鄧兆睿，孫德全，任仲久，宋衛(wèi)華

( 1. 遼寧工程技術(shù)大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000；2. 山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟南 250104；3. 山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評估工程實驗室，山東 濟南 250104；4. 中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；5. 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122 )

在我國煤礦生產(chǎn)實踐中，瓦斯是嚴重影響煤礦安全生產(chǎn)的五大危險因素之一。我國也是世界上瓦斯災(zāi)害最嚴重的國家之一，近年來，煤礦瓦斯事故是造成人員傷亡和財產(chǎn)損失較大的事故類型[1-4]。我國煤礦開采理論和實踐均表明，保護層開采是防治煤與瓦斯突出最經(jīng)濟、最有效且使用最廣泛的區(qū)域性措施，在突出礦井開采煤層群的實踐中首先要考慮保護層的開采[5-8]。保護層開采一般選擇厚度≥0.8 m的無突出危險的煤層進行[9]，對于不具備常規(guī)保護層的突出礦井，若直接開采保護層則卸壓效果差且設(shè)備選型困難。研究新形勢下的卸壓增透問題，對突出礦井安全、高效、經(jīng)濟生產(chǎn)具有重要的意義。我國相關(guān)學者做了大量研究，程詳[10]等以蘆嶺礦Ⅲ1采區(qū)為工程背景，利用計算機模擬了軟巖保護層開采卸壓增透全過程，得出了被保護層卸壓范圍的變形程度及卸壓區(qū)域的具體數(shù)值；陳彥龍[11]等利用數(shù)值模擬軟件模擬保護層開采的全過程，得出了當保護層煤層厚度小于被保護層煤層厚度時，隨著保護層煤層厚度的增加，保護效果呈增大趨勢，當保護層厚度為定值時，隨著被保護層厚度的增加，保護效果亦呈增大趨勢；宋衛(wèi)華[12]等采用物理試驗及FLAC3D模擬得出了平煤十礦己1516-24130工作面被保護層的應(yīng)力狀態(tài)及煤層變形量；榮海[13]等采用FLAC3D模擬計算了烏東煤礦南采區(qū)巖柱本身及被保護層垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力的分布情況，并對2個保護層的保護范圍和保護效果進行了評價?；诂F(xiàn)有研究，筆者以中興煤礦3203保護層工作面( 上保護層工作面 )為工程背景，提出了截割軟弱底板以增加開采高度的半煤巖保護層工作面開采方法，通過滑移線場理論分析計算了3203上保護層工作面開采后底板巖體的最大破壞深度，并采用數(shù)值模擬方法對半煤巖上保護層開采卸壓增透效應(yīng)進行討論，研究結(jié)果可為類似工作面提供借鑒。

1 工程概況

汾西礦業(yè)中興煤礦井田內(nèi)主要煤層依次為02，2，4，5，6，8和9號煤層。2015年中興煤礦經(jīng)鑒定測得礦井相對瓦斯涌出量為22.07 m3/t，絕對瓦斯涌出量為66.37 m3/min，為高瓦斯礦井。目前中興煤礦2號煤層為主采煤層，煤質(zhì)為焦煤，煤層厚度為0.80～2.26 m，平均厚度為2 m，平均埋深為796.7 m，煤層傾角平均為7°，其2號煤層于2016年經(jīng)鑒定測得的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見表1，測定結(jié)果符合煤與瓦斯突出煤層特征，即為突出煤層。

表1 2號煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定結(jié)果Table 1 Gas measurement results of No. 2 coal seam

2 號煤層上部為02 號煤層，層間距平均為10.0 m，煤層厚度0.65～1.50 m，穩(wěn)定可采厚度為1.0 m，部分區(qū)域存在較薄夾矸，屬于薄煤層，煤層平均傾角6°，不具備突出危險性。巖層綜合柱狀如圖1所示。礦井進入深部開采后，嚴峻的瓦斯治理形勢成為礦井實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟生產(chǎn)的主要考慮因素。因此，必須采用保護層開采技術(shù)。

圖1 綜合柱狀圖Fig. 1 Histogram of coal seam

2 保護層開采方案的確定

中興煤礦開采2號煤層3203工作面的初期，采用多種抽采方式相結(jié)合的措施進行煤層瓦斯治理，如：本煤層順層鉆孔；高抽巷、鄰近層順層鉆孔等瓦斯抽采技術(shù)。然而在實際鉆孔過程中，部分長距離鉆孔出現(xiàn)塌孔、堵塞等現(xiàn)象，部分鉆孔成孔時間短，煤層深部鉆孔也出現(xiàn)孔壁失穩(wěn)、堵塞等現(xiàn)象，在3203工作面中部約60 m范圍出現(xiàn)空白帶，如圖2所示。

