表土層厚度對地面瓦斯鉆孔穩定性影響研究＊

趙國貞 馬占國 龔 鵬 王 坤 蔣眾喜

（1.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇省徐州市，221116）

表土層厚度對地面瓦斯鉆孔穩定性影響研究＊

趙國貞1，2馬占國1，2龔 鵬1，2王 坤2蔣眾喜2

（1.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇省徐州市，221116）

針對淮南礦區煤礦11-2煤層覆巖物理力學特性，利用ANSYS軟件中死活單元技術與材料非線性分析方法，模擬在不同表土層厚度下覆巖的水平變形情況，研究表土層厚度對瓦斯抽采鉆孔穩定性的影響。研究結果表明，不同表土層厚度下，覆巖水平變形 “O”形圈現象明顯，并表現出明顯的對稱性，Ⅰ測線和Ⅲ測線變形錯動明顯，呈現趨勢對稱，梯度差值不對稱；Ⅱ測線表土層變形平緩；隨表土層厚度增加，覆巖水平位移最大變形位置明顯由地表、表土層底部向表土層下部基巖轉移，基巖梯度變化區間個數明顯減少，梯度差值增大；工作面中部Ⅱ測線位置不容易剪斷，但中部的破碎巖體易被壓實，后期抽氣效率不高。

瓦斯抽采 表土層厚度 覆巖 水平位移 數值模擬 死活單元

煤和瓦斯共采問題是采礦工程中普遍關注的熱點問題，如何在保障煤礦安全開采的前提下，對瓦斯進行有效穩定的抽采成為研究的重點。在地面打設瓦斯抽放井是瓦斯抽采的一種行之有效的途徑，與此同時，煤礦采動影響下，地面瓦斯鉆孔的穩定性直接影響瓦斯抽放的安全性和可靠性，從而影響到礦井的正常生產。煤層群開采條件下，當保護層開采后，被保護層得到卸壓，圍巖應力狀態、圍巖結構和瓦斯動力參數發生顯著變化，而影響各參數變化和瓦斯抽采鉆孔穩定性的主要因素之一便是表土層厚度。表土層厚度的改變，直接影響著圍巖應力場和位移場，因此，伴隨采深逐漸增加，諸多礦區針對自身地質特征展開了關于影響瓦斯抽采鉆孔穩定性的研究。

本文通過ANSYS數值模擬的方法研究了不同表土層厚度下，覆巖水平變形對瓦斯抽采鉆孔穩定性的影響，總結表土層厚度變化和瓦斯抽采鉆孔變形規律。研究不僅對鉆孔打設位置及抽采鉆孔參數的確定具有指導作用，而且對煤與瓦斯安全共采具有重要意義。

1 模型建立

研究以淮南礦區煤礦11-2煤層為原型。井田煤系地層被第四系表土層覆蓋，表土層厚230～500 m。工作面走向長2801 m，傾斜長250 m，該階段回風巷標高-790～-680 m，地面標高＋23～＋24 m，煤層厚度1.97～2.99 m，平均2.53 m。結合覆巖的物理力學特性，以煤層綜合柱狀圖為依據，在對網格單元優化的基礎上建立力學分析模型，模型中測線布置如圖1所示。

圖1 模型測線布置圖

圖1中工作面長度為240 m，模擬工作面正上方表土層厚度為300～500 m，并在模擬過程中設3條測線，分別為距離工作面端頭10 m、100 m、198 m處。利用ANSYS軟件中死活單元技術、材料非線性分析方法，模擬煤礦開采工作面圍巖的應力與變形，分析在不同表土層厚度 （300 m、400 m、500 m）下，覆巖的應力分布特征、破壞場特征及巖層移動規律，研究表土層厚度變化對瓦斯抽采鉆孔穩定性的影響。

2 表土層厚度對鉆孔穩定性影響

表土層為地表土層，其厚度受地質構造及地形影響嚴重，內部結構復雜，厚度參差不齊，隨著煤炭開采深度增加，表土層厚度對煤礦開采的直接影響為工作面載荷負擔，同時其多變的地質構造對鉆孔的穩定性也有非常大的影響。

2.1 300 m厚表土層覆巖變形規律

當表土層厚300 m，瓦斯抽放鉆孔深度為550 m時，在采動影響下，根據工作面不同推進距離，利用ANSYS軟件中死活單元技術研究覆巖水平變形規律。

（1）當采場推進至60 m時，工作面采空區前、后覆巖內部都出現很小的水平變形，滯后影響角約為46°。

（2）當采場推進至100 m時，采空區前、后方覆巖的水平變形范圍快速增大；受超前壓力影響，工作面前方巖體的水平變形范圍較大，但變形量較小。

（3）當采場推進至140 m時，采空區后方覆巖上部表土層變形范圍局部快速增大，在切眼偏后約60 m處正上方的表土層內產生了一個變形核區；超前工作面10 m范圍內表土層受超前壓力影響出現不對稱的水平位移。

