遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆被保護(hù)層卸壓效應(yīng)研究

楊潤全

（國投新集能源股份有限公司，安徽省淮南市，232001）

遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆被保護(hù)層卸壓效應(yīng)研究

楊潤全

（國投新集能源股份有限公司，安徽省淮南市，232001）

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對淮南礦區(qū)新集一礦遠(yuǎn)距離下保護(hù)層回采時上覆被保護(hù)層應(yīng)力分布和膨脹變形規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，下保護(hù)層回采后可使遠(yuǎn)距離被保護(hù)層得到充分卸壓，通過卸壓應(yīng)力反算出卸壓保護(hù)角為60～64.5°，被保護(hù)層膨脹變形量最大為26.82 mm，此時膨脹變形率為5.96‰，膨脹變形為抽采被保護(hù)層瓦斯創(chuàng)造了條件。

遠(yuǎn)程下保護(hù)層開采 被保護(hù)層 膨脹變形率 應(yīng)力分布 卸壓效應(yīng)

保護(hù)層開采的目的是使被保護(hù)煤層得到充分卸壓，釋放煤層中的彈性能，增大煤層透氣性能，以便于被保護(hù)煤層瓦斯解吸和流動，從而降低突出煤層瓦斯內(nèi)能，宏觀表現(xiàn)為瓦斯壓力下降。所以遠(yuǎn)距離保護(hù)層回采后巖層移動卸壓將是人工抽放被保護(hù)層瓦斯的重點(diǎn)。本文以FLAC3D數(shù)值模擬為研究方法，對遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采過程中上覆被保護(hù)層通過卸壓效應(yīng)消除煤與瓦斯突出進(jìn)行研究。

1 工程地質(zhì)條件

淮南礦區(qū)新集一礦B11煤層1115（1）工作面傾斜長220 m，走向長2596.3 m，標(biāo)高－765.8～－656.2 m，B11煤層平均厚度2.59 m，瓦斯含量為3～6 m3/t，傾角平均5°，工作面瓦斯相對和絕對涌出量分別為5.5 m3/t、8.2 m3/min，瓦斯放散初速度Δp＝3～6 mm Hg，煤的堅固性系數(shù)f＝0.51～0.72，屬于低瓦斯煤層。C13煤層平均厚度4.5 m，實(shí)測瓦斯壓力2.6 MPa，瓦斯放散初速度Δp＝3～5 mm Hg，煤的堅固性系數(shù)f＝0.5～0.68，屬于強(qiáng)突出危險性煤層。B11煤層上距C13煤層70～84 m，屬遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采。

2 數(shù)值模型的建立與結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模型

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對下保護(hù)層開采過程中的圍巖應(yīng)力分布特征和被保護(hù)層膨脹變形規(guī)律進(jìn)行模擬研究。模型整個計算區(qū)域范圍為400 m×400 m×160 m，共劃分為64000個單元和69741個節(jié)點(diǎn)。利用分步開挖的方式分別對下保護(hù)層1115（1）工作面回采至50 m、100 m、150 m和200 m時的被保護(hù)層膨脹移動規(guī)律和上覆煤巖體的應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究。

計算模型采用位移邊界條件，底部邊界采用約束豎向位移，上部邊界采用自由邊界，前后左右邊界采用水平位移約束。

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 保護(hù)層回采過程中上覆煤巖體應(yīng)力演化規(guī)律

根據(jù)計算結(jié)果，下保護(hù)層B11煤層1115（1）工作面推至50 m、100 m、150 m及200 m時，上覆圍巖應(yīng)力分布情況如下：

（1）保護(hù)層工作面推至50 m時，最大應(yīng)力值在工作面煤壁前方和切眼后方附近煤體，為30 MPa。此時被保護(hù)的C13煤層受采動影響程度較小，卸壓不明顯，說明保護(hù)層卸壓未全部擴(kuò)展到C13煤層所在位置。

（2）保護(hù)層工作面回采至100 m時，在采空區(qū)上部一定區(qū)域形成基本對稱的應(yīng)力降低區(qū)，在垂直方向以50～70°向上覆煤巖體發(fā)展。在保護(hù)層工作面切眼后方和工作面煤壁前方上部的C13煤受采動影響形成一定的應(yīng)力集中，出現(xiàn)了應(yīng)力升高和降低區(qū)。