圖2 3203工作面瓦斯抽采剖面Fig. 2 Gas drainage profile of 3203 working face

由于空白帶區(qū)域煤層瓦斯無法滿足防突規(guī)定要求，因此根據(jù)鄰近煤層地質(zhì)條件及保護層開采規(guī)定對本礦情況做出以下分析：① 在煤與瓦斯突出煤層的合理層間距內(nèi)，存在無煤與瓦斯突出危險煤層，無沖擊地壓危險煤層，可作為保護層進行開采。中興煤礦2號煤層經(jīng)鑒定為突出煤層，具有突出危險性，但不屬于沖擊地壓煤層；而02號煤層不是突出煤層，不具備突出危險性，不屬于沖擊地壓煤層，符合保護層開采條件；② 在傾向上，3203工作面中部約80 m范圍的上覆02號煤層部分地區(qū)可采，可布置合適的保護層工作面進行空白帶瓦斯治理；③ 02號煤層屬于稀缺煉焦煤資源，選取02號煤層作為保護層開采可以達到災(zāi)害治理與資源回收的雙重目的。

3203保護層工作面( 上保護層工作面 )開采02號煤層，該工作面回采區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，工作面開采范圍內(nèi)只有部分區(qū)域存在薄夾矸。為保護稀缺煉焦煤資源，針對薄煤層和極薄煤層保護層的開采，提出了截割軟弱底板以增加開采高度的半煤巖保護層工作面開采方法，該方法能有效提高下部煤層群的卸壓效果，同時便于安裝小型綜采設(shè)備[14]。對于02號煤層，把底板0.4 m的泥巖同煤層一起開采，可增加工作面采高至1.4 m。

3 上保護層開采底板破壞深度

上保護層工作面推進過程中，采場周圍的應(yīng)力重新分布，覆巖的重力集中在采場前后及兩側(cè)的煤體上，采場底板下一定范圍的巖體，在超過其臨界支承壓力的作用下，巖體將產(chǎn)生塑性變形，并形成塑性區(qū)；隨著工作面的推進，支承壓力范圍不斷移動，當支承壓力達到部分巖體破壞的最大載荷時，多個塑性區(qū)將相互連通，已產(chǎn)生塑性變形的巖體在擠壓力的作用下向采空區(qū)移動，采空區(qū)底板膨脹隆起，形成連續(xù)滑移面，此時底板破壞程度達到最大[15]。底板塑性破壞區(qū)剖面如圖3所示。

圖3 底板塑性破壞區(qū)剖面示意Fig. 3 Schematic diagram of the section of the plasticfailure zone of the floor

滑移線場理論將破壞區(qū)分為3個部分：采前主動極限區(qū)oab和采后被動極限區(qū)ode的滑移線近似直線，采中過渡區(qū)obd的滑移線呈對數(shù)螺線[16]?；凭€方程為

式中，0φ為底板巖體的內(nèi)摩擦角，( ° )；θ為r與r0之間的夾角，( ° )。

在△oab中：

式中，0x為煤柱屈服長度，m。

在△ocf中：

將式( 1 )和( 4 )代入式( 3 )，得出底板破壞深度公式[9]為

底板巖體塑性區(qū)最大破壞深度距離工作面煤壁的水平距離 aL為

底板巖體以泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，綜合考慮取內(nèi)摩擦角 0φ為34°，煤柱屈服長度根據(jù)經(jīng)驗公式x0=0.015H，H為02 號 煤層的平 均埋深，取786.7 m，將計算結(jié)果11.80 m代入式( 6 )，( 7 )計算得：hmax=20.74 m，aL=13.99 m。2號煤層與02號煤層平均層間距為10 m，小于底板巖體最大破壞深度，因此，3203保護層工作面作為3203工作面的上保護層具有合理垂距。

4 半煤巖上保護層開采卸壓增透機理

4.1 數(shù)值模型的建立

利用FLAC3D進行建模，本次模擬的主要研究對象為保護層底板巖層，模型尺寸為252 m×200 m×100 m( 長×寬×高 )，共建立1 128 600 個單元，1 129 758個節(jié)點。模型開采02號煤層，模擬采高為1.4 m；上部巖層厚度總計為48.6 m；下部巖層厚度總計為50.4 m。模擬采取走向推進，工作面開采長度為71 m，模型的四周和底部邊界固定，模型頂部為自由邊界，建立的計算模型如圖4所示。結(jié)合中興煤礦3203工作面( 被保護層工作面 )及3203保護層工作面( 上保護層工作面 )地質(zhì)概況，選用摩爾庫侖本構(gòu)模型模擬采動效應(yīng)下巖土體因剪切拉伸作用而失穩(wěn)時的動力學變化特征，煤巖體的物理力學參數(shù)見表2。

