劉傳義，楊勝利，馮攀飛，劉 垚，李 明，許金夢(mèng)，畢健成

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830084）

我國(guó)西部地區(qū)賦存大量的急傾斜煤層，受賦存條件與開(kāi)采難度影響，急傾斜煤層開(kāi)采存在儲(chǔ)量占比較大而產(chǎn)量占比較小的問(wèn)題，隨著中東部?jī)?yōu)質(zhì)煤炭資源減少，西部急傾斜煤層開(kāi)采強(qiáng)度逐漸增大[1-2]。近直立煤層指煤層傾角為85°～90°的特殊的急傾斜煤層，多分布于新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū)，開(kāi)采方式常選用水平分段開(kāi)采[3-5]。由于極特殊的賦存條件，如新疆烏東煤礦、堿溝煤礦、甘肅窯街三礦等，這類(lèi)煤層開(kāi)采難度較大，常常面臨沖擊地壓的開(kāi)采技術(shù)難題。姜耀東等[6]指出“采動(dòng)應(yīng)力分布、能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機(jī)理”是我國(guó)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理和防治技術(shù)領(lǐng)域需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

我國(guó)學(xué)者在急傾斜煤層開(kāi)采應(yīng)力分布與沖擊地壓防治方面開(kāi)展了大量研究。梁翠云等[7]通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論分析得出了開(kāi)采深度、應(yīng)力集中等是誘發(fā)急傾斜煤層深部煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)的原因；來(lái)興平等[8-9]提出了采動(dòng)應(yīng)力畸變致誘動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理與夾持巖柱能量異化特征；藍(lán)航[10]發(fā)現(xiàn)近直立煤層群兩側(cè)采空巖柱應(yīng)力與能量集中區(qū)域在開(kāi)采水平以下；郝育喜等[11]采用空心包體應(yīng)力解除法開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出了近直立煤層應(yīng)力分布特征；楊磊等[12]研究得出近直立煤層水平分段開(kāi)采受采掘活動(dòng)影響主要集中在開(kāi)采水平以下，水平應(yīng)力近似呈“馬鞍形”分布；李安寧等[3-4]構(gòu)建了頂?shù)装搴兔后w的力學(xué)模型，認(rèn)為頂?shù)装鍍蓚?cè)都受到支承壓力的夾持?jǐn)D壓，應(yīng)力集中區(qū)在工作面下方約70m處，沖擊載荷擾動(dòng)下近直立煤層工作面底煤水平應(yīng)力先升高后瞬間大幅降低；趙一超[13]建立了煤組中間巖柱破斷力學(xué)模型，得出了巖柱應(yīng)力分布與破斷時(shí)彈性能量計(jì)算公式；馮攀飛等[14]采用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究了近直立特厚煤層應(yīng)力演化規(guī)律，識(shí)別了工作面走向和傾向應(yīng)力集中區(qū)；戴華陽(yáng)等[15]通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了急傾斜煤層水平分段開(kāi)采巖層移動(dòng)規(guī)律與開(kāi)采沉陷特點(diǎn)；劉旭東等[16]研究了急傾斜煤層回采速度對(duì)微震事件能量釋放特征與構(gòu)造應(yīng)力區(qū)的能量變化特征，驗(yàn)證了其具有相關(guān)性；杜濤濤等[5,17]研究了近直立煤層單翼工作面上采下掘期間不同相向距離的應(yīng)力演化規(guī)律，“高階段”區(qū)域應(yīng)力分布，指出應(yīng)力異常和“誘沖關(guān)鍵層”是誘發(fā)近直立煤層沖擊地壓的主要原因；何江等[18]研究了近直立煤層覆巖運(yùn)動(dòng)、能量釋放、煤層應(yīng)力分布等規(guī)律，結(jié)果表明工作面煤體靠近頂?shù)装鍌?cè)將形成非對(duì)稱(chēng)傾向支承壓力分布，頂板側(cè)應(yīng)力集中程度高；吳振華等[19]建立了近直立煤層頂板與煤層的力學(xué)模型，分析了中間巖柱的穩(wěn)定性，指出頂板和巖柱的共同作用提供了沖擊地壓發(fā)生的高靜應(yīng)力條件；王正義[20]對(duì)急傾斜煤層覆巖運(yùn)移及夾持煤體受載演化過(guò)程開(kāi)展了研究，驗(yàn)證了采場(chǎng)煤體的夾持受載特性；王家臣等[21]揭示了急傾斜煤層“傾倒-滑塌”破壞模式并提出了判別準(zhǔn)則；霍丙杰等[22]建立了急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采頂板力學(xué)模型。我國(guó)學(xué)者在急傾斜煤層圍巖應(yīng)力分布特征與沖擊地壓發(fā)生機(jī)理已取得一定進(jìn)展，但研究成果多基于急傾斜煤層單一工作面開(kāi)采得出，受煤層賦存和采礦方法影響，隨近直立煤層群開(kāi)采深度增加與兩工作面交替開(kāi)采重復(fù)擾動(dòng)影響，沖擊地壓發(fā)生頻度有增大趨勢(shì)。為此，以烏東煤礦為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析等手段，研究近直立煤層群兩工作面交替開(kāi)采時(shí)的應(yīng)力動(dòng)態(tài)遷移演化特征。

