近距離煤層群下保護(hù)層開采效果考察的技術(shù)研究*

王小兵 伍厚榮

摘 要：為實現(xiàn)石屏一礦近距離突出危險煤層群安全、高效的開采，基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測方法，分析11025工作面作為保護(hù)層開采的可行性。結(jié)果表明：被保護(hù)層開采后，采空區(qū)上覆巖層均受到不同程度的卸壓，應(yīng)力和位移都得到重新分布和釋放，主要卸壓范圍高度在40m左右，走向和傾向卸壓角分別為64.0°、67.9°，被保護(hù)層C19煤層的鉆孔瓦斯流量明顯升高，煤層膨脹變形率符合規(guī)定要求。

關(guān)鍵詞：下保護(hù)層；Flac3D；瓦斯流量；膨脹變形率

保護(hù)層開采改變了巖層的運動規(guī)律和應(yīng)力分布，卸壓范圍內(nèi)上下巖層產(chǎn)生新的裂隙，原生裂隙也將張大延伸，可以充分釋放臨近煤層的壓力、提高煤層透氣性和瓦斯抽采率；文獻(xiàn)研究保護(hù)層開采后上覆巖層采動裂隙的分布規(guī)律，提出含瓦斯煤的力學(xué)特性及煤巖體的滲透性，文獻(xiàn)等運用“傳遞巖梁”理論對大采高綜采工作面上覆巖層破壞類型及其平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究了大采高工作面采空區(qū)上覆巖層的破壞結(jié)構(gòu)及規(guī)律；筆者將以石屏一礦作為工程研究背景，以C25煤層作為下保護(hù)層，在開采近距離煤層群過程中對上覆巖層位移情況、應(yīng)力分布以及對被保護(hù)層C19煤層頂?shù)装迮蛎涀冃吻闆r進(jìn)行分析，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供依據(jù)。

1.工程概況

石屏一礦設(shè)計年產(chǎn)量為120wt/a，11025-1工作面作為下保護(hù)層，其工作面采用全部冒落法管理頂部，走向長度為613m，傾向長度為106m，工作面煤層傾角為9°～12°，平均為16°；區(qū)內(nèi)可采煤層有C13、C14、C15、C19上、C19、C23、C25上、C25煤層，其中C19、C25煤層全區(qū)可采，煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度變化較小，最大厚度2.4m，最小厚度0.8m，平均厚度1.3m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，含，；煤層頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

2數(shù)值模擬分析

為分析石屏一礦C25煤層作為保護(hù)層對C19工作面的影響，利用FLAC3D進(jìn)行建模，模型共計15層，其推進(jìn)方向長120m，傾向?qū)?26m，垂高91.3m，模擬煤巖層傾角為16°，沿工作走向兩側(cè)各留近10m煤柱，傾向兩側(cè)各留近10m煤柱，模型上邊界采用應(yīng)力邊界，傾向、走向兩側(cè)和底板均設(shè)置位移約束為0的固定邊界。基于被保護(hù)層工作面的實際情況，模型頂部的載荷簡化為均勻載荷，上覆巖層所應(yīng)施加的應(yīng)力為11MPa。計算中采用彈塑性的本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾庫侖（Mohr-Coulomb）強度準(zhǔn)則，建立模型。

2.1被保護(hù)層應(yīng)力變化規(guī)律

煤層開采前處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，采掘開始后上覆巖層的應(yīng)力會持續(xù)動態(tài)變化，并一直延續(xù)到新的應(yīng)力平衡位為止。沿著工作面走向方向上，采空區(qū)上覆煤巖層應(yīng)力下降明顯，卸壓程度隨垂高增大而逐漸減弱，卸壓效應(yīng)貫穿整個采空區(qū)上覆巖層；在開切眼和采止線附近出現(xiàn)應(yīng)力高度集中。采空區(qū)上方應(yīng)力降低區(qū)域呈對稱分布，采空區(qū)剖面中部應(yīng)力下降最為明顯；沿工作面傾向方向上，機巷內(nèi)側(cè)的卸壓范圍明顯大于風(fēng)巷內(nèi)側(cè)卸壓范圍。

2.2被保護(hù)層位移變化規(guī)律

隨著工作面的推進(jìn)，逐漸被壓實的采空區(qū)為上浮煤巖層提供了較大的膨脹變形空間，位于采空區(qū)的底板煤巖層產(chǎn)生錯動從而發(fā)生位移變形。

在采空區(qū)內(nèi)部上覆煤巖層位移量較大，隨垂高增大而位移量減小，在開切眼和采止線附近位移量較小。采空區(qū)上方位移量呈對稱分布，采空區(qū)中部上方（煤層直接頂）有冒落離層現(xiàn)象；從位移量上可判斷保護(hù)層開采后對上覆巖層的卸壓范圍為40m高度左右。

3 C19煤層卸壓保護(hù)范圍的確定

3.1卸壓保護(hù)判定指標(biāo)

