郭 良，張春雷

（1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000；2.中煤科工集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100013）

隨著我國(guó)煤層開采深度的增加，原巖應(yīng)力和瓦斯應(yīng)力均增加，煤與瓦斯突出機(jī)理更加復(fù)雜[1]。采動(dòng)圍巖孔隙和裂隙是瓦斯賦存和運(yùn)移的主要通道，我國(guó)煤炭科技工作者對(duì)此進(jìn)行了大量研究工作[2-9]。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用UDEC離散元模擬軟件，在煤層底板縱向范圍內(nèi)對(duì)底板不同深度的裂隙傾角、擴(kuò)展方式進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，為了解煤層底板瓦斯運(yùn)移機(jī)制，優(yōu)化底板瓦斯抽采提供依據(jù)。

1 煤層底板應(yīng)力演化規(guī)律

工作面開采會(huì)必然會(huì)導(dǎo)致采場(chǎng)底板圍巖應(yīng)力重新分布并在工作面前方形成超前支承壓力，從而造成工作面前方區(qū)域的底板處于受壓狀態(tài)，在工作面未推進(jìn)到此范圍時(shí)，超前支承壓力影響底板垂直應(yīng)力始終大于原巖應(yīng)力，在工作面未推進(jìn)到監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，垂直應(yīng)力將不斷卸荷，減小至原巖應(yīng)力值，工作面繼續(xù)推進(jìn)，監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)入工作面后方，根據(jù)采空區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律。監(jiān)測(cè)區(qū)域底板垂直應(yīng)力繼續(xù)較小，在底板深度較小時(shí)，甚至?xí)p小至0或變?yōu)槔瓚?yīng)力，整個(gè)推進(jìn)過(guò)程中，工作面前方底板的垂直應(yīng)力整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。煤層開采后應(yīng)力重新分布概貌如圖1。

圖1 煤層開采后應(yīng)力重新分布概貌

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，張勇等根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)將工作面前方到采空區(qū)范圍內(nèi)底板分為4個(gè)區(qū)，分別是壓縮區(qū)、過(guò)渡區(qū)、膨脹區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)（圖2），以雞西礦業(yè)杏花煤礦為例，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)底板分區(qū)進(jìn)行了量化，壓縮區(qū)范圍為工作面前方40 m到工作面前方8 m峰值處，特點(diǎn)為圍巖不變垂直應(yīng)力升高；過(guò)渡區(qū)范圍為工作面前方8 m到工作面后方4 m處，特點(diǎn)為圍壓不變，垂直應(yīng)力由增大開始向減小過(guò)渡；膨脹區(qū)范圍為工作面后方4 m到工作面后方40 m，特點(diǎn)是由于頂板下沉和垮落垂直應(yīng)力逐漸恢復(fù)；膨脹區(qū)往后為重新壓實(shí)區(qū)，此區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平?？梢缘贸?，工作面推進(jìn)工程中，水平應(yīng)力變化程度較小，垂直應(yīng)力變化顯著，變化程度遠(yuǎn)大于水平應(yīng)力，底板應(yīng)力也變化顯著，其中圍壓基本保持不變，軸壓會(huì)隨工作面推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢(shì)，并可能減小到0甚至使軸壓由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力。

圖2 底板巖層應(yīng)力分區(qū)示意圖

文獻(xiàn)[5]基于此分區(qū)研究了在橫向維度底板裂隙的分布和傾角等演化規(guī)律，將在上述工作的基礎(chǔ)上研究底板豎向維度的底板裂隙發(fā)育和分布規(guī)律。

2 工程背景

杏花煤礦為高瓦斯礦井，西二采區(qū)28#煤層右二工作面傾斜長(zhǎng)度200 m，走向長(zhǎng)度560 m，煤層平均傾角2°，煤層厚度平均1.2 m。28#煤層往下依次是30#煤層、31#煤層，距28#煤層間距依次是6～8 m和22 m。在工作面開采過(guò)程中，其相對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到51 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到70 m3/min。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開采28#煤層時(shí)，其下部的30#、31#煤層的瓦斯涌出量為40 m3/min，本層及其上部的27#煤層的瓦斯絕對(duì)涌出量為30～40 m3/min?？紤]到瓦斯涌出量問(wèn)題，設(shè)置了專門的瓦斯排放巷。在進(jìn)行28#煤右1工作面的回采過(guò)程中，在采空區(qū)預(yù)留的高位鉆場(chǎng)和高位抽放尾巷只能夠解決本煤層采空區(qū)瓦斯，對(duì)于底板煤層的越移瓦斯需采取并加強(qiáng)相應(yīng)措施控制瓦斯含量。裂隙是瓦斯流動(dòng)的主要通道，研究采動(dòng)過(guò)程中底板裂隙發(fā)育規(guī)律對(duì)越移瓦斯的抽采具有重要意義。

3 數(shù)值模擬

采用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC模擬分析杏花煤礦西二采區(qū)28#煤層右二工作面開采過(guò)程中底板煤巖體的裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程，假設(shè)底板煤巖體中存在各個(gè)方向的隨機(jī)原生裂紋，在模型直接底及30#煤層中建立隨機(jī)節(jié)理。根據(jù)工作面地質(zhì)條件建立數(shù)值模形長(zhǎng)160 m，高100 m，為消除邊界影響兩側(cè)各預(yù)留30 m邊界，固定左右邊界和下邊界的水平方向位移，固定下邊界豎直方向位移，并施加垂直載荷8.75 MPa[10]到上邊界。模擬采用的煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。數(shù)值模擬模型如圖3。

