上保護層開采對下部特厚煤層移動變形規律及保護效果考察研究*

徐 剛，王 磊,金洪偉,王 強

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.山西潞安集團五陽煤礦，山西 長治 046205)

0 引言

在開采特厚高瓦斯煤層時，首先開采具有煤與瓦斯突出危險性的上保護煤層，然后向下被保護層煤層打穿層鉆孔進行瓦斯抽采[1]，該方法是防治特厚煤層煤與瓦斯突出危險經濟可行的方法之一。被保護煤層受采動影響后，產生卸壓及膨脹變形，應力降低，圍巖透氣性增大[2]，體積變形使圍巖彈性能降低，衍生出相互貫通的縱向和橫向裂隙[3-4]，有利于被保護層吸附的瓦斯自然解吸和排放，并為瓦斯抽放工作提供了良好的條件[5]。被保護層卸壓后，煤層中賦存的吸附瓦斯大量涌入上保護層工作面及采空區，影響上保護層工作面的正常回采[6-8]。用FLAC3D軟件對上保護層開采下伏煤巖移動變形進行數值模擬，可以明確被保護層受采動影響后的應力和位移變化特征，并確定出應力和位移變化量，為上保護層工作面的瓦斯防治及安全開采提供有效的理論依據，并為優化被保護層瓦斯的抽采提供可靠的理論指導。

1 上保護層開采數值模擬研究

1.1 研究背景

選取海石灣煤礦6124(煤二層)工作面為研究對象，6124工作面布置在6113(油頁巖)和6114(油頁巖)保護層工作面下部，被保護層6124工作面煤層厚度為26 m，埋藏深度為683～965 m，保護層與被保護層間距14～42 m，平均間距30 m，其中油頁巖6113工作面走向長1 040 m，平均可采高度4.0 m，油頁巖6114工作面回采走向長度965 m，平均可采高度4.0 m。

1.2 保護范圍的確定

數值模型的建立應根據礦井地質資料并結合相似理論進行研究。礦井上保護層開采期間，應對開采時期的卸壓角進行計算并參照《防治煤與瓦斯突出規定》的要求進行選取[9]。

1)走向方向的保護范圍

海石灣煤礦6124上保護層工作面平均煤層傾角為8°，可按近水平煤層處理。當上保護層傾角取8°時，保護層沿走向方向卸壓角按60°設計。

2)傾斜方向的保護范圍

煤二層6124工作面布置在上保護層6113工作面和6114工作面下部卸壓范圍內，其中回風巷布置在6113工作面中部煤二層中，進風巷布置在6114工作面中部煤二層中，所以工作面進風巷和回風巷完全處在保護層卸壓范圍內。

1.3 數值模型的建立

根據海石灣煤礦地質資料，選取模型走向長度300 m、傾向長度150 m、垂深150 m，工作面沿走向方向每側留50 m保護煤柱的部分作為研究對象，并對巖性相近的薄巖層進行整合，將上保護層開采模型簡化為三維應變問題，建立沿工作面走向變化的數值模擬模型。

根據固體力學數值模型，模擬受均布荷載作用下應力、位移的變化情況，采動過程中煤巖層變形服從摩爾-庫倫彈塑性模型，用空殼模型“null”模擬煤層開挖[10]。模型位移邊界條件為：左右邊界取u=0，v≠0(u為x方向位移，v為y方向位移)，即單約束邊界；前后邊界取u≠0，v=0，即單約束邊界；下部邊界取u=v=0，即全約束邊界；上部邊界為自由面，不約束。

上部邊界施加的荷載[11]計算公式如式(1)所示：

q=∑γh

(1)

式中：q為工作面均布荷載；γ為上覆巖層的平均密度，取平均值2.5×103kg/m3；h為上保護層垂深，取700 m。

根據煤層上覆巖層埋藏深度，經計算可得上部邊界應施加的載荷為17.5 MPa。煤巖層物理力學參數見表1，在被保護層煤二層中布置了8個測點，測點布置如圖1所示。

表1 煤巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rock

圖1 上保護層開采測點布置Fig.1 Layout of measuring points for upper protective layer mining

2 上保護層開采數值模擬研究

采用FLAC3D軟件模擬上保護層開采，能模擬出多種材料的三維結構受力特性[12]。通過數值模擬能夠準確反映出被保護層煤層內部的應力和位移微小變化。因此，采用FLAC3D數值模擬軟件，建立上保護層開采的三維數值模擬模型[13]，準確的模擬出被保護煤層的卸壓狀態和位移演化規律。

2.1 塑性區破壞變形分析

根據上保護層數值模擬結果，可得出上保護層工作面在開采期間不同推進距離時，被保護層在垂直方向上塑性區分布及變化情況，上保護層開采塑性區分布如圖2所示。

圖2 上保護層開采塑性區分布Fig.2 Cloud map for distribution of plastic zone in upper protective layer mining

