石新禹

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司 一號(hào)煤礦，陜西 延安 727306）

0 引 言

隨著機(jī)械化程度提高，煤炭采出速率不斷提升，留設(shè)煤柱開采方式下資源浪費(fèi)問題愈發(fā)突出[1-2]，由于留設(shè)煤柱上方應(yīng)力集中而引起煤與瓦斯突出十分嚴(yán)重[3]。沿空留巷是一項(xiàng)安全高效的無煤柱開采技術(shù)，是我國煤炭可持續(xù)發(fā)展及科學(xué)采礦的重要發(fā)展方向之一[4-5]。由于預(yù)裂切頂及通風(fēng)方式的轉(zhuǎn)變對(duì)瓦斯治理增加難度[6-7]，需進(jìn)一步深入研究。因此，沿空留巷無煤柱開采下煤與瓦斯共采的探索對(duì)我國無煤柱開采技術(shù)發(fā)展具有重要意義，不僅提高了資源的整體利用率，同時(shí)降低了瓦斯事故對(duì)煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)的威脅[8]。

煤層開采會(huì)引起采場周圍巖體產(chǎn)生劇烈的巖層移動(dòng)和應(yīng)力調(diào)整，使得上覆巖層產(chǎn)生裂隙，為卸壓瓦斯運(yùn)移提供通道。無煤柱開采條件下采動(dòng)覆巖裂隙形態(tài)、通風(fēng)方式均會(huì)發(fā)生改變，對(duì)卸壓瓦斯抽采造成一定影響[9-13]。因此，對(duì)于無煤柱開采覆巖裂隙演化特征需進(jìn)一步研究，使其能夠盡快地在無煤柱煤與瓦斯共采領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有的作用，以實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯的安全高效共采。

1 切頂留巷全過程圍巖運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型

切頂卸壓沿空留巷的圍巖運(yùn)動(dòng)一般具有階段特征性，根據(jù)圍巖變形特征及施工工序，一般將切頂成巷圍巖移動(dòng)變形歸納為以下幾個(gè)階段，如圖1 所示。

圖1 無煤柱自成巷圍巖運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Surrounding rock movement structure model of self-formed roadway without coal pillar

階段I：未實(shí)施切頂卸壓前，上覆巖層頂板圍巖保持原有的完整性，此時(shí)巷道頂板兩端固支，如不考慮煤層傾角、水平應(yīng)力等情況，則此時(shí)可視為頂板沿巷道斷面呈對(duì)稱分布，此時(shí)巷道穩(wěn)定，未發(fā)生變形特征。

階段II：實(shí)施切頂卸壓后，切頂預(yù)裂爆破切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板力學(xué)聯(lián)系，切縫線兩側(cè)由于切縫裂隙導(dǎo)致圍巖完整性被削弱，隨巷道采動(dòng)壓力，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張，切縫兩側(cè)約束進(jìn)一步削弱，隨后頂板結(jié)構(gòu)可視為一端固支一端簡支的結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)。該階段，部分荷載已轉(zhuǎn)移至下一工作面，但由于工作面未推過，切縫線偏向該工作面，因此煤體對(duì)頂板亦起到斜撐作用，頂板幾乎不產(chǎn)生下沉變形，但隨著工作面的不斷推采，采動(dòng)應(yīng)力進(jìn)一步影響切縫效果，巷道受超前支承壓力影響，出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

階段III：隨著工作面推采超越切縫線，此時(shí)，工作面端頭老頂處于懸頂狀態(tài)，但由于頂板切頂預(yù)裂，此時(shí)老頂懸頂距離普遍不大，頂板逐漸垮落，然而，由于垮落不充分，此時(shí)老頂與垮落空間范圍內(nèi)存在未充實(shí)空間。上位巖層之間形成頂梁鉸接結(jié)構(gòu)，將荷載傳遞至較遠(yuǎn)的實(shí)體煤和采空區(qū)。此時(shí)，切縫范圍內(nèi)頂板可視為一端固支一端懸臂的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。此階段內(nèi)，采空區(qū)頂板巖層處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此該階段的圍巖控制是保證成巷穩(wěn)定的關(guān)鍵。