（4）當采場推進至180 m時，采空區前后方上部基巖部分呈現基本對稱的水平變形，邊界移動影響角約為45°，采空區中偏后方的表土層出現梯度水平位移。

（5）當采場推進至220 m時，采空區中后方上部表土層內水平位移明顯大于工作面上方的表土層，而采空區中后方基巖部分的水平位移卻比工作面上方的小，邊界移動影響角約為44°。

表土層厚300 m時，3條測線測得覆巖水平位移如圖2所示。

圖2 表土層厚300 m時覆巖水平位移

由圖2可知，當表土層厚300 m時，隨著工作面的推進，由于受到剪切力的作用，各測線都產生了一定的水平位移。

2.2 400 m厚表土層覆巖變形規律

當表土層厚400 m，瓦斯抽放鉆孔深度為650 m時，在采動影響下，根據工作面不同推進距離，利用ANSYS軟件中死活單元技術研究覆巖水平變形規律。

（1）當采場推進至60 m、100 m時，覆巖表現出與300 m表土層相似的特征。

（2）當采場推進至140 m時，切眼偏后方70 m處產生變形核區，但位置滯后300 m厚表土層10 m。

（3）當采場推進至180 m時，采空區前后方上部基巖同樣部分呈現出基本對稱的水平變形，邊界移動影響角稍有增加，約為46°，呈梯度的水平位移仍出現在采空區中后方。

（4）當采場推進至220 m時，采空區中后方60 m處上部表土層的水平位移比工作面上方的大，基巖部分的水平位移呈現出采空區中后方比工作面上方的小的特征，邊界移動影響角穩定在46°。

表土層厚400 m時，3條測線測得覆巖水平位移如圖3所示。

由圖3可知，表土層厚400 m時3條測線整體表現出與表土層厚300 m時不同的變化趨勢。

（1）Ⅰ測線水平位移區段錯動明顯，同樣表現出明顯的梯度變化，但最大位移出現在表土層下部318 m處，值為37.0 mm，地表處的位移值為27.1 mm，表土層區間內，同樣伴隨表土層深度增加水平位移呈現低降高升的曲線變形；在表土層下部基巖段和圍巖段表現出較表土層厚300 m時更明顯的小范圍區間性梯度變化，其區間水平位移峰值最大值分別為 （445 m，36.1 mm）、 （508 m，3.0 mm）、（572 m，19.5 mm），谷值最大值分別為 （447 m，-11.4 mm）、（540 m，-3.8 mm），峰值與谷值最大梯度差值為47.5 mm，峰值與谷值較表土層厚300 m時波動明顯，增大16.4%。

（2）Ⅱ測線水平位移整體變形平穩，梯度變化較小，表土層內水平位移最大變形出現在地表8.3 mm；基巖內部變形平穩，僅有小范圍波動，其區間水平位移峰值最大值分別為 （477 m，1.5 mm）、（541 m，0.7 mm），谷值最大值分別為（445 m，-6.6 mm）、（508 m，-1.8 mm）、（572 m，-8.6 mm），區間內峰值和谷值的最大梯度差值為10.1 mm，較Ⅰ測線減少78.7%。

圖3 表土層400 m時覆巖水平位移

（3）Ⅲ測線表現出與Ⅰ測線相對稱的梯度變化規律，其最大位移出現在地表下部318 m處，值為37.6 mm，高于Ⅰ測線；在表土層下部基巖段和圍巖段表現出小范圍的區間性梯度變化，其區間水平位移峰值最大值分別為 （477 m，10.1 mm）、（541 m，4.0 mm），谷值最大值分別為 （445 m，-36.7 mm）、（509 m，-4.5 mm）、（572 m，-19.1 mm），峰值與谷值最大梯度差值為46.8 mm，整條測線的最大差值為47.6 mm。

（4）對比表土層厚300 m時的3條測線，表土層厚400 m時，Ⅰ測線梯度差值明顯增大，對瓦斯鉆孔的影響更加明顯；Ⅱ測線與Ⅲ測線變化并不明顯，但表土層厚度的增加導致梯度變化區間減少，小范圍內位移變化劇烈，由此可以推斷為表土層載荷增大導致瓦斯鉆孔在小范圍內將承受劇烈沖擊，不利于鉆孔穩定。