1 工程背景

烏東煤礦南采區(qū)位于八道灣向斜南翼，主采B1+2、B3+6煤層，B1+2煤層平均厚度為28m，B3+6煤層平均為40m。煤層傾角平均為87°，屬近直立煤層。2層煤之間由巖柱分開(kāi)，巖柱自東向西逐漸變寬，厚度在50～110m之間。南采區(qū)最大主應(yīng)力方位角平均為158.6 °，最大水平主應(yīng)力的走向總體上為北西-南東向，水平最大主應(yīng)力傾角平均為14.25 °，最大主應(yīng)力約為自重應(yīng)力的1.74 ～1.90 倍，呈現(xiàn)出明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用特征。礦井采用水平分段綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方法，分段高度25m，割煤高度3m，放煤高度22m，全部垮落法管理頂板，采空區(qū)由上方黃土不完全充填，當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)采取兩煤層交替開(kāi)采的順序，優(yōu)先開(kāi)采B3+6煤層。受煤層走向和采礦方法的影響，B1+2煤層和B3+6煤層工作面巷道軸線近似垂直于最大水平應(yīng)力方向，在采動(dòng)影響下，工作面煤巖體容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，積聚大量的彈性能，易進(jìn)一步引發(fā)沖擊地壓。烏東煤礦煤層賦存情況與工作面布置如圖1。

圖1 烏東煤礦煤層賦存與工作面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal seam occurrence and working face layout in Wudong Coal Mine

2 近直立煤層群開(kāi)采應(yīng)力演化理論

與單一近直立煤層開(kāi)采不同，近直立煤層群之間存在直立巖柱，開(kāi)展力學(xué)分析時(shí)邊界條件發(fā)生改變，且隨著兩煤層交替開(kāi)采，工作面周?chē)簬r體將呈現(xiàn)有規(guī)律的動(dòng)態(tài)演化特征。建立的烏東礦近直立煤層群應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化模型如圖2。

圖2 近直立煤層群開(kāi)采應(yīng)力演化模型Fig.2 Mining stress evolution model of steeply inclined coal seams

分析可得，隨開(kāi)采深度增加，兩煤層工作面煤體支承壓力峰值不斷增大，峰值點(diǎn)不斷下移；隨工作面交替開(kāi)采，工作面煤體呈現(xiàn)2種應(yīng)力狀態(tài)，同水平B3+6工作面開(kāi)采前，巖柱兩側(cè)煤體處在同一水平，支承壓力呈現(xiàn)相同分布特征；同水平B3+6工作面開(kāi)采后，開(kāi)挖空間應(yīng)力釋放，減弱了右側(cè)水平應(yīng)力向中間巖柱的傳遞作用，進(jìn)而對(duì)該水平B1+2煤體起到卸壓的作用，使B1+2煤體應(yīng)力集中峰值增大，支承壓力峰值點(diǎn)下移，B3+6煤體應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中峰值增大，峰值點(diǎn)下移；2種應(yīng)力狀態(tài)隨兩煤層交替開(kāi)采重復(fù)出現(xiàn)。

3 應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化特征數(shù)值計(jì)算

3.1 模型建立與參數(shù)賦值

按照烏東煤礦南采區(qū)兩煤層工作面地質(zhì)條件，選取+300～+600m水平為研究對(duì)象建立FLAC3D數(shù)值模型，近直立煤層群數(shù)值計(jì)算模型如圖3。

圖3 近直立煤層群數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model of steeply inclined coal seams