（3）隨著保護(hù)層工作面推進(jìn)長度的增加，卸壓范圍逐漸增大，卸壓高度也在繼續(xù)增大，被保護(hù)C13煤層取得顯著的卸壓效果。隨著采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，被保護(hù)層卸壓后應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的“馬鞍形”分布。工作面切眼后方和工作面煤壁前方最大集中應(yīng)力趨于穩(wěn)定，基本在36.7 MPa左右。C13煤層的對應(yīng)位置處也出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中，最大值為24 MPa，是原巖應(yīng)力的1.6倍。

圖1 C13煤層應(yīng)力隨1115（1）工作面推進(jìn)分布特征

為了更加深入地研究保護(hù)層工作面推進(jìn)至不同距離時，被保護(hù)煤層應(yīng)力分布特征，在工作面推進(jìn)過程中監(jiān)測了被保護(hù)C13煤層的應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖1所示。

（1）保護(hù)層工作面推至50 m時，與采空區(qū)對應(yīng)C13煤層在50 m范圍內(nèi)應(yīng)力在11.8～12.6 MPa。此時被保護(hù)層應(yīng)力降低和集中都不明顯，卸壓效果不顯著。

（2）1115（1）工作面推進(jìn)至100 m時，對應(yīng)的C13煤層在100 m范圍內(nèi)應(yīng)力值在8.22～11.8 MPa，其中切眼前方30～70 m范圍應(yīng)力值在8.22～9.12之間，充分說明保護(hù)層工作面開采致使被保護(hù)層卸壓效果逐漸顯著。此時相應(yīng)位置被保護(hù)層應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。

（3）保護(hù)層工作面推至200 m時，切眼前方65 m范圍內(nèi)被保護(hù)層應(yīng)力值在6.61～8.68 MPa之間。同時切眼前方65～130 m范圍采空區(qū)被重新壓實(shí)的緣故，應(yīng)力有所恢復(fù)（小于13.7 MPa原巖應(yīng)力），但其仍保持較高的卸壓程度。切眼前方130～200 m范圍內(nèi)應(yīng)力值在6.6～7.85 MPa，此時被保護(hù)層已經(jīng)充分卸壓。另外還可以看出，在工作面切眼前方40 m和160 m處卸壓程度達(dá)到最大，沿工作面走向有效的卸壓距離為120 m。根據(jù)地質(zhì)條件可反算出卸壓保護(hù)角為60～64.5°。

2.2.2 被保護(hù)層位移演化規(guī)律

為了研究保護(hù)層1115（1）工作面推至50 m、100 m、150 m、200 m時上覆煤巖層圍巖移動變形規(guī)律。在工作面推進(jìn)過程中分別提取C13煤層上、下部邊緣的變形數(shù)據(jù)，處理后得出C13煤層膨脹變形如圖2所示（正值說明發(fā)生膨脹變形，負(fù)值說明受壓縮）。

圖2 被保護(hù)層膨脹變形量隨保護(hù)層工作面推進(jìn)變化規(guī)律

（1）保護(hù)層工作面推至50 m時，被保護(hù)煤層變形受采動影響較小，膨脹變形量較小，最大值僅為2.80 mm，相對厚度為4.5 m的C13煤膨脹變形率為0.62‰。

（2）隨著工作面推進(jìn)至100 m時，被保護(hù)C13煤層膨脹變形量逐漸增大，最大值為22.65 mm，膨脹變形率為5‰；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，被保護(hù)層膨脹變形率也逐漸增大，推至150 m時，最大膨脹變形為26.82 mm，膨脹變形率為5.96‰。

（3）工作面推過150 m以后，后方采空區(qū)圍巖逐漸恢復(fù)至接近原巖應(yīng)力，使得被保護(hù)層膨脹變形曲線呈兩頭高中間低的馬鞍形，中間區(qū)域其膨脹變形趨于穩(wěn)定，如工作面切眼前方55～150 m范圍內(nèi)膨脹變形量保持在16.8～24 mm范圍。當(dāng)工作面推至200 m時，被保護(hù)的C13煤的最大膨脹點(diǎn)在工作面切眼前方55 m和150 m處，最大膨脹量分別為24.3 mm和24.9 mm，其膨脹變形率分別為5.4‰和5.53‰。可以看出B11保護(hù)層開采后使被保護(hù)C13煤層得到卸壓，釋放了煤層的彈性能，增強(qiáng)了煤層透氣性，便于被保護(hù)煤層瓦斯解吸和流動，從而降低突出煤層瓦斯內(nèi)能，因?qū)儆谶h(yuǎn)距離保護(hù)層，應(yīng)配合人工抽放被保護(hù)層瓦斯，將瓦斯壓力、含量降至安全范圍，這樣才能最大限度地消除煤與瓦斯突出危險性。