模擬表明上工作面開采過(guò)程中，在老頂初次來(lái)壓前隨工作面推進(jìn)底板裂隙的發(fā)育范圍不斷增大，在長(zhǎng)度方向上布滿采空區(qū)底板，且發(fā)育深度不斷增加；基本頂初次來(lái)壓后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板垮落巖塊將采空區(qū)底板壓實(shí)導(dǎo)致采空區(qū)中部底板煤巖體裂隙閉合。工作面推進(jìn)不同距離時(shí)底板煤巖體裂隙發(fā)育特征如圖4。底板煤巖體裂隙區(qū)發(fā)育至工作面后方40 m左右；往后裂隙被壓實(shí)閉合，但在開切眼前方12 m左右有存在1個(gè)裂隙發(fā)育區(qū)；工作面前方的剪切裂紋發(fā)育區(qū)超前工作面6 m左右，裂隙發(fā)育深度約為10.5 m。統(tǒng)計(jì)顯示工作面前方至后方5 m處的裂紋傾角多在30°～60°之間，工作面后方5 m往后的裂紋多為水平或小傾角，這與力學(xué)分析結(jié)果相吻合。

表1 計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值模擬模型

圖4 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)底板煤巖體裂隙發(fā)育特征

由對(duì)工作面推進(jìn)80 m后，其前方12 m至后方37 m的擴(kuò)展裂紋的統(tǒng)計(jì)可知深度0～2 m處共統(tǒng)計(jì)得到裂紋37條，其中傾角≤30°的裂紋共有14條占37.84%，傾角為31°～45°的裂紋共有5條占13.51%，傾角為46°～60°的裂紋共有5條占13.51%，傾角為61°～75°的裂紋占16.22%，共有6條，傾角為76°～90°的裂紋占18.92%，共有7條。傾角小于45°的裂紋超過(guò)半數(shù)，占比達(dá)到51.35%。

由深度2～4 m處共統(tǒng)計(jì)得到裂紋40條，其中傾角≤30°的裂紋共有171條占42.5%，傾角為31°～45°的裂紋共有 7 條占 17.50%，傾角為 46°～60°的裂紋共有5條占12.50%，傾角為61°～75°的裂紋占10.00%，共有 4條，傾角為 76°～90°的裂紋占17.50%，共有7條。傾角小于45°的裂紋超過(guò)半數(shù)，占到60.0%。

由深度4～6 m處共統(tǒng)計(jì)得到裂紋20條，其中傾角≤30°的裂紋共有9條占45%，傾角為31°～45°的裂紋共有2條占10%，傾角為46°～60°的裂紋共有2條占10%，傾角為61°～75°的裂紋占10%，共有2條，傾角為76°～90°的裂紋占25%，共有5條。傾角小于45°的裂紋超過(guò)半數(shù)，占到55%。

由深度6～8 m處共統(tǒng)計(jì)得到裂紋10條，其中傾角≤30°的裂紋共有3條占30%，傾角為31°～45°的裂紋共有1條占10%，傾角為46°～60°的裂紋共有1條占10%，傾角為61°～75°的裂紋共有5條占50%，傾角為76°～90°的裂紋共有0條。傾角大于45°的裂紋占到60%超過(guò)半數(shù)。

由深度8～10 m處共統(tǒng)計(jì)得到裂紋5條，其中傾角≤30°的裂紋共有0條，傾角為31°～45°的裂紋共有1條占20%，傾角為46°～60°的裂紋共有2條占40%，傾角為61°～75°的裂紋共有1條占20%，傾角為76°～90°的裂紋占20%，共有1條。傾角大于45°的裂紋占到80%。底板不同深度裂紋傾角分布如圖5。

由工作面推進(jìn)80 m后底板裂隙的分布特征可知，隨著底板深度的增加，裂隙數(shù)量逐漸減少直至不再發(fā)育（圖6）。且在底板淺部以傾角較小的拉張裂紋或Ⅱ型剪切裂紋為主，往深部以傾角較大的壓剪擴(kuò)展裂紋為主[10]，這與煤巖體裂紋擴(kuò)展的機(jī)理分析相吻合，在底板深部煤巖體水平變形受到圍巖限制，裂紋朝著主應(yīng)力方向擴(kuò)展，二者方向一致；而淺部裂紋以膨脹、剪切擴(kuò)展為主，這是因?yàn)闇\部具有垂直應(yīng)力較小且水平圍巖限制變?nèi)醯奶卣鳌?/p>

4 結(jié)論

圖5 底板不同深度裂紋傾角分布

圖6 底板煤巖體裂隙數(shù)量與深度關(guān)系

1）在工作面的推進(jìn)工程中，水平應(yīng)力變化程度較小，垂直應(yīng)力變化顯著，變化程度遠(yuǎn)大于水平應(yīng)力，底板應(yīng)力也變化顯著，其中圍壓基本保持不變，軸壓會(huì)隨工作面推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢(shì)，并可能減小到0甚至使軸壓由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力。

2）壓縮區(qū)區(qū)域內(nèi)的的煤巖體主要是發(fā)生壓剪破壞，這是垂直應(yīng)力作用的結(jié)果，原生裂隙、裂縫往往會(huì)被壓緊閉合，從而導(dǎo)致圍巖透氣性變低，但裂紋也可能向主應(yīng)力方向發(fā)生拉伸擴(kuò)展，這主要是高應(yīng)力作用的結(jié)果。

3）煤層開采后底板裂隙數(shù)量隨底板深度增加而減小直至不再發(fā)育；底板淺部以傾角較小的拉張裂紋或Ⅱ型剪切裂紋為主，往深部以傾角較大的壓剪擴(kuò)展裂紋為主，紋朝著主應(yīng)力方向擴(kuò)展，二者方向一致；而淺部裂紋以膨脹、剪切擴(kuò)展為主，這是因?yàn)闇\部具有垂直應(yīng)力較小另并且水平圍巖限制變?nèi)醯奶卣鳌?/p>