模型長(zhǎng)寬高尺寸為400m×400m×300m，包含1612800個(gè)單元。模型四周采用滾動(dòng)約束，底部采用固定約束，在上表面施加5MPa豎直向下的載荷以模擬+600m水平至地表的覆巖重力，參照現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果[11]，設(shè)置水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.74 倍。模型整體采用摩爾庫(kù)倫模型，采空區(qū)黃土及垮落巖塊充填采用雙屈服模型，工作面煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。為重點(diǎn)研究+500～+400m區(qū)域內(nèi)兩工作面隨開(kāi)采深度增加的應(yīng)力演化規(guī)律，將+500m上方兩工作面煤體整體開(kāi)挖計(jì)算至平衡，進(jìn)而對(duì)兩煤層進(jìn)行分段交替開(kāi)挖至+400m水平，同水平優(yōu)先開(kāi)挖B3+6煤層，每次開(kāi)挖高度25m，開(kāi)挖后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。

表1 模擬煤巖層參數(shù)表Table1 Parameters table of simulated coal strata

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

近直立煤層群隨兩工作面交替開(kāi)采深度增加圍巖的垂直應(yīng)力分布及演化情況如圖4。近直立煤層群隨兩工作面交替開(kāi)采深度增加圍巖的水平應(yīng)力分布及演化情況如圖5。

圖4 圍巖垂直應(yīng)力演化情況Fig.4 Vertical stress evolution of surrounding rock

圖5 圍巖水平應(yīng)力演化情況Fig.5 Horizontal stress evolution of surrounding rock

兩工作面各分段交替開(kāi)采過(guò)程中，隨開(kāi)采深度增加，圍巖應(yīng)力也呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，從上到下垂直應(yīng)力逐漸降低，采空區(qū)兩側(cè)圍巖應(yīng)力先升高后降低；受煤層賦存傾角影響，兩側(cè)工作面采空后巖柱在重力作用下具有“撬轉(zhuǎn)”的趨勢(shì)，在靠近B2煤層頂板位置處形成垂直應(yīng)力集中，中心不斷下移，應(yīng)力集中峰值不斷增大，開(kāi)采至+400m水平時(shí)垂直應(yīng)力集中峰值可達(dá)21.63MPa。

由圖5可知，受水平應(yīng)力主導(dǎo)的地應(yīng)力場(chǎng)影響，工作面開(kāi)采后，水平應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，在工作面下方煤體形成應(yīng)力集中區(qū)，隨著開(kāi)采深度不斷增加，應(yīng)力集中中心不斷下移，應(yīng)力集中峰值不斷增大；同水平B3+6工作面作為保護(hù)層優(yōu)先開(kāi)采對(duì)B1+2工作面起到卸壓保護(hù)的作用，減弱了B1+2煤體應(yīng)力集中程度，降低了應(yīng)力集中峰值，本水平B1+2工作面開(kāi)采后，B1+2工作面下方煤體應(yīng)力集中程度再度升高，應(yīng)力集中峰值增大，隨兩工作面交替開(kāi)采，B1+2煤體應(yīng)力集中呈現(xiàn)重復(fù)先升高再降低的特征。

為對(duì)兩煤層工作面下方應(yīng)力集中演化特征進(jìn)一步定量分析，沿兩煤層中部?jī)A向方向布置測(cè)線，利用FLAC3D內(nèi)置fish語(yǔ)言編寫(xiě)命令提取測(cè)線單元體水平應(yīng)力，得到的隨工作面交替開(kāi)采兩煤層水平應(yīng)力演化情況如圖6。由圖6可知，沿煤層傾向方向向下，煤體水平應(yīng)力分布呈現(xiàn)先增大后減小再繼續(xù)增大的分布特征，隨工作面開(kāi)采深度增加，兩煤層應(yīng)力集中峰值整體呈增大趨勢(shì)，隨著同水平兩工作面分段交替開(kāi)采，B1+2煤體應(yīng)力峰值重復(fù)先減小后增大的趨勢(shì)，B3+6煤體應(yīng)力峰值變化不大。

圖6 隨工作面交替開(kāi)采兩煤層水平應(yīng)力演化情況Fig.6 Horizontal stress evolution of two coal seams with alternating mining of working face

提取峰值數(shù)據(jù)得到的隨工作面開(kāi)采兩煤層應(yīng)力集中峰值與位置變化情況如圖7。由圖7可知，隨工作面交替開(kāi)采，煤體應(yīng)力集中峰值呈“鋸齒狀”波動(dòng)增長(zhǎng)，應(yīng)力峰值點(diǎn)下移距離呈“階梯狀”增長(zhǎng)，且B3+6煤體應(yīng)力峰值始終大于B1+2煤體，B3+6煤體應(yīng)力峰值位置始終低于B1+2煤體應(yīng)力峰值位置。

