劉鯉粽

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦用材料分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

現(xiàn)今，世界各國煤礦工作者采用理論與現(xiàn)場結(jié)合、數(shù)值分析及模型仿真等手段對工作面開采時上覆巖層的移變規(guī)律進行著研究，解決下保護層開采時上覆巖層變形位移對采煤面的影響。程詳?shù)萚1]系統(tǒng)地對保護層間距進行了科學(xué)劃分，將保護層按照層間距進行了等級劃分，為保護層開采研究提供了系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)；王文等[2]闡述了水力致裂增透深部煤層的保護層判定及其卸壓增透的現(xiàn)場實踐；肖峻峰等[3]建立了保護層開采影響的評判指標(biāo)和相關(guān)考察體系；李潤求等[4]對開采保護層造成的覆巖變形采用了RFPA對巖層破裂過程進行了數(shù)值模擬計算，研究覆巖的變形位移規(guī)律及特征；盧平等[5]利用數(shù)值模擬方法分析覆巖移動規(guī)律并確定開采保護范圍。

下保護層工作面開采后，上覆巖層受采動影響，巖體斷裂造成變形位移，不僅對工作面的開采造成影響，還會導(dǎo)致地表塌陷開裂?；诖?，晉城礦區(qū)針對這一問題，進行了下保護層保護范圍計算圈定和工作面上覆巖層卸壓數(shù)值模擬，為晉城礦區(qū)各煤礦提供下保護層開采相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

1 礦區(qū)概況

晉城礦區(qū)位于地處太行山南麓與中條山北麓交界，地貌多丘陵，呈西北高、東南低的地勢分布。主采3號、9號、15號煤層，可采煤層除少部分貧煤外，其余皆為無煙煤。其中，3號煤層低硫、灰，高發(fā)熱量優(yōu)質(zhì)無煙煤，平均煤層厚度為6 m，瓦斯含量為11～39 m3/t，煤層瓦斯含量高，受瓦斯災(zāi)害威脅嚴(yán)重，瓦斯治理工作難度較大；3號煤層下方約50 m為9號煤層，該煤層瓦斯含量低，基本不受瓦斯災(zāi)害影響，能夠進行下保護層采煤活動。

90402綜采工作面位于晉城礦區(qū)下屬礦井9號煤層，為下保護層開采工作面，該工作面地質(zhì)條件簡單，直接頂巖性為均厚3.9 m的粉砂巖，基本頂巖性為均厚4.5 m的細(xì)砂巖，工作面煤層平均厚度為1.5 m，煤層傾角平均3°，工作面傾向長度為150 m。9號煤層至3號煤層之間的巖性柱狀如圖1所示。

圖1 巖層柱狀

2 保護層開采保護范圍圈定

根據(jù)煤礦防突規(guī)定中的相關(guān)要求，90402工作面煤層傾角不超過10°，工作面進、回風(fēng)兩巷側(cè)防突卸壓角取值均為77°，因此可通過計算得出，被保護工作面防突有效區(qū)域為進、回風(fēng)兩巷內(nèi)錯11.5 m范圍。3號煤層被保護范圍如圖2所示。

圖2 3號煤層被保護范圍

3 保護層開采卸壓效果數(shù)值模擬

針對90402綜采工作面地質(zhì)條件，使用數(shù)值模擬的手段對開采時覆巖卸壓情況及被保護層煤體膨脹變形，確定有效保護范圍。

3.1 建立數(shù)值三維模型

數(shù)值模擬采用FLAC3D數(shù)值仿真計算軟件根據(jù)90402綜采工作面地質(zhì)條件實際數(shù)值建立工作面三維數(shù)值模型，模型長450.0 m，寬300.0 m，高166.7 m。該模型含備35 100個單元以及42 474個及節(jié)點。數(shù)值模型網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 三維數(shù)值模型

該模型中，x軸為工作面布置方向、y軸為工作面回采方向、z軸為工作面覆巖巖層分布方向。z軸僅有底部起始邊界，上方無邊界上限，可以增加垂直應(yīng)力數(shù)值模擬上方覆巖重力。x軸和y軸沿方向設(shè)置載荷，以梯形分布，比豎直方向多設(shè)置20%，工作面回采區(qū)域各留設(shè)75 m保護煤柱用以消除邊界影響。煤(巖)體破壞依據(jù)采用M—C強度準(zhǔn)則，煤巖體物理特性及力學(xué)測定后，模擬數(shù)值參數(shù)見表1。

表1 煤(巖)體物理特性及力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬三維模型建立完成后，制定工作面監(jiān)測模擬方案，按照工作面每回采10 m平衡計算一次，為使工作面充分達到采用條件，共回采300 m，需進行平衡計算30次。工作面在回采過程中，將監(jiān)測線布置到數(shù)值模型中，對覆巖以及保護層應(yīng)力、變形規(guī)律進行追蹤監(jiān)測。檢測線共布置3條，分別對9號煤層直接頂、煤層關(guān)鍵夾層以及3號煤層底板進行監(jiān)測[6-10]。模型監(jiān)測線布置方案如圖4所示。

圖4 數(shù)值模型監(jiān)測線布置方案

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)上覆煤巖體卸壓效應(yīng)。下保護層90402工作面進行采動后，應(yīng)力環(huán)境改變，且隨工作面不斷采動進行動態(tài)變化。在回采過程中，上覆巖層應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 工作面開采過程中覆巖應(yīng)力云圖

通過對圖5分析后可知，垂直應(yīng)力隨埋深增加而隨之增加，覆巖卸壓區(qū)域范圍隨回采距離增加而隨之增大?；夭删嚯x在50 m以內(nèi)時，卸壓區(qū)域為影響到被保護層；回采距離至50～100 m時，卸壓區(qū)域?qū)Ρ槐Ｗo層產(chǎn)生影響，覆巖卸壓效果明顯。

