。 采空区压实理论 采空区垮落矸石的渐进压实过程及其承载力学 特性对采空区与底板煤体应力状态有着极其重要的 影响。 对松散破碎岩体压实过程中的岩体力学 响应特性，提出的破碎岩体压缩过程 的应力应变关系，见式（），被国内外研究人员广 泛认可并应用。 （） 其中 为垮落岩体的所受垂直应力； 为岩 体初始切线模量； 为垂直应力作用下垮落岩体的 应变； 为岩体碎胀后最大应变，可由碎胀系数 ， 通过式（）求得。 （ ） （） 可以由式（）计算获得 （） 其中， 为单轴抗压强度。 由式（）式（） 得垮落岩体应力应变表达式 （ ） （ ） （） 采空区垮落岩体岩体力学参数 依据该煤矿的实际条件可知碎胀系数 ，单轴抗压强度 ，代入式（）至 式（），计算得最大应变 、参数 以及压实过程中的应力应变关系，见式（）。 （） 为得到合理的破碎岩体参数且使其应力应变 关系能够与式（）匹配，首先建立长、宽为 、高为 的简单块体模型，赋予双屈服模型，底部固支， 顶部自由移动，其他 个面约束横向位移。 在其顶 部表面施加竖向速率模拟加载过程，通过迭代反演 获得拟合度比较合适的岩体力学参数。 经反复模拟 计算，得到破碎岩体岩体力学参数见表 ，反演匹配 结果如图 所示。 表 破碎岩体岩体力学参数 泊松比 体积模 量 剪切模 量 黏聚力 内摩擦 角 （） 图 岩体力学参数反演结果 数值模拟结果分析 煤层倾角变化对下伏煤层应力分布的影响 工作面推进 时，煤层倾角为 、、 的采场底板应力分布如图 所示，为优化显示效果， 依据对称性原理，选取 为 。 分析可 知，红色区域为采空区周围邻近巷道的卸压区，采空 区内部的绿色区域为应力恢复区，而工作面及采空 区两侧两巷道外部蓝色区域则为应力集中区。 由此 可见，工作面开采使围岩应力重新分布，沿走向在工 作面前方产生超前支承压力区，沿倾向在采空区两 侧产生应力集中区，采空区内部则在上覆岩层作用 下压实，出现应力回升的现象。 随着煤层倾角增大，倾向上部卸压区范围增大， 倾向下部卸压区范围减小，工作面前方支承应力峰 值逐渐增大，采空区应力恢复“”形圈不再以采空 区中部走向线对称分布，而向倾向下部偏移，当煤层 倾角为 时，偏移距离达到最大为 。 这是由 于垮落后的矸石沿煤层底板滑移会造成回采空间非 均匀充填，且煤层倾角越大，充填倾向中下部的岩块 堆砌的高度越高，产生较强的支承作用并导致垮落 空间的相对减少，垮落不充分，而受载采空区底板煤 体受力较大；倾向上部区域顶板垮落空间则相对较 充足且无法得到垮落岩体的有效支承，因而垮落较 为充分，而受载采空区底板煤体受力较小，因此整体 上呈现出“”形圈中部偏离工作面中部，且煤层倾 角越大，偏移程度越大（图 ）。 为获得准确的采空区底板应力分布规律，使用 内置 函数，对采空区底板不同深度煤层 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 高建良等特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究 年第 期 图 不同倾角采场底板应力分布 应力进行监测。 测线（监测点构成的线）布置如图 所示，其中， 为煤层倾角。 图 监测线布置 采场上部、中部及下部位置（即测线 、、 ）提取的垂直应力分布如图 所示，工作面推进 方向为正方向。 可见，工作面前方和采空区的垂直 应力分布随着煤层倾角的变化存在差异。 煤层倾角 变化对工作面前方支承应力影响显著，随着煤层倾 角增大，在倾向上、中部，工作面超前支承应力集中 系数呈现减小趋势，在倾向下部则呈现增大趋势。 同时，图 可反映出采空区由于垮落带压实造 成的应力恢复现象。 