上保護(hù)層開采卸壓保護(hù)范圍研究

秦汝祥， 楊珂， 程健

(1.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 潘二煤礦，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤層群賦存條件下，開采保護(hù)層是最經(jīng)濟(jì)、有效的區(qū)域性防突措施[1]。《煤礦安全規(guī)程》和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》都把開采保護(hù)層作為防治煤與瓦斯突出的主要措施，規(guī)定突出礦井必須首先開采保護(hù)層，區(qū)域防突措施應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用開采保護(hù)層的方式[2]。開采層的采動(dòng)作業(yè)對(duì)被保護(hù)層消突影響范圍是有限的，因此，對(duì)保護(hù)層邊界范圍的研究尤其重要。

目前保護(hù)層卸壓范圍研究主要集中在分析煤層應(yīng)力、變形和塑形破壞的演化特性及下保護(hù)層開采卸壓范圍。蔡永博等[3]運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)考察方法分析下伏煤巖體的應(yīng)力和形變，確定了保護(hù)層開采的卸壓范圍。程詳?shù)萚4]利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)考察的方法研究了將開挖煤層底板軟巖作為保護(hù)層的卸壓保護(hù)效果。王宏圖等[5]、郭懷廣[6]運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)考察方法，分析了被保護(hù)煤層力學(xué)及瓦斯賦存特征，研究了保護(hù)層開采保護(hù)范圍及效果。徐剛等[7]、范曉剛等[8]通過數(shù)值模擬分析被保護(hù)層的應(yīng)力和形變，并現(xiàn)場(chǎng)考察被保護(hù)層瓦斯賦存特征，分析了下保護(hù)層開采的卸壓范圍。楊賀等[9]、張磊[10]通過數(shù)值模擬方法確定了被保護(hù)層卸壓范圍及保護(hù)效果。文虎等[11]、田坤云等[12]、韓真理等[13]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，實(shí)測(cè)被保護(hù)層力學(xué)特征及瓦斯賦存特征，得出了保護(hù)層開采的卸壓范圍。Fang Feng等[14]模擬了在不同傾角下，開采上保護(hù)層時(shí)被保護(hù)層的應(yīng)力釋放和形變特性。Liu Zhen等[15]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方式研究了被保護(hù)層卸壓邊界應(yīng)力分布和煤層滲透性的耦合關(guān)系。

現(xiàn)有研究存在對(duì)保護(hù)層保護(hù)效果的考察較少、實(shí)測(cè)過程中取點(diǎn)較少造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大等問題。本文針對(duì)淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司潘二煤礦A組近距離煤層群地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬方法研究了被保護(hù)層垂直應(yīng)力分布特征及卸壓范圍，通過現(xiàn)場(chǎng)考察方法，使用較多測(cè)試孔測(cè)試被保護(hù)層膨脹變形量、殘余瓦斯壓力，確定了上保護(hù)層卸壓保護(hù)范圍，并通過卸壓區(qū)內(nèi)的測(cè)試孔考察卸壓效果。

1 工程背景

潘二煤礦一水平西四采區(qū)18125工作面為保護(hù)層工作面，開采5-2煤層，被保護(hù)層4-1煤層位于保護(hù)層5-2煤層下方12 m處。5-2煤層直接頂為灰-深灰色泥巖，厚度為0～8.9 m，平均厚度為3 m；基本頂為粉細(xì)砂巖，平均厚度為2.8 m；直接底為深灰色泥巖，厚度為0～2.3 m，平均厚度為1.5 m；煤層傾角為0～13°，平均傾角為8°；煤層厚度為0.5～3.2 m，平均厚度為3.0 m；瓦斯含量為3.3 m3/t，瓦斯壓力為0.28 MPa。4-1煤層厚度為0.73～8.48 m，平均厚度為3.7 m，煤厚變化較大，無規(guī)律，屬較穩(wěn)定煤層。18125工作面垂直投影范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的4-1煤層原始瓦斯壓力為0.62 MPa，瓦斯含量為9.52 m3/t，為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域。

2 上保護(hù)層開采數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)潘二煤礦18125工作面地層賦存條件建立FLAC3D模型，模型尺寸為370 m×310 m×120 m(長(zhǎng)×寬×高)，如圖1所示,x,y,z軸分別指向長(zhǎng)、寬、高方向。