由圖2可知，上保護層開采過程中覆巖受采動破壞明顯，上覆和下伏煤巖體均出現了不同程度的剪切和拉伸破壞，并主要以剪切破壞為主；下伏煤巖體受采動的破壞程度低，采空區上部煤巖層破壞和垮落較明顯。隨著上保護層工作面不斷推進，底板應力向煤柱兩端集中，使得下方煤巖體受到擠壓，產生膨脹變形破壞。

2.2 應力變化數值模擬分析

上保護層開采前煤巖層處于應力平衡狀態，采動后工作面前方的底板煤巖層受到采動影響，原始應力狀態被破壞，引起應力重新分布，并一直持續到形成新的應力平衡為止[14]。

根據上保護層開采數值模擬模型，上保護層開采期間不同推進距離被保護層應力分布如圖3所示；應力隨計算步數的變化情況如圖4所示；上保護層工作面每推進25 m記錄1次被保護層垂直方向應力變化量，應力變化量呈現出如圖5所示的變化規律。

圖3 不同推進距離被保護層應力分布Fig.3 Layout of measuring points for upper protective layer mining

圖4 不同推進距離被保護層應力變化趨勢Fig.4 Change of stress in protected layer under different propulsion distances

圖5 不同推進距離被保護層應力變化量Fig.5 Change of stress in protected layer under different propulsion distances

由圖3可知，當工作面從切眼位置推進到25 m時，開切眼一側應力開始迅速增大并在25 m處出現應力集中，在采空區下部區域應力降低，被保護層應力變化沿深度方向呈“V”字形且對稱分布，即采空區底板中部煤層應力變化程度最大；隨著工作面的推進，工作面附近的鄰接應力增加，應力集中區域的位置不斷向前移動，并且推進距離不斷增大，采空區下部的卸壓范圍也不斷增大；工作面越長，則有效卸壓范圍越大。

由圖4可知，當工作面推進到25 m和50 m時，垂直方向的應力從原始應力迅速增大并達到峰值，然后在峰值附近上下波動變化，表明在上保護層工作面開采至50 m之前，應變能都儲存在工作面兩幫的煤柱中，使得被保護層頂板的應力處于峰值附近上下波動；當工作面推進距離大于75 m時，由于上覆煤巖體自重增大，工作面兩幫的煤柱突然失效會釋放出大量應變能，使得應力值又緩慢下降，直到煤柱完全失效時，應力值趨于平緩。

由圖5可知，上保護層工作面從切眼位置推進到50 m時，被保護層的拉應力迅速增加，拉應力達到0.469 MPa，被保護層在拉伸力和剪切力的共同作用下發生上下錯動，使得卸壓程度和破壞深度迅速增大，拉應力出現先迅速增大、后減小、最后再增大的狀態；從開切眼位置壓應力逐漸增大，在推進到175 m時達到最大值，最大值為31.3 MPa。

2.3 位移變化數值模擬分析

上保護層開采期間，由于煤巖層在一定范圍內受采動影響，且在臨近煤巖層的擠壓作用下向巷道移動變形，使被保護層煤層向采空區移動，最后發生膨脹變形上下錯動，產生不同程度的裂隙[15]。6124上保護層工作面開采期間，不同推進距離被保護層位移分布如圖6所示；位移隨計算步數的變化情況如圖7所示；上保護層工作面每推進25 m記錄1次被保護層垂直方向位移變化量，位移變化量呈現出如圖8所示的變化規律。

圖6 不同推進距離被保護層位移分布Fig.6 Cloud map of displacement distribution of protected layer under different propulsion distances

圖7 不同推進距離被保護層位移變化趨勢Fig.7 Change trend of stress in protected layer under different propulsion distances

圖8 不同推進距離被保護層的位移變化量Fig.8 Change of displacement of protected layer under different propulsion distances

由圖6可知，采空區頂板下沉變形量明顯大于底板膨脹變形量，且被保護層位移變化呈“拱形”分布，即位于采空區中部的被保護層頂板位移變化量最大，被保護層頂板位移變化量隨著距采空區中部距離的增大而逐漸減小，表明被保護層受上保護層開采影響較大。

由圖7可知，當上保護層工作面推進距離大于50 m時，位移變化量迅速達到峰值并在峰值附近波動，表明工作面兩幫的煤柱支撐著采空區頂板，回采產生的應變能都儲存在兩幫的煤柱中，使得位移在峰值附近波動；當推進距離大于50 m后，頂板開始垮落對被保護層產生自重壓力，使得被保護層的垂直位移緩慢減小，并且隨著推進距離的不斷增大，垂直位移減小的越多，最終趨于平緩。

由圖8可知，隨著推進距離不斷增加，被保護層中部的煤層垂直位移變化量不斷增大，當上保護層工作面推進距離為200 m時，被保護層的煤層位移變化量達到最大，最大值為354 mm，位移變化量范圍在160～354 mm之間，表明上保護層開采對被保護層煤層卸壓影響較大。

