俯偽斜下保護層開采保護效果現(xiàn)場考察與數(shù)值模擬

改造者：魏 偉 王宏圖，2 舒 才 施 峰

為了研究俯偽斜下保護層開采后的保護效果，對興隆煤礦俯偽斜下保護層開采被保護層的瓦斯壓力和瓦斯含量進行了現(xiàn)場考察，并采用COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬軟件對保護層開采后頂板法向膨脹變形量進行了數(shù)值計算。結(jié)果表明，俯偽斜下保護層開采后，被保護層保護范圍內(nèi)的最大殘余瓦斯壓力為0.25MPa，最大殘余瓦斯含量為5.7147 m3/t，均小于《防突規(guī)定》的臨界值；數(shù)值模擬的沿被保護層傾向上邊界的卸壓角為98°，下邊界的卸壓角為68°，大于《防突規(guī)定》劃定的保護范圍。因此，俯偽斜下保護層開采對被保護層的保護效果顯著，能有效消除被保護層的突出危險。

大量研究表明開采保護層是最有效和最經(jīng)濟的區(qū)域防突措施。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井首次開采保護層時，必須進行保護效果和保護范圍的考察。根據(jù)《防突規(guī)定》第51 條，保護層的保護效果檢驗主要采用殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量、頂板位移量等方法。為了研究俯偽斜下保護層開采對被保護層的保護效果，本文通過對南桐礦區(qū)興隆煤礦俯偽斜下保護層開采后被保護層殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量現(xiàn)場測定，并采用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件對下保護層開采引起被保護層的膨脹變形量進行數(shù)值模擬計算，綜合分析了俯偽斜下保護層開采的保護效果。

試驗礦井概況

南桐礦區(qū)興隆煤礦為新建礦井，現(xiàn)主要開采4#煤層和6#煤層，平均厚度分別為2.84 m 和0.93 m，層間間距為27.9 m，傾角為42°。礦井4#和6# 煤層均具有突出危險性，選擇突出危險性較小的6#煤層作為下保護層開采，4#煤層為被保護層。6#煤層保護層工作面采用俯偽斜布置，偽斜角為30o。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，礦井保護層工作面沿傾斜上、下山方向的卸壓角分別按90o、65o劃定；走向卸壓角按50o劃定。

現(xiàn)場論證試驗設計

考察鉆孔布置

礦井在被保護層4# 煤層驗證區(qū)域上邊界+327m～+350 m 采取了預抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，同時走向邊界不具備現(xiàn)場考察條件，因此本次現(xiàn)場驗證只考察4#被保護層傾斜下邊界。驗證鉆孔均布置在礦井的原有巷道內(nèi)，選擇位于被保護層4#煤層和保護層6#煤層之間的+300 m“1601S”抽放巷和+250 m“1601S”抽放巷內(nèi)布置測壓鉆孔。本次試驗設計JS1～JS8 共八個鉆孔，實際施工JS3～JS8 六個鉆孔，鉆孔布置見圖1。所打鉆孔的方位均為垂直于煤層走向的正方位，并穿過煤層進入頂板1.0 m。

測壓及封孔

根據(jù)此次現(xiàn)場條件，瓦斯壓力的現(xiàn)場測定選擇被動式測壓法。瓦斯檢驗鉆孔施鉆結(jié)束后便立即進行封孔。封孔方式采用馬麗散和水泥石膏漿機械封孔相結(jié)合的封孔方法。封孔結(jié)束24h 內(nèi)安裝壓力表，記錄壓力的變化規(guī)律。

現(xiàn)場測試結(jié)果

被保護層殘余瓦斯壓力測定

大量實踐表明，在防治煤與瓦斯突出和驗證保護層開采后被保護層的保護效果中，瓦斯壓力是現(xiàn)場考察的最基本、最可靠的參數(shù)之一。在本次被保護層瓦斯壓力測定過程中，JS6 和JS7 鉆孔壓力表損壞，未能測到有效壓力值，其他壓力表的測試結(jié)果如表1 所示。

圖1 測壓鉆孔布置圖

表1 被保護層4#煤層殘余瓦斯壓力

表2 煤巖的物理力學參數(shù)

通過布置在被保護層4#煤層中的測壓鉆孔，可以得出4#煤層的瓦斯壓力隨保護層開采的變化規(guī)律（如圖2）。從圖2 可以看出，俯偽斜下保護層6#煤層工作面推過后被保護層4#煤層的卸壓效果非常明顯，最終測得的被保護層最大殘余瓦斯壓力值小于臨界值0.74 MPa，因此依據(jù)《防突規(guī)定》劃定的下邊界保護范圍安全可靠。