圖1 5-2煤層模型

設(shè)開采層5-2煤層煤厚為3.0 m，采用傾斜開采模型，工作面開采長(zhǎng)度為290 m，沿推進(jìn)方向工作面前后方各預(yù)留40 m煤柱。采用彈塑性本構(gòu)模型和摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬。模型所涉及的巖體物理力學(xué)主要參數(shù)見表1。

表1 模型所涉及的巖體物理力學(xué)主要參數(shù)

模型邊界條件：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；下部邊界取u=v=0，即全約束邊界；上部邊界不約束，為自由邊界，上覆巖體加載10.65 MPa均布載荷壓力。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

模型沿推進(jìn)方向設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為370 m，開采160 m后，采場(chǎng)圍巖變形趨于穩(wěn)定，剩余部分未再進(jìn)行開采。開挖方案為從模型右邊40 m處開切眼，向左邊開挖。

上保護(hù)層18125工作面沿走向推進(jìn)到120 m時(shí)，其下伏各煤層內(nèi)的應(yīng)力變化情況如圖2所示。由走向剖面可看出，垂直應(yīng)力呈中心軸對(duì)稱分布；由傾向剖面可看出，卸壓區(qū)為類橢圓形。

(a)走向剖面

工作面上下兩端下伏煤巖體中垂直應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)的分界線與法線約成-13.66°夾角，向采空區(qū)下方伸展，即工作面上下兩端的卸壓角為90°-13.66°=76.33°。沿推進(jìn)方向，工作面?zhèn)取⑶醒蹅?cè)垂直應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)的分界線與法線的夾角分別約為-29.95°和-31.36°，即工作面前后兩端的卸壓角分別為90°-29.95°=60.05°和90°-31.36°=58.64°。

3 被保護(hù)層卸壓范圍的現(xiàn)場(chǎng)考察分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)考察方法

4煤層與5煤層的平均間距約為12 m，傾角為8°，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》和AQ 1050—2008《保護(hù)層開采規(guī)范》的規(guī)定，始采線走向的理論卸壓角為60°，上下部卸壓角為75°。

為考察保護(hù)層18125工作面回采后被保護(hù)層的卸壓范圍，在18114和18124底抽巷分別布置走向和傾向卸壓范圍考察孔，如圖3所示。沿走向和傾向共布置A,C,E,F四個(gè)主要實(shí)驗(yàn)考察地點(diǎn)和D,G兩個(gè)備用考察地點(diǎn)。走向卸壓范圍考察孔布置在A區(qū)，傾向卸壓范圍考察孔布置在C,D,E,G區(qū)，充分卸壓區(qū)參數(shù)考察孔布置在F區(qū)。根據(jù)數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果，確定各考察區(qū)域鉆孔覆蓋范圍及鉆孔布置參數(shù)。

圖3 保護(hù)層開采卸壓范圍考察孔布置

3.2 被保護(hù)層相對(duì)膨脹變形量現(xiàn)場(chǎng)考察

3.2.1 煤層走向膨脹變形

A區(qū)考察孔布置在18124底抽巷，開孔位置位于18125工作面開切眼下方，共布置12個(gè)鉆孔，如圖4所示。A6號(hào)孔布置在理論卸壓邊界線上，距18124底抽巷BG58導(dǎo)線點(diǎn)10.87 m；A1—A5號(hào)孔位于理論卸壓區(qū)范圍內(nèi)；A7—A12號(hào)孔位于未卸壓區(qū)范圍內(nèi)。奇數(shù)號(hào)孔與偶數(shù)號(hào)孔終孔間距均為5 m，奇數(shù)號(hào)孔與偶數(shù)號(hào)孔終孔走向水平錯(cuò)位2.5 m，傾向水平錯(cuò)位20 m。