采空区应力恢复在走向上有着 显著差异，距离工作面较远的采空区中部应力恢复 程度较高，距离采空区边界越近即越靠近工作面应 力恢复程度越低。 随着煤层倾角增大，在采场倾向上、 中部，采空区内部应力恢复程度均逐渐减小，而在采场 倾向下部，采空区内部应力恢复程度则逐渐增大。 相较于水平煤层工作面，煤层倾角较大的工作 面中部首先开始裂断和垮落，接着是工作面的倾向 上部，然后是工作面倾向下部。 与此同时，由于垮落 岩体对采空区下部顶板产生有效支承而对上部顶板 的支承出现效果较弱甚至“负约束效应”，引发了采 空区中上部底板受上覆岩层荷载较小，下部的荷载 较大的非均衡现象。 因此随着煤层倾角增大，采空 图 沿走向采场底板应力分布 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 区下部和下端侧向煤柱承担了较多的上覆岩层的压 力，采空区则产生沿倾向中上部应力恢复程度减小， 沿倾向下部应力恢复增大的现象。 煤层倾角对底板不同深度煤层应力分布的影响 提取图 中采空区底板下方 、、 测线数 据（即测线 、、），得到下伏煤层不同深度 煤体应力分布，如图 所示（倾向下端为正方向）。 采场底板下方 处相较于 、 处垂直应 力分布整体更加趋于平缓，卸压程度更小，但煤层倾 角的变化对应力分布影响依然存在。 由图 可知， 倾向上端侧向应力集中系数均小于倾向下端侧向应 力集中系数；随着煤层倾角增大，倾向上、下端侧向 应力集中系数呈减小趋势，采空区应力恢复程度则 增大。 图 下伏煤层沿倾向不同深度应力分布 由此可知，随着埋深增加，倾向上下端侧向应力 集中系数降低，采空区内部应力恢复程度增大，整体 更加趋于原始应力。 这是因为随着深度的增加，受 煤层倾角影响，倾向上下端煤体不同埋深逐渐成为 影响垂直应力分布的主要因素，下端煤体埋深大于 上端煤体，因而呈现下侧压力大于上侧压力。 采动 过后的下伏煤层虽然仍处于卸压状态，但在围岩支 承和采空区压实承载作用下回升至原始应力状态。 煤层倾角变化对下伏煤层塑性破坏特征的 影响 图 为倾角 、、的工作面推进 时，沿走向和倾向顶底板塑性破坏区分布。 图 不同煤层倾角工作面推进 时顶底板塑性区分布 由图 可知工作面回采后，在采空区底板煤体 内产生 个大的塑性破坏区，在工作面下方及倾斜 上、下端底板煤体内各自产生 个具有一定破坏深 度和范围的塑性区，且沿倾向下端底板塑性破坏区 的深度与采空区底板岩体内的塑性破坏区深度相 接近。 随着煤层倾角增大，采空区底板煤体内最大塑 性破坏深度位置逐渐远离采空区中部，向倾向下端 偏移，当煤层倾角为 、、时，偏离距离分别为 、、 ，呈现增大趋势。 如图 所示，沿倾向上下端、工作面及采空区底 板煤体内塑性破坏深度均呈现随煤层倾角增大而增 大趋势，这是由于底板煤体在 左右时，所受到的 剪切应力最大，更容易发生滑移破坏。 沿倾向，在采 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 高建良等特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究 年第 期 空区两侧的侧向支承压力的作用下，形成 个沿倾 向长度大于工作面长度塑性破坏区；由图 反映出 倾向上端破坏深度始终小于下端破坏深度，但倾 向上端和下端破坏深度均随着煤层倾角增大而 增大。 图 工作面及沿倾向底板煤体塑性区破坏深度 结 论 ）基于采空区压实理论获得了较为精确的垮 落岩体的应力应变关系，通过迭代反演获得了破 碎岩体的岩体力学参数。 ）垮落后的矸石沿煤层底板移动会造成回采 空间非均匀充填，引发了采空区中上部底板受上覆 岩层荷载较小，下部的荷载较大的非均衡现象。 