階段IV：隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)逐漸被垮落矸石充實(shí)完畢，上位老頂巖層運(yùn)移基本趨于穩(wěn)定。這一期間，頂板載荷少部傳遞至實(shí)體煤，多部傳遞至采空區(qū)深部，頂板淺部離層受錨索支護(hù)效果，逐漸與錨索深部巖層形成一體。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模擬方案

（1） 數(shù)值模型的建立。

以陜西黃陵一號(hào)煤礦1009 工作面開采技術(shù)條件及工程地質(zhì)條件為背景，通過3DEC 數(shù)值模擬研究切頂成巷全過程采動(dòng)裂隙分布特征，為卸壓瓦斯抽采鉆孔布置層位提供參考依據(jù)。

1009 工作面工作面設(shè)計(jì)可采走向長度2 822 m，傾斜寬度235 m，采用一次采全高、走向長壁后退式、切頂留巷綜合機(jī)械化方法采煤，全部垮落法管理頂板；工作面煤層賦存平緩，煤層底板標(biāo)高為850—885 m，地表標(biāo)高1 162—1 302 m，埋藏深度277 ～452 m，煤層厚度1.0 ～2.75 m，平均2.2 m，煤層傾角1°～5°。根據(jù)工作面綜合柱狀圖建立數(shù)值模型，為了保證數(shù)值模擬運(yùn)算速度，模型尺寸設(shè)定為300 m×305 m×175 m，如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模型建立Fig.2 Establishment of numerical model

（2） 邊界條件。

固定模型下部邊界，約束模型四周側(cè)向位移，頂部為自由邊界。模型中未模擬的部分巖層以頂部施加均布載荷替代：

式中：P 為壓力，Pa；ρ 為密度，取2 400 kg/m3；h為厚度，取257 m；g 取9.8 N/kg。

通過計(jì)算，應(yīng)在模型上部施加6.05 MPa 壓力來替代未模擬巖層。

（3） 模擬方案設(shè)計(jì)。

模型建立完畢后，對(duì)整體模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡，收斂比率設(shè)置為10-5，該步驟完成后，將模型中的位移清零。數(shù)值模擬中邊界效應(yīng)可能會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，故分別在工作面四周預(yù)留30 m的煤柱。

首先施工1009 工作面順槽，即1009 運(yùn)輸巷和1009 輔助運(yùn)輸巷，再完成1009 切眼開挖，切眼寬度7 m，每開挖一次進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)模型最大不平衡力比率小于10-5時(shí)，開挖步驟完成，進(jìn)行下一次開挖，開挖前預(yù)裂切頂，工作面總開挖長度240 m。

2.2 模擬結(jié)果分析

1009 工作面充分采動(dòng)后后覆巖變形破壞特征如圖3 所示。采空區(qū)中部基本頂下沉量較大首先出現(xiàn)斷裂，斷裂后切縫側(cè)基本頂由于切縫影響，導(dǎo)致巖層以采空區(qū)中部觸矸位置為支點(diǎn)沿切縫線充分滑落，而非切縫側(cè)由于下部不穩(wěn)定巖梁的支撐作用而繼續(xù)形成一端觸矸，另一端搭接在煤體的不穩(wěn)定巖梁，如圖3（a） 所示。此時(shí)工作面已經(jīng)充分采動(dòng)，垮落帶的高度基本不再變化，穩(wěn)定在7 m 左右，裂隙帶的發(fā)育高度為55 m 左右，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.73。同時(shí)，采空區(qū)中部垮落帶內(nèi)裂隙已基本處于壓實(shí)閉合狀態(tài)，裂隙區(qū)寬度約為40 m，切眼處巖層破斷角為67°，工作面停采處巖層破斷角約為62°。

圖3 充分采動(dòng)覆巖移動(dòng)特征Fig.3 Characteristics of fully mining overlying strata movement