圖4 A區(qū)考察孔布置

A區(qū)變形量測(cè)試結(jié)果如圖5所示。可以看出，隨著保護(hù)層工作面的回采，各孔位置所在的煤層均發(fā)生了不同程度的膨脹變形。當(dāng)工作面超前鉆孔30 m左右時(shí)，膨脹變形率達(dá)到最大值；超前20～80 m時(shí)，被保護(hù)層膨脹變形處于穩(wěn)定發(fā)展階段，隨后煤層膨脹變形率減小，并最終趨于穩(wěn)定。A2,A4,A6號(hào)孔變形顯著，最大相對(duì)變形率分別達(dá)到0.775%,0.705%和0.437 5%，均大于0.3%，表明該區(qū)域卸壓效果顯著。A8,A10,A12號(hào)孔變形相對(duì)較小，最大相對(duì)變形率均小于0.3%，表明該區(qū)域被保護(hù)層處于未充分卸壓區(qū)。

圖5 A區(qū)考察孔變形率

3.2.2 煤層傾向膨脹變形

(1)回風(fēng)巷側(cè)煤層變形。E區(qū)考察孔布置在18124底抽巷，開孔位置距18125工作面初切眼約325 m，如圖6所示。

圖6 E區(qū)考察孔布置

E區(qū)變形量測(cè)試結(jié)果如圖7所示。其中E21—E23號(hào)孔處于理論卸壓區(qū)內(nèi)。可以看出：保護(hù)層18125工作面未采過觀測(cè)鉆孔時(shí)，被保護(hù)層處于壓縮形狀態(tài)：當(dāng)工作面推過鉆孔對(duì)應(yīng)位置10 m左右時(shí)，煤層開始發(fā)生明顯膨脹變形，工作面推過30 m時(shí)，膨脹變形率達(dá)到最大值，工作面推過約60 m后，被保護(hù)層膨脹變形率開始降低，工作面推過100 m后 膨脹變形率趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后，E21,E22和E23號(hào)孔的相對(duì)變形率均大于0.3%，表明該區(qū)域卸壓效果顯著。E24和E25號(hào)孔變形相對(duì)較小，最大相對(duì)變形率均低于0.3%，說明該區(qū)域?yàn)槲闯浞中秹骸?/p>

圖7 E區(qū)考察孔膨脹變形率

(2)運(yùn)輸巷側(cè)煤層變形。C區(qū)考察孔布置在18114底抽巷，開孔位置距18125工作面初切眼約325 m，如圖8所示。

圖8 C區(qū)考察孔布置

C區(qū)變形量測(cè)試結(jié)果如圖9所示。C22和C23號(hào)孔處于理論卸壓區(qū)內(nèi)。可以看出：保護(hù)層18125工作面未采過觀測(cè)鉆孔對(duì)應(yīng)位置時(shí)，被保護(hù)層處于壓縮變形狀態(tài)。當(dāng)工作面超過鉆孔對(duì)應(yīng)位置5 m時(shí)，煤層開始發(fā)生明顯的膨脹變形；工作面推過鉆孔30 m時(shí)，膨脹變形率達(dá)到最大值；工作面推過鉆孔約60 m后，被保護(hù)層膨脹變形率開始降低；工作面推過鉆孔100 m后，膨脹變形率趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后，C22和C23號(hào)孔的相對(duì)變形率始終大于0.3%，表明該區(qū)域卸壓效果顯著；C24和C25號(hào)孔的相對(duì)變形率較小，均小于0.3%，表明該區(qū)域?yàn)槲闯浞中秹簠^(qū)。

圖9 C區(qū)考察孔膨脹變形率

3.2.3 理論充分卸壓區(qū)膨脹變形

F組為理論上的充分卸壓區(qū)，鉆孔布置如圖10所示。充分卸壓區(qū)變形率測(cè)試結(jié)果如圖11所示。可以看出，當(dāng)保護(hù)層18125工作面推過觀測(cè)鉆孔對(duì)應(yīng)位置30 m后，F(xiàn)21,F22和F23的相對(duì)變形率均大于0.3%，表明該區(qū)域得到了充分卸壓。

圖11 F區(qū)考察孔膨脹變形率

上保護(hù)層工作面開采后，在其底板形成地應(yīng)力卸壓區(qū)，底板煤巖層應(yīng)力減小，卸壓區(qū)煤巖層向上發(fā)生移動(dòng)和變形。由于保護(hù)層和被保護(hù)層的層間距不同，被保護(hù)層移動(dòng)與變形量存在差距，越靠近開采層，被保護(hù)層膨脹變形量越大，被保護(hù)層卸壓效果越明顯。