圖4 六面體模型Fig. 4 Hexahedron model

表2 煤巖體物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

4.2 模擬結(jié)果分析

工作面從模型右側(cè)距離邊界50 m處開始從右向左推進，選取半煤巖保護層工作面開采20，40，60，80，100 m時的下伏被保護層的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)進行分析。

4.2.1 應(yīng)力分析

上保護層工作面開采后，上覆及下伏煤巖體產(chǎn)生位移變形，地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變。圖5為3203保護層工作面推進20～100 m的過程中，3203被保護層工作面相對應(yīng)的垂直應(yīng)力分布情況。

圖5 被保護層工作面垂直應(yīng)力分布Fig. 5 Vertical stress distribution of the protected layer

由圖5可知，當上保護層工作面推進20 m時，被保護層工作面應(yīng)力由高降低再升高；當上保護層工作面推進40 m時，被保護層工作面的應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)的范圍擴大，原壓縮范圍的煤體隨著上保護層工作面的推進開始膨脹；當上保護層工作面推進60 m時，被保護層工作面的應(yīng)力降低區(qū)數(shù)值有所恢復，經(jīng)過膨脹后的煤體呈現(xiàn)再壓縮的趨勢，出現(xiàn)應(yīng)力恢復區(qū)；當上保護層工作面推進80～100 m時，被保護層工作面的應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力恢復區(qū)的范圍也隨之增大。

為了更好地觀測3203工作面( 被保護層工作面 )隨上保護層工作面開采的應(yīng)力變化情況，在3203保護層工作面( 上保護層工作面 )中部對應(yīng)的位置每隔1 m設(shè)置1個應(yīng)力測點，以便及時反映被保護層的應(yīng)力動態(tài)變化情況，其應(yīng)力分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 被保護層垂直應(yīng)力走向分布曲線Fig. 6 Distribution curves of vertical stress of the protected layer strike

由圖6可知，當3203保護層工作面推進20 m時，被保護層工作面對應(yīng)區(qū)域圍巖應(yīng)力降低至3.7～15.0 MPa，此時煤壁前方10～30 m為應(yīng)力升高區(qū)，煤壁后方約20 m為應(yīng)力降低區(qū)；當3203保護層工作面推進40 m時，被保護層工作面對應(yīng)區(qū)域圍巖應(yīng)力降低至1.4～11.8 MPa，此時煤壁前方10 m范圍為應(yīng)力升高區(qū)，煤壁后方40 m范圍的應(yīng)力降低區(qū)進一步擴大；隨著上保護層工作面的不斷推進，采空區(qū)后方散落的巖體在上覆巖層的重力作用下被壓實，即工作面推進至80 m時，開始出現(xiàn)應(yīng)力恢復區(qū)，應(yīng)力逐漸升高至8～10 MPa，此時的應(yīng)力恢復區(qū)約為開切眼前方25 m。3203保護層工作面開采上覆巖層穩(wěn)定后，3203被保護層工作面對應(yīng)區(qū)域的圍巖應(yīng)力由原巖應(yīng)力19 MPa降低至8～10 MPa，卸壓效果明顯，此時的應(yīng)力恢復區(qū)范圍約為開切眼前方50 m。由此可知，隨著3203保護層工作面的開采，被保護層壓縮—膨脹—壓縮—穩(wěn)定的過程呈“V”字形，并不斷向前演化遷移，卸壓區(qū)域逐漸增大。以卸壓率為判斷依據(jù)，卸壓率的定義為反應(yīng)上覆巖層中應(yīng)力的變化程度，其計算公式[10]為

式中，sη為卸壓率；σz' 為卸壓垂直應(yīng)力，即原始垂直應(yīng)力與卸壓后垂直應(yīng)力的差值，MPa；σz為原始垂直應(yīng)力，MPa。