為對覆巖受采動影響進行準(zhǔn)確分析，沿工作面推進方向監(jiān)測不同層位巖層應(yīng)力分布，測線布置如圖4所示，監(jiān)測回采150 m時巖層應(yīng)力曲線如圖6所示。

圖6 覆巖不同層位應(yīng)力分布曲線

圖6中顯示，位于9號煤層直接頂?shù)?號測線測得，原始巖體應(yīng)力為8.5 MPa，最大應(yīng)力為14 MPa，集中系數(shù)為1.6，并在工作面推進過后降低為0；位于3號煤層與9號煤層間石灰?guī)r中的2號測線測得，該處巖體原始應(yīng)力為7.1 MPa，最大應(yīng)力值為9.6 MPa，集中系數(shù)為1.35，工作面推進過后應(yīng)力值降低速度較1號測線處慢；位于3號煤層底板處的3號測線測得，3號煤層底板原始應(yīng)力為6.5 MPa，最大應(yīng)力值為7.9 MPa，集中系數(shù)為1.1，應(yīng)力隨工作面推進距離隨之降低，最終在1 MPa左右穩(wěn)定，不再下降。經(jīng)分析可知，保護層受采動影響隨覆巖垂距增加而變小，且超前影響范圍增加[11-15]。

(2)被保護層變形規(guī)律分析。通過測線3對3號煤層的頂?shù)装鍑鷰r變形量進行監(jiān)測，得到在工作面推進過程中不同距離時的被保護層變形曲線，如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，在工作面回采至50 m時，被保護層幾乎無變化，工作面回采至100 m時，被保護層出現(xiàn)變形，最大變形量為17 mm，并隨工作面推進逐漸平緩，在工作面回采至300 m時，變形量明顯平穩(wěn)，并有所降低，表明卸壓范圍變大，下保護層采空區(qū)中部變形量趨于穩(wěn)定，范圍內(nèi)離層裂隙發(fā)育。

當(dāng)下保護層90402工作面開始回采，3號煤層內(nèi)煤體應(yīng)力和變形特征發(fā)生變化。被保護層沿工作面傾向和走向方向卸壓變形情況如圖8所示。

圖8 被保護層煤體卸壓變形規(guī)律

通過圖8可知，被保護層應(yīng)力趨于集中，煤體出現(xiàn)壓縮變形。在被保護層低應(yīng)力區(qū)域，煤體出現(xiàn)膨脹變形，且變形量較大，為4‰，由于膨脹變形率超過3‰，該區(qū)域為卸壓穩(wěn)定區(qū)域，經(jīng)考察，被保護層傾向被保護層傾向卸壓角為63°，走向卸壓角為60°。

數(shù)值模擬確定卸壓角略小于經(jīng)驗值。分析原因為3號煤層與9號煤層層間巖層以粉砂巖、細(xì)砂巖和石灰?guī)r等較硬巖層為主，抑制了被保層彎曲變形。建議下保護層開采過程中采用無煤柱開采方式，實現(xiàn)被保護層煤體連續(xù)卸壓。

4 鉆孔窺視被保護層卸壓效果

通過對90402工作面頂板施工窺視鉆孔觀察被保護層煤層頂板結(jié)構(gòu)變化，鉆孔深度為50 m，達到被保護3號煤層頂板位置，鉆進完成后沖洗孔壁，采用鉆孔窺視儀進行觀察對比，觀測9號煤層回采對3號煤層頂板結(jié)構(gòu)的影響。保護層采前與采后3號煤體圖像如圖9所示。

圖9 窺視鉆孔示意及保護層開采前后窺視圖像

由圖9可知，90402工作面在回采前，工作面頂板煤層內(nèi)存在多處不連續(xù)小裂縫，煤層整體較為完整。工作面頂板煤層內(nèi)的不連續(xù)小裂縫連通，直接頂巖層內(nèi)出現(xiàn)多處裂隙。經(jīng)分析得知，90402工作回采后，覆巖出現(xiàn)位移變形現(xiàn)象，導(dǎo)致煤層與巖層之間出現(xiàn)離層，保護層開采后，被保護煤層出現(xiàn)裂損，產(chǎn)生的離層裂隙有利于瓦斯解吸。

通過對比90402工作面回采前與回采后的相關(guān)瓦斯參數(shù)可知，在工作面回采前煤層瓦斯含量為7.63～9.91 m3/t，回采后為4.02～4.53 m3/t，回采后瓦斯含量降低50%左右。工作面回采前煤層瓦斯壓力為4.02～4.53 m3/t，回采后為0.23～0.26 MPa，回采后瓦斯壓力降低60%左右。表明保護層工作面開采后瓦斯含量以及瓦斯壓力參數(shù)降低明顯，被保護煤層卸壓消突效果顯著。

5 結(jié)論

通過對下保護層開采數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)下保護層開采后，上覆煤巖層分離，與煤巖距有關(guān)，距離越大，卸壓效果越小，超前影響范圍越大；下保護層開采后，采空區(qū)中部對應(yīng)的被保護層為低應(yīng)力區(qū)域，膨脹變形率為4‰左右，被保護層傾向卸壓角為63°，走向卸壓角為60°；最后通過在保護層工作面頂板打孔窺視的方式，觀察到被保護層的煤巖體出現(xiàn)離層現(xiàn)象，并且裂隙增多。被保護煤層內(nèi)瓦斯含量降低至開采前的50%，瓦斯壓力降低60%，被保護煤層卸壓卸壓消突效果顯著。