由圖11可看出，保護(hù)層工作面前方40 m以遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)的被保護(hù)層處于原始應(yīng)力區(qū)；受采動(dòng)工作面前方應(yīng)力集中的影響，保護(hù)層工作面前方40～5 m范圍，被保護(hù)層處于壓縮變形區(qū)。工作面前方約18 m處被保護(hù)層壓縮變形率最大；工作面前方約5 m處，被保護(hù)層開始卸壓，產(chǎn)生膨脹變形；工作面后方30 m處，被保護(hù)層膨脹變形率達(dá)到最大值；工作面后方約60 m以遠(yuǎn)，由于采空區(qū)后部巖體冒落，頂板巖層充分移動(dòng)，膨脹變形率出現(xiàn)明顯減小；工作面后方約100 m后，膨脹變形率穩(wěn)定至最小值。

從測(cè)試結(jié)果看，保護(hù)層工作面后方30～60 m是被保護(hù)層卸壓抽采瓦斯的最佳區(qū)域。

3.3 被保護(hù)層瓦斯壓力

采用直接法測(cè)定被保護(hù)層瓦斯壓力，測(cè)壓鉆孔選點(diǎn)、布孔、封孔工藝符合AQ/T 1047—2007《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測(cè)定方法》的有關(guān)規(guī)定。A,C,E,F四個(gè)區(qū)域均開展煤層瓦斯壓力測(cè)試，受工作面采動(dòng)擾動(dòng)的影響，僅A區(qū)觀測(cè)到煤層殘余瓦斯壓力，其余鉆孔均出現(xiàn)了漏氣現(xiàn)象。

A1,A5和A7三個(gè)鉆孔的瓦斯壓力曲線如圖12所示。可以看出，隨著工作面推過觀測(cè)鉆孔位置，被保護(hù)層瓦斯壓力有明顯變化。其中A7號(hào)孔最為明顯，當(dāng)工作面推到10 m左右時(shí)，瓦斯壓力開始急劇下降，由0.45 MPa降至0.1 MPa；當(dāng)工作面推過A1和A5號(hào)孔20 m后，2個(gè)鉆孔的瓦斯壓力也出現(xiàn)了一定程度的下降，但降低不明顯。這說明保護(hù)層工作面回采對(duì)被保護(hù)層煤層起到了較好的卸壓增透作用。根據(jù)瓦斯壓力觀測(cè)鉆孔與保護(hù)層工作面初切眼位置的相對(duì)關(guān)系及瓦斯壓力觀測(cè)結(jié)果，得到保護(hù)層開采走向最大有效卸壓角約為69.8°。

圖12 A區(qū)考察孔瓦斯壓力曲線

4 結(jié)論

(1)被保護(hù)層走向垂直應(yīng)力呈中心軸對(duì)稱分布，傾向卸壓區(qū)表現(xiàn)為類橢圓形。

(2)上保護(hù)層工作面開采后，在其底板形成地應(yīng)力卸壓區(qū)，底板煤巖層應(yīng)力減小，卸壓區(qū)煤巖層向上發(fā)生移動(dòng)和變形，由于保護(hù)層和被保護(hù)層層間距的不同，被保護(hù)層移動(dòng)與變形量存在差距，越靠近開采層，被保護(hù)層膨脹變形量越大，被保護(hù)層卸壓效果越明顯。保護(hù)層工作面后方30～60 m是被保護(hù)層卸壓抽采瓦斯的最佳區(qū)域。

(3)根據(jù)瓦斯壓力觀測(cè)鉆孔與保護(hù)層工作面初切眼位置的相對(duì)關(guān)系及瓦斯壓力觀測(cè)結(jié)果，得到保護(hù)層開采走向最大有效卸壓角約為69.8°。

(4)通過數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察分析，根據(jù)被保護(hù)層應(yīng)力分布、煤層頂?shù)装迮蛎涀冃温屎兔簩油咚箟毫ψ兓卣鳎贸霰槐Ｗo(hù)層走向卸壓角約為60°，傾向上下部卸壓角均為75°。