由 于采空区下部和下端侧向煤柱承担了较多的上覆岩 层的压力，因此随着煤层倾角增大，倾向上部的卸压 区范围增大而倾向下部卸压区范围减小，采空区应 力恢复“”形圈不再以采空区中部走向线对称分 布，而向倾向下部偏移。 ）对于下伏煤层不同深度煤体，倾向上下端侧 向应力集中系数都呈现随煤层倾角增大而减小的趋 势，且倾向上端侧向应力集中系数均小于倾向下端 侧向应力集中系数；采空区应力恢复程度在下伏煤 层不同深度处均随煤层倾角增大而增大。 受煤层倾 角影响，沿倾向，上下端煤体的埋深成为影响垂直应 力分布的主要因素，呈现倾向下端压力大于倾向上 端压力。 ）分析了下伏煤层塑性区分布规律。 工作面 回采后，采空区及采空区四周巷道底板均产生具有 一定范围和破坏深度的塑性破坏区。 各个区域内的 塑性破坏区深度均随煤层倾角的增大而增大，其中 上端破坏深度始终小于下端破坏深度，采空区底板 最大塑性破坏深度所在位置随倾角增大逐渐远离采 空区中部，向倾向下端偏移。 参考文献（） 李树刚，徐培耘，林海飞，等倾斜煤层卸压瓦斯导流抽采技术 研究与工程实践采矿与安全工程学报，，（） ， ， ， ， ，（） 周世宁煤层瓦斯赋存与流动理论北京煤炭工业出版 社， 李树刚，索 亮，林海飞，等不同间距上保护层开采卸压效应 数值模拟辽宁工程技术大学学报（自然科学版）， ，（） ， ， ， （ ），，（） 罗生虎，伍永平，刘孔智，等大倾角大采高综采工作面煤壁非 对称受载失稳特征煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 伍永平，胡博胜，解盘石，等大倾角工作面飞矸冲击损害及其 控制煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 蒋力帅，武泉森，李小裕，等采动应力与采空区压实承载耦合 分析方法研究煤炭学报，，（） ， ， ，，（） 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煤炭学报，，（） ， ， ， ，，（） 张春雷煤层群上行开采层间裂隙演化及卸压空间效应 北京中国矿业大学（北京）， 郭 良，张春雷采空区底板不同深度岩体裂隙演化规律 煤矿安全，，（） ， ，， （） 翟晓荣矿井深部煤层底板采动效应的岩体结构控制机理研 究淮南安徽理工大学， 李家卓，谢广祥，王 磊，等深部煤层底板岩层卸荷动态响应 的变形破裂特征研究采矿与安全工程学报，， 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 （） ， ， ， ，， （） 苗 飞大采深工作面煤层底板采动破坏及特征研究石 家庄河北工程大学， 李振峰承压水上采空区底板岩层扰动规律研究焦作 河南理工大学， 宋文成，梁正召，赵春波承压水上开采沿工作面倾向底板力 学破坏特征岩石力学与工程学报，，（） ， ， ，，（） 王 猛，李文峰基于 模型的采空区冒落矸石加载机 理分析煤炭科技，，（） ， ，，（） 王文学，王四巍，刘海宁，等采后覆岩裂隙岩体应力恢复的时 空特征采矿与安全工程学报，，（） ， ， ， ，，（） 钱鸣高，石平五，许家林矿山压力与岩层控制徐州中 国矿业大学出版社， 连民杰，李俊平矿山岩石力学北京冶金工业出版 社， ， ， ， ，，（） ， ， ， ，，（） 白庆升，屠世浩，袁 永，等基于采空区压实理论的采动响应 反演中国矿业大学学报，，（） ， ， ， ，， （） 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et