3 工程實(shí)踐

依據(jù)1009 工作面采動(dòng)覆巖裂隙形態(tài)特征，結(jié)合數(shù)值模擬優(yōu)化高位抽采鉆孔參數(shù)、1009 工作面順槽及生產(chǎn)系統(tǒng)布置情況，此次長距離大孔徑高位裂隙鉆孔鉆場布置在1009 輔運(yùn)順槽原有倒車硐室內(nèi)及本煤層鉆場內(nèi)，每個(gè)鉆場設(shè)計(jì)施工鉆孔8 個(gè)，鉆孔定向穩(wěn)斜段在水平位置上布置于距1009 工作面輔運(yùn)順槽主幫30 ～60 m，剖面位置上位于煤層以上30 ～45 m 的頂板裂隙帶內(nèi)，鉆孔布置參數(shù)見表1。通過對(duì)1009 工作面輔助運(yùn)輸巷1 號(hào)鉆場抽采參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，得到瓦斯抽采鉆孔純量變化情況，如圖4 所示。

表1 1009 工作面1 號(hào)高位鉆場長距離大孔徑高位裂隙鉆孔布置參數(shù)Table 1 1009 working face No.1 high-level drilling field long-distance large-aperture high-level fracture drilling layout parameter table

圖4 各鉆孔瓦斯抽采純量Fig.4 Pure amount of gas extraction in each borehole

由圖4 可知，在1 號(hào)鉆場中，3、5、7、8 號(hào)鉆孔抽采純量較高，其中3 號(hào)鉆孔抽采純量最大，最大可達(dá)5.6 m3/min，其次為8 號(hào)鉆孔，最大可達(dá)3.8 m3/min。因此可知，合理的布孔層位在30 ～44 m。將30 ～44 m 分成低、中、高3 個(gè)層位，分別為30 ～35 m、35 ～10 m、40 ～44 m，其中30 ～35 m 主要特征為抽采流量大，濃度小，并且流量濃度較為穩(wěn)定，主要解決鉆場抽采初期卸壓瓦斯；35 ～40 m 主要特征為流量濃度隨工作面推進(jìn)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，主要解決鉆場抽采中期卸壓瓦斯；40 ～45 m 層位抽采鉆孔主要特征為流量低，濃度高，主要解決鉆場抽采末期卸壓瓦斯。

從抽采純量來看，低位鉆孔抽采純量比較穩(wěn)定，但純量較低，中位鉆孔抽采純量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，高位鉆孔抽采純量前期較低，末期增高。整體抽采效果良好，有效治理了1009 回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，監(jiān)測得到回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛热?所示。

由圖5 可知，1009 工作面回風(fēng)巷最大瓦斯?jié)舛染刂圃?%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了1009 工作面安全回采，驗(yàn)證了卸壓瓦斯高位定向抽采鉆孔的合理性。

圖5 回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛菷ig.5 Gas concentration in return airway

4 結(jié) 論

（1） 根據(jù)110 工法開采過程頂板結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化特征，將切頂留巷圍巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)劃分為4 個(gè)階段，其中階段Ⅲ的圍巖控制是保證成巷穩(wěn)定的關(guān)鍵。

（2） 通過數(shù)值模擬研究試驗(yàn)工作面采動(dòng)覆巖裂隙分布特征，隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，上覆巖層經(jīng)歷變形、下沉、斷裂、垮落的過程，裂隙帶高度不斷增長直至充分采動(dòng)。工作面充分采動(dòng)后，垮落帶的高度基本不再變化，穩(wěn)定在7 m 左右，裂隙帶發(fā)育高度為55 m 左右，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.73，采空區(qū)中部垮落帶內(nèi)裂隙已基本處于壓實(shí)閉合狀態(tài)，裂隙區(qū)寬度約為40 m，切眼處巖層破斷角為67°，工作面停采處巖層破斷角約為62°。

（3） 根據(jù)1009 工作面切頂沿空留巷無煤柱開采技術(shù)下采動(dòng)裂隙形態(tài)特征，施工定向高位鉆孔，現(xiàn)場抽采效果良好，驗(yàn)證了卸壓瓦斯高位定向抽采鉆孔的合理性，有效治理了1009 回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，實(shí)現(xiàn)了1009 工作面安全回采。