3 被保護層的保護效果考察

3.1 被保護層瓦斯抽采效果檢驗

通過對海石灣煤礦6124被保護層工作面煤層進行瓦斯抽采量數據測定，并與直接從6124工作面底抽巷打穿層鉆孔進行瓦斯抽采的數據分析比較，可以看出上保護層開采對礦井被保護層瓦斯卸壓及工作面防突具有很好的效果，對工程實踐具有較好的指導作用。上保護層開采后瓦斯抽采量和6124工作面底抽巷直接打穿層鉆孔瓦斯抽采量數據對比如圖9所示。

圖9 被保護層區域累計瓦斯抽采量對比Fig.9 Comparison of accumulated gas extraction quantity in protected layer area

由圖9可知，上保護層開采后被保護層受采動影響卸壓，使得被保護區域滲透性增高，瓦斯抽采量增大，瓦斯抽采總量達到4 236.0萬m3/a；而直接從6124工作面底抽巷打穿層鉆孔進行瓦斯抽采，原始煤層中只有原生裂隙和鉆孔壁周圍的少部分裂隙，抽采量只有3 035.5萬m3/a，瓦斯抽采效果不佳。通過上保護層開采提高了瓦斯抽采量，瓦斯抽采總量提高了1 200.5萬m3/a，瓦斯抽采率提高了39.5%。說明上保護層開采對被保護層煤層移動變形影響較大。

3.2 被保護層保護效果的檢驗

保護效果考察主要針對被保護層煤層[16]；當煤層殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa或殘余瓦斯含量小于8.0 m3/t時，可以判定被保護層被保護區域無突出危險性。而6124工作面(煤二層)混合瓦斯含量為20～22 m3/t，實測原始瓦斯含量為20.46 m3/t，原始瓦斯壓力為7.3 MPa。

上保護層開采后，在6124煤層底抽巷布置鉆場并進行瓦斯抽采，在工作面開采期間取樣測定保護層開采后卸壓狀態下的煤層瓦斯含量35個，包括進風巷16個、回風巷16個、切眼處3個，測定的殘余瓦斯含量如圖10所示。在工作面進回風巷向被保護層打穿層鉆孔封孔測定煤層殘余瓦斯壓力，共布置16個測點，包括進風巷7個、回風巷7個、切眼處2個，測定的殘余瓦斯壓力見表2。

圖10 進回風巷實測殘余瓦斯含量Fig.10 Measured residual gas content in inlet and return lane

鉆孔編號12345678瓦斯壓力/MPa0.480.500.450.470.550.580.560.55鉆孔編號910111213141516瓦斯壓力/MPa0.510.490.460.520.440.470.480.52

由圖10可知：被保護層殘余瓦斯含量在4.20～7.16 m3/t之間，最大值為7.16 m3/t，相比原始瓦斯含量有極大的降低，小于效果檢驗的臨界值8.0 m3/t，開切眼附近的殘余瓦斯含量較低且測定結果較穩定，且隨著距開切眼距離的增大，殘余瓦斯含量呈現出增大的趨勢。

由表2可知：在工作面進回風巷設計鉆場內進行瓦斯壓力測定，最大殘余瓦斯壓力為0.58 MPa，小于效果檢驗的臨界值0.74 MPa，說明上保護層開采消除了海石灣煤礦被保護層6124工作面的突出危險性，實現了煤與瓦斯安全共采。

4 結論

1)6124上保護層開采期間，位于采空區下部區域煤巖層應力變化沿垂直方向呈“V”形分布，即位于被保護層采空區中部區域的卸壓程度最大，被保護層最大拉應力為0.489 MPa，變化范圍在0.314～0.489 MPa，最大壓應力為31.3 MPa，變化范圍在25.8～31.3 MPa，即隨著距采空區中部距離的增大，卸壓程度逐漸減小。

2)從煤層傾向方向看，被保護煤層頂底板位移沿垂直方向呈“拱形”分布，當上保護層6124工作面回采距離為200 m時，被保護層頂板最大位移量為354 mm，位移變化范圍在160～354 mm，位移變化量呈現出先迅速增大、再趨于平緩的趨勢。

3)通過對研究范圍的煤層瓦斯抽采量對比分析，可以看出采用上保護層開采時，瓦斯抽采總量明顯高于直接打穿層鉆孔的瓦斯抽采總量，瓦斯抽采率提高了39.5%，瓦斯抽采總量提高了1200.5萬m3/a。在不同測點實測的最大殘余瓦斯含量為7.16m3/t，最大殘余瓦斯壓力為0.58 MPa、達到了瓦斯抽采的效果，消除了煤與瓦斯突出的危險性，說明礦井上保護層開采對防治海石灣煤礦高瓦斯煤層具有很好的工程指導意義。