3203保護層工作面開采上覆巖層穩(wěn)定后，3203工作面的卸壓率為0.58。

4.2.2 位移分析

上保護層工作面開采后，被保護層工作面發(fā)生了位移變形，圖7為上保護層工作面推進20～100 m時，3203工作面的垂直位移分布情況。

圖7 被保護層工作面垂直位移分布Fig. 7 Vertical displacement distribution of the protected layer

由圖7可知，3203保護層工作面開采后，在3203工作面對應(yīng)的區(qū)域產(chǎn)生了向上的位移。3203保護層工作面推進20 m時，被保護層工作面區(qū)域應(yīng)力降低區(qū)出現(xiàn)向上位移，由此可知，3203保護層工作面開采后，在對應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)，被保護層工作面煤體膨脹數(shù)值為50～113 mm；當3203保護層工作面推進40 m時，被保護層工作面煤體膨脹區(qū)域位移增大，最大值為425.06 mm；此后，隨著3203保護層工作面的推進，被保護層工作面在其對應(yīng)區(qū)域位移量達到50～524.95 mm；當3203保護層工作面推進至100 m時，被保護層工作面大部分煤體都出現(xiàn)向上位移。對圖7( e )中卸壓區(qū)域的傾向長度進行測量，此時卸壓區(qū)域占工作面整體長度的83.2%，根據(jù)推進100 m時的卸壓區(qū)域確定傾向卸壓角約為60°。

在模型保護層工作面開挖前，提前在被保護層頂?shù)装迕扛? m布置1個位移測點，以膨脹變形率[10]為判斷依據(jù)，膨脹變形率反映被保護層的卸壓效果，其計算公式為

式中，F(xiàn)為膨脹變形率，‰；S為被保護層頂?shù)装宓淖冃瘟浚琺m；D為開采煤層的厚度，m。

根據(jù)式( 9 )計算得到被保護層膨脹變形分布規(guī)律如圖8所示。

由圖8可知，3203保護層工作面開采后，在3203工作面對應(yīng)的區(qū)域產(chǎn)生了膨脹變形，變形量均大于6‰，滿足《防治煤與瓦斯突出細則》的規(guī)定，變形量大于3‰。隨著上保護層工作面開采距離的增大，被保護層膨脹變形量不僅在數(shù)值上逐漸增大，并且上保護層工作面采空區(qū)膨脹變形量是被保護層工作面附近膨脹變形量的2倍。此外，對比工作面推進20，40，60，80，100 m的曲線，可以看出，上保護層工作面開始推進時變形量峰值較大，當推進達到一定距離時，峰值開始下降，且原峰值也隨之下降，由此可知，隨著上保護層工作面的推進，被保護層工作面經(jīng)過膨脹—再壓縮的過程，能夠有效地促進瓦斯解吸。因此上保護層工作面開采對3203工作面起到了很好的卸壓作用。

圖8 被保護層膨脹變形走向曲線Fig. 8 Curves of expansion and deformation of the protected layer strike

3203保護層工作面開采后，被保護層沿傾向圍巖應(yīng)力和膨脹變形如圖9，10所示，其呈負相關(guān)關(guān)系。

圖9 被保護層工作面垂直應(yīng)力傾向分布曲線Fig. 9 Distribution curve of vertical stress along the protected layer

由圖9可知，被保護層工作面沿傾向垂直應(yīng)力卸壓明顯，被保護層卸壓區(qū)域應(yīng)力降低，其值近似為0，而工作面兩端垂直應(yīng)力值大于正常值的1/4，呈現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，符合保護層底板巖層應(yīng)力分布狀態(tài)的特征。由圖10可知，在卸壓區(qū)域膨脹變形率均大于6‰，膨脹變形幾乎對稱，根據(jù)圖像推斷，工作面沿傾向卸壓范圍約為60 m。

圖10 被保護層工作面膨脹變形率分布曲線Fig. 10 Distribution curve of expansion and deformation along the protected layer

綜上分析，上保護層開采卸壓機理為：上保護層工作面開采后，上覆巖層和下伏巖體向采空區(qū)方向發(fā)生不協(xié)調(diào)的位移變形，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，被保護層工作面處于卸壓狀態(tài)，地應(yīng)力降低，被保護層工作面煤體出現(xiàn)膨脹變形，巖層移動產(chǎn)生大量的采動裂隙，剪切破壞致使離層裂隙和穿層裂隙發(fā)育，形成裂隙帶，為瓦斯的擴散和滲流提供通道，被保護層工作面透氣性增大，卸壓煤層瓦斯解吸，為卸壓瓦斯抽采、降低被保護層工作面瓦斯含量和壓力提供了條件[17-21]。

5 被保護層工作面卸壓效果考察

3203保護層工作面開采后，3203工作面卸壓效果采用殘余瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)及孔隙率和殘余瓦斯壓力為指標進行考察。