3 工程實(shí)例

保護(hù)層開采后，被保護(hù)層的應(yīng)力變形狀態(tài)、煤結(jié)構(gòu)和瓦斯動力參數(shù)發(fā)生顯著變化，從發(fā)生變化的時間、空間看，卸壓作用最先出現(xiàn)，近距離保護(hù)層開采卸壓過程甚至在保護(hù)層工作面前方10～20 m處開始，中遠(yuǎn)距離一般在工作面后方，當(dāng)膨脹變形速度加快時，瓦斯動力參數(shù)才發(fā)生顯著變化。

在層間距離較遠(yuǎn)、中間有堅硬巖層的情況下，突出煤層卸壓，被保護(hù)煤層透氣性增加，保護(hù)層開采結(jié)合被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采可以強(qiáng)化防突效果，且瓦斯抽、排作用效果是不可逆的。

在上述的工程條件下，采取先開采下部瓦斯含量低的B11煤層，以保護(hù)上覆C13煤層。同時，在保護(hù)層工作面回采的過程中，工作面采用Y型通風(fēng)方式，并結(jié)合上向鉆孔的綜合瓦斯治理措施，另外，還對卸壓后的殘余瓦斯壓力、煤層變形量等進(jìn)行了研究。

（1）瓦斯壓力。實(shí)際測定被保護(hù)C13煤層原始瓦斯壓力為2.6 MPa，隨著保護(hù)層工作面的回采，測壓鉆孔瓦斯壓力逐漸降低，巖層穩(wěn)定后測壓鉆孔測得殘余瓦斯壓力最大為0.45 MPa。

（2）被保護(hù)煤層透氣性系數(shù)。采動影響前被保護(hù)層C13煤層透氣性系數(shù)為0.03625 m2/（MPa2·d）；保護(hù)層工作面回采后，C13煤層透氣性系數(shù)增長為51.0235 m2/（MPa2·d），增加了1407倍。

（3）被保護(hù)煤層變形量。經(jīng)現(xiàn)場考察，受到遠(yuǎn)距離保護(hù)層工作面采動的影響，C13煤層膨脹變形量最大值為85 mm，且長時間維持不變，這為長期抽采被保護(hù)層瓦斯提供充足時間。

4 結(jié)論

（1）保護(hù)層工作面推進(jìn)距離較短時，遠(yuǎn)距離的被保護(hù)層受采動影響小，卸壓不明顯；推進(jìn)距離增大至200 m時，工作面切眼前方40 m和160 m處卸壓程度達(dá)到最大，有效的卸壓區(qū)域沿工作面走向距離為120 m，反算出卸壓保護(hù)角為60～64.5°。

（2）隨著保護(hù)層工作面推進(jìn)，被保護(hù)煤層膨脹變形量逐漸增大，推至200 m時膨脹變形曲線呈馬鞍形，工作面切眼前方55～150 m范圍內(nèi)膨脹變形量保持在16.8～24 mm之間。

（3）保護(hù)層工作面回采后，被保護(hù)層透氣性系數(shù)增加了1407倍，被保護(hù)層得到了有效卸壓，最終實(shí)現(xiàn)突出危險工作面的安全回采。

［1］ 于不凡.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005

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On overlying protected layer pressure relief effectiveness during remote protective layer mining

Yang Runquan
（SDIC Xinji Energy Co.，Ltd.，Huainan，Anhui 232001，China）

The FLAC3D numerical simulation software is used to study the stress distribution and expansion deformation law of the overlying protected layer during the remote lower protective layer mining in some coal mine of Huainan Colliery.The results show that，the remote protected layer can fully relieve pressure after the lower protective layer mining；with the relief stress，it is inverse－calculated out that the relief protection angle is 60 to 64.5°；the maximum amount of expansion deformation of the protected layer is 26.82mm，with the expansion deformation rate of 5.96‰，and the expansion deformation creates conditions for gas extraction in the protected layer.

remote lower protective layer mining，protected layer，expansion deformation rate，stress distribution，relief effectiveness

TD323

A

楊潤全（1959－），男，陜西人，大學(xué)本科，從事煤礦技術(shù)管理工作，現(xiàn)任新集公司技術(shù)咨詢委員會副主任兼設(shè)計院院長。

（責(zé)任編輯 張毅玲）