圖7 兩工作面交替開(kāi)采應(yīng)力集中峰值與位置變化情況Fig.7 Change of stress concentration peak and position in alternate mining of two working faces

為進(jìn)一步得到應(yīng)力集中峰值與應(yīng)力峰值位置與兩工作面開(kāi)采深度變化的相關(guān)關(guān)系，繪制散點(diǎn)圖并擬合曲線，應(yīng)力集中峰值和峰值位置隨開(kāi)采深度演化情況如圖8。由圖8可知，應(yīng)力集中峰值與應(yīng)力峰值位置與兩工作面開(kāi)采深度呈正線性相關(guān)關(guān)系，擬合精度在90%以上（R2＞0.9），為預(yù)測(cè)隨工作面開(kāi)采深度增加煤體的應(yīng)力集中程度與集中位置提供了計(jì)算公式。

圖8 應(yīng)力集中峰值和峰值位置隨開(kāi)采深度演化情況Fig.8 The evolution of stress concentration peak and peak position with mining depth

4 沖擊地壓防治方案優(yōu)化思路

1）分段高度動(dòng)態(tài)調(diào)整。數(shù)值模擬結(jié)果表明，開(kāi)采+500～+400m水平，應(yīng)力集中峰值位置在工作面煤體下方22.5 ～41.5m處，不利于下分段巷道掘進(jìn)，隨開(kāi)采深度增加，應(yīng)合理調(diào)整分段高度，使下分段巷道布置避開(kāi)應(yīng)力峰值位置，降低掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性。

2）頂?shù)装灞茀?shù)優(yōu)化。近直立煤層采用頂?shù)装灞苼?lái)減弱水平地應(yīng)力向工作面的傳遞，進(jìn)而對(duì)工作面煤體及兩巷起到卸壓效果，隨著水平應(yīng)力集中程度增大，可對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如增大鉆孔深度、減小間排距、改變裝藥長(zhǎng)度等，提高爆破卸壓效果。

3）煤體注水預(yù)裂參數(shù)優(yōu)化。煤體注水可降低煤體脆性，釋放工作面前方集中應(yīng)力，根據(jù)開(kāi)采深度與注水壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，開(kāi)采深度增大，相應(yīng)的注水壓力也應(yīng)當(dāng)增大，同時(shí)也可增大注水量、增加注水孔數(shù)量，提高卸壓效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）建立了近直立煤層群開(kāi)采應(yīng)力演化模型，揭示了近直立煤層群水平分段開(kāi)采應(yīng)力演化特征，隨開(kāi)采深度增加，兩工作面煤體支承壓力峰值不斷增大，峰值點(diǎn)不斷下移，B3+6工作面開(kāi)采對(duì)B1+2煤體起到卸壓作用，使B1+2煤體應(yīng)力集中峰值降低，支承壓力峰值點(diǎn)下移。

2）建立了近直立煤層群開(kāi)采數(shù)值計(jì)算模型，模擬了近直立煤層群兩工作面交替的動(dòng)態(tài)采掘過(guò)程，揭示了煤巖體應(yīng)力演化情況，開(kāi)采+500～+400m水平，應(yīng)力集中峰值位置在工作面煤體下方22.5 ～41.5 m處，煤體應(yīng)力集中峰值呈“鋸齒狀”波動(dòng)增長(zhǎng)，應(yīng)力峰值點(diǎn)下移距離呈“階梯狀”增長(zhǎng)，且B3+6煤體應(yīng)力峰值始終大于B1+2煤體，B3+6煤體應(yīng)力峰值位置始終低于B1+2煤體應(yīng)力峰值位置，應(yīng)力集中峰值與應(yīng)力峰值位置與兩工作面開(kāi)采深度呈線性相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證了理論分析的合理性。

3）提出了沖擊地壓防治方案優(yōu)化思路，隨著開(kāi)采深度增加，煤體應(yīng)力集中程度增強(qiáng)，沖擊危險(xiǎn)性升高，可通過(guò)分段高度動(dòng)態(tài)調(diào)整、頂?shù)装灞茀?shù)優(yōu)化、煤體注水預(yù)裂參數(shù)優(yōu)化等方式對(duì)沖擊地壓防治方案進(jìn)行優(yōu)化以適應(yīng)開(kāi)采深度的增加。