( 1 ) 根據(jù)3203工作面定點測得殘余瓦斯含量為4.57 m3/t，煤的可解吸瓦斯量Wj=0.68 m3/t。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》中要求的采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量指標( 工作面日產(chǎn)量≤1 000 t，可解吸瓦斯量≤8 m3/t )，2號煤層最大殘余瓦斯含量為4.57 m3/t＜8 m3/t，Wj=0.68 m3/t≤8 m3/t，符合規(guī)定。

( 2 ) 3203保護層工作面開采一定時間，3203工作面卸壓后，實驗室對煤樣進行了測定，3203工作面煤層的孔隙率發(fā)生明顯改變，由3.50%增加至4.05%，煤層透氣性系數(shù)由0.043 7 m2/( MPa2·d )增加至1.08 m2/( MPa2·d )，約為原透氣性系數(shù)的25倍。因此，被保護層工作面卸壓明顯，保護層開采對瓦斯治理具有一定效果。

( 3 ) 根據(jù)實測數(shù)據(jù)，2號煤層最大殘余瓦斯壓力為0.31 MPa，該值遠小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中規(guī)定的臨界值0.74 MPa，且在檢驗鉆孔施工過程中，鉆孔無噴孔、頂鉆及其他突出預(yù)兆，2號煤層3203工作面瓦斯治理達標。

綜上，中興煤礦在02號煤層開采3203保護層工作面以解決3203工作面抽采存在空白帶的問題，盡管工程量有所增加，但是通過保護層開采使得3203工作面孔隙率和透氣性系數(shù)增大，不僅使被保護層工作面瓦斯治理滿足規(guī)定要求，而且通過開采保護層工作面獲得了巨大的經(jīng)濟效益，可為類似工作面提供借鑒。

6 結(jié) 論

( 1 ) 針對薄煤層和極薄煤層保護層的開采，提出了截割軟弱底板以增加開采高度的半煤巖上保護層工作面開采方法。將02號煤層底板0.4 m的泥巖同煤層一起開采，增加工作面采高至1.4 m。通過滑移線場理論分析計算了3203保護層工作面開采后，底板巖體最大破壞深度hmax達20.74 m，底板最大破壞深度與工作面煤壁的水平距離為13.99 m。

( 2 ) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，上保護層工作面開采后，應(yīng)力由原巖應(yīng)力19 MPa降低至8～10 MPa，卸壓效果明顯。隨著上保護層工作面的開采，被保護層工作面經(jīng)歷壓縮—膨脹—壓縮—穩(wěn)定的過程，該過程呈線性動態(tài)前進，卸壓區(qū)域逐漸增大，被保護層工作面的卸壓率達到0.58；上保護層工作面開采范圍內(nèi)被保護層工作面大部分煤體都出現(xiàn)向上位移，產(chǎn)生了膨脹變形，膨脹變形率均大于6‰；隨著上保護層工作面的掘進，被保護層工作面經(jīng)過膨脹—再壓縮的過程，有效地促進了瓦斯的解吸，此時卸壓區(qū)域占被保護層工作面整體長度的83.2%，傾向卸壓角約為60°。

( 3 ) 上保護層工作面開采卸壓機理為：上保護層工作面開采后，上覆巖層和下伏巖體向采空區(qū)方向發(fā)生不協(xié)調(diào)的位移變形，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，被保護層工作面處于卸壓狀態(tài)，地應(yīng)力降低，被保護層工作面煤體出現(xiàn)膨脹變形，巖層移動產(chǎn)生大量的采動裂隙，剪切破壞致使離層裂隙和穿層裂隙發(fā)育，形成裂隙帶，為瓦斯的擴散和滲流提供了通道，被保護層工作面透氣性增大，卸壓煤層瓦斯解吸，為卸壓瓦斯抽采、降低被保護層瓦斯含量和壓力提供了條件。

( 4 ) 3203保護層工作面開采后，3203被保護層殘余瓦斯含量為4.57 m3/t，Wj=0.68 m3/t，煤層透氣性系數(shù)由0.043 7 m2/( MPa2·d )增加至1.08 m2/( MPa2·d )，約為原透氣性系數(shù)的25倍，孔隙率由3.5%增加至4.05%，殘余瓦斯壓力為0.31 MPa，均符合相關(guān)規(guī)定，卸壓效果良好。3203保護層工作面開采消除了煤與瓦斯突出危險，實現(xiàn)了高瓦斯礦井突出煤層高效、安全、經(jīng)濟生產(chǎn)的目的。

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