被保護層殘余瓦斯含量測定

煤層瓦斯含量測定可分間接測定法和直接測定法兩種，鑒于現(xiàn)場條件，本次測定采用直接法來測定被保護層4#煤層的殘余瓦斯含量，在4#煤層的保護范圍內(nèi)共取樣22 個，經(jīng)過測定，取樣點殘余瓦斯含量介于2.7972 m3/t 和5.7147 m3/t 之間，最大殘余瓦斯含量小于《防突規(guī)定》的臨界值8 m3/t，因此，考察區(qū)域內(nèi)殘余瓦斯含量達到《防突規(guī)定》的要求，有效地消除了被保護層的突出危險。

被保護層保護范圍數(shù)值模擬

模型的建立

圖2 被保護層4#煤層的瓦斯壓力變化規(guī)律

數(shù)值模擬采用COMSOL Multiphysics 軟件模擬6#保護層開采后被保護層4#煤層的保護范圍。假設開采區(qū)域沿煤層傾向的每一個橫截面煤巖體的物理力學性質(zhì)、瓦斯性質(zhì)參數(shù)和圍巖應力狀態(tài)等都是一致的，則可取沿工作面走向上的單位厚度剖面為平面計算模型，為盡量消除模型邊界效應的影響，建立如圖3 所示的幾何模型，模型尺寸為280 m×252 m（長×高），下保護層工作面垂高100 m，斜長149.5 m。

數(shù)值計算的基本參數(shù)

數(shù)值計算模型中，保護層6#煤層、被保護層4#煤層和頂?shù)装鍘r層的物理力學特性參數(shù)見表2 所示。由于保護層6#煤層與被保護層4#煤層之間由幾層不同厚度的鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)頁巖和灰?guī)r組成，因此，可采用按厚度加權平均的方法求其近似的力學參數(shù)，以便于模型的計算。

模型的邊界條件

考察區(qū)域煤層平均埋深300 m，模型上邊界為巖層自重均布載荷，大小為7.5 MPa，邊界條件為自由邊界；模型的右邊界、左邊界和下邊界位移條件為X 和Y 方向的位移約束，為滾支邊界。

數(shù)值模擬結(jié)果及分析

（1）被保護層4#煤層傾向總位移規(guī)律。圖4 為保護層6#煤層開采后被保護層4#煤層沿傾向的總位移分布規(guī)律。由圖4 可以看出保護層開采后，原煤層頂?shù)装逯車拿簬r層開始向已形成的采空區(qū)進行膨脹、移動和變形，采空區(qū)中部區(qū)域的頂板巖層位移達到了最大值。

圖3 數(shù)值計算模型

圖4 被保護層4#煤層傾向位移云圖

圖5 被保護層4#煤層沿傾向的法向變形

圖6 被保護層4#煤層的保護范圍

（2）被保護層4#煤層保護范圍分析。根據(jù)《防突規(guī)定》，當被保護層的法向膨脹變形大于3‰時，被保護層能得到有效保 護。圖5 為下保護層6#煤層開采后，被保護層4#煤層沿傾向的法向變形規(guī)律。由圖可知，在距保護層6#煤層采空區(qū)下 邊界垂高28 m～124 m 的范圍內(nèi)，被保護層4#煤層的法向變形量ε0 ≥3‰，對應被保護層的上邊界卸壓角為98o，下邊界卸壓角為68o（如圖6），此保護范圍大于礦井依據(jù)《防突規(guī)定》劃定的4#煤層的保護范圍。數(shù)值模擬結(jié)果表明，礦井基于《防突規(guī)定》劃定的4#煤層保護范圍安全、可靠。

結(jié)語

（1）根據(jù)現(xiàn)場考察結(jié)果，被保護層驗證區(qū)域的瓦斯壓力隨著保護層的開采下降明顯，殘余瓦斯壓力和參與瓦斯含量均小于《防突規(guī)定》的臨界值，說明考察區(qū)域已經(jīng)得到充分保護，有效消除了被保護層4#煤層的突出危險。

（2）采用數(shù)值模擬得到了俯偽斜下保護層沿傾上、下邊界的卸壓角分別為68°和98°，大于按照《防突規(guī)定》所劃定的保護范圍，因此現(xiàn)場劃定的保護范圍安全、可靠。

（3）采用數(shù)值模擬得到的俯偽斜下保護層的頂?shù)装鍘r層的變形、卸壓規(guī)律與現(xiàn)場具有一致性，數(shù)值模擬的結(jié)果可靠。