防突規(guī)定所指的最大膨脹變形量為垂直于煤層層面方向的變形，對模擬的任意方向的煤層變形值，需按下述公式換算為垂直層面方向的變形。

（1）

式中： 、 分別為垂直煤層方向、任意方向煤層的相對變形量；

為任意方向的仰角，度； 為任意方向的方位角與煤層法線的夾角（即偏角），度； 為煤層傾角，度。

當(dāng) 為FLAC3d數(shù)值計算時Z方向的煤層變形值時，可以換算成如下公式：

（2）

由此，可以通過FLAC3d數(shù)值計算得到模型中各個單元Z方向的煤層變形值，然后用式（2）計算得到垂直于煤層層理方向的煤層變形值 ，從而判斷計算單元是否在保護(hù)范圍內(nèi)。

3.2被保護(hù)層卸壓范圍

在C25下保護(hù)層開采數(shù)值模擬計算過程中，沿C19煤層走向方向距離機巷60m、72m、84m處布置3監(jiān)測線，沿C19煤層傾向上山方向距離切眼50m、60m、70m處布置3監(jiān)測線，監(jiān)測C19煤層的 、 、 變形值，經(jīng)計算整理得C19煤層走向和傾向上山方向煤層法向膨脹變形率變化曲線。

采用3‰的膨脹變形率臨界指標(biāo)可以確定C19煤層走向卸壓范圍為開切眼和采止線內(nèi)錯12m，換算成卸壓角均為64°，傾向卸壓范圍為機巷內(nèi)錯10m左右，風(fēng)巷內(nèi)錯10m左右，換算成卸壓角均為67.9°。

4 現(xiàn)場實測

4.1被保護(hù)層瓦斯流量效果考察

在被保護(hù)煤層考察巷中設(shè)計布置兩排共8個鉆孔，即沿煤層走向施工4個流量孔，編號為B1～B4，鉆孔布置與走向測壓考察孔處于同一孔位，方位一致，傾角不同；沿煤層傾向施工4個流量孔，編號為B5～B8，鉆孔方位、傾角與傾向測壓考察孔基本一致，只是孔位相距約4m。分別測定被保護(hù)煤層沿走向和傾向鉆孔瓦斯流量隨下保護(hù)層采面不同距離的變化。

隨著保護(hù)層的開采，沿走向和傾斜方向的鉆孔流量均有增加，但增加幅度并不一致。沿煤層走向的流量孔中，B1、B2、B3、B4增加明顯，平均流量值分別均增加了2倍以上，B1、B2的最大流量值分別增大了6倍和4倍；沿煤層傾斜鉆孔中，B5、B6孔增加明顯，最大流量值分別增加了2倍和6倍，但B7、B8增加值較小。

4.2被保護(hù)層頂?shù)装迮蛎涀冃涡Ч疾?/p>

煤層變形利用C19煤層瓦斯流量測定鉆孔，一孔兩用來測定C19煤層變形，采用擴張式基點法測定煤層頂?shù)装逑鄬ψ冃巍?/p>

隨著下C25保護(hù)層的開采，C19煤層膨脹變形率逐漸增大，在保護(hù)層開20m后，C19煤層變形孔變形比較充分和明顯均，相對變形量達(dá)到了1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《防突規(guī)定》上規(guī)定被保護(hù)層的最大膨脹變形量大于3‰。

5 結(jié)論

應(yīng)用flac3d數(shù)值模擬軟件，對下保護(hù)層開采后上覆巖層的位移及應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對其進(jìn)行了現(xiàn)場實踐，得到了一下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，保護(hù)層被開采后，其上覆巖層應(yīng)力得到重新分布，開切眼和采止線附近屬于應(yīng)力集中區(qū)，位移量隨著高度的增加而減少，主要卸壓范圍在采空區(qū)上方高度為40m左右。

（2）通過數(shù)值模擬計算出C19煤層12724工作面走向方向上開切眼和采止線兩端卸壓膠均為64.0°，傾向方向上機巷內(nèi)錯10m，風(fēng)巷內(nèi)錯10m，卸壓角均為67.9°

（3）現(xiàn)場實踐表明，以C25煤層作為保護(hù)層開采后，C19煤層的鉆孔瓦斯流量有明顯增大趨勢，在保護(hù)層開采到20m以后煤層膨脹變形達(dá)到了1%。

參考文獻(xiàn)：

[1]程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報，2009，26（2）：127-139.

[2] 石必明，俞啟香，保護(hù)層開采遠(yuǎn)距離煤巖破裂變形數(shù)值模擬[J].中國礦業(yè)大學(xué)，2004，33（3）：259-263.

作者簡介：

王小兵，男，1988.2，碩士，主要從事礦井瓦斯災(zāi)害防治與瓦斯治理.

*項目名稱：石屏一礦C25下保護(hù)層開采效果考察研究