2.3 500 m厚表土層覆巖變形規律

當表土層厚500 m，瓦斯抽放鉆孔深度為750 m時，在采動影響下，根據工作面不同推進距離，利用ANSYS軟件中死活單元技術研究覆巖水平變形規律。

（1）當采場推進至60 m時，滯后影響角約為40°。

（2）當采場推進至100 m時，切眼偏后約60 m位置便產生了一個變形核區，早于表土層厚300 m、400 m時約40 m。

（3）當采場推進至180 m時，采空區前后方上部基巖部分不再呈現對稱的水平變形，邊界移動影響角繼續增大為55°，采空區中后方的厚表土層出現梯度水平位移。

（4）當采場推進至220 m時，表土層的水平位移表現出采空區中后方40 m處比工作面上方的大，比400 m時提前了20 m；基巖部分的水平位移呈現采空區中偏后方比工作面上方的小，邊界移動影響角仍穩定為46°。

表土層厚500 m時，3條測線測得覆巖水平位移如圖4所示。

圖4 表土層厚500 m時覆巖水平位移

由圖4可知，表土層水平位移最大變形位置明顯向表土層下部基巖推移，由地表、表土層底部轉移到表土層下部基巖，同時，基巖梯度變化區間個數明顯減少，梯度差值變化更加劇烈。

（1）Ⅰ測線水平位移區段仍舊表現出明顯的梯度變化，但最大位移出現在表土層下部662 m處，位移值為53.4 mm，地表處的位移值為14.8 mm，相比表土層厚300 m時，表土層底部覆巖水平位移明顯增大，地表變形明顯減小，表土層區間內，同樣伴隨表土層深度增加水平位移呈現低降高升的曲線變形；在表土層下部基巖段和圍巖段表現出較表土層厚400 m時更明顯的小范圍區間性梯度變化，梯度區間個數明顯減少，其區間水平位移峰值最大值為 （662 m，53.4 mm），谷值最大值為（589 m，-30.3 mm），峰值與谷值最大梯度差值為83.7 mm，峰值與谷值較表土層厚300 m時波動明顯，增大105.1%。

（2）Ⅱ測線水平位移整體變形平穩，梯度變化較小，表土層內水平位移最大變形出現在表土層底部478.4 m處，值為7.5 mm；基巖內部變形平穩，僅有小范圍波動，其區間水平位移峰值最大值為 （589 m，3.3 mm），谷值最大值為 （662 m，-26.2 mm），區間內峰值和谷值的最大梯度差值為29.5 mm，較Ⅰ測線減少64.8%。

（3）Ⅲ測線表現出與Ⅰ測線相對稱的梯度變化規律，其最大位移出現在表土層下部基巖662 m處，值為53.0 mm；在表土層下部基巖段和圍巖段表現出小范圍的區間性梯度變化，其區間水平位移峰值最大值為 （589 m，29.6 mm），谷值最大值為 （662 m，-53.0 mm），峰值與谷值最大梯度差值為82.6 mm，與Ⅰ測線相近。

（4）對比表土層厚300 m、400 m時的3條測線，表土層厚500 m時，受載荷影響，Ⅰ測線梯度差值明顯增大，區間個數明顯減小，最大水平位移明顯向下部基巖轉移，對瓦斯鉆孔的影響也更加明顯。

3 結論

通過模擬不同表土層厚度下覆巖的水平變形情況，得到以下結論：

（1）在不同的表土層厚度下，覆巖水平變形“O”形圈現象明顯，并表現出明顯的對稱性。Ⅰ測線和Ⅲ測線變形錯動明顯，關于工作面中軸線呈現趨勢對稱，梯度差值不對稱；Ⅱ測線表土層變形平緩，基巖層變化劇烈。

（2）受表土層厚度影響，表土層水平位移最大變形位置明顯由地表、表土層底部向表土層下部基巖轉移，同時，隨表土層厚度增加，基巖梯度變化區間個數明顯減少，梯度差值變化更加劇烈。

（3）工作面中部Ⅱ測線位置不容易剪斷，但中部的破碎巖體易被壓實，后期抽氣效率不高；Ⅰ測線和Ⅲ測線水平位移梯度變化明顯，覆巖劇烈變動，瓦斯抽放鉆孔易被剪斷或拉斷，Ⅰ測線位于“O”形圈的外邊緣，相對穩定、變形梯度較Ⅲ測線小；從長遠來看，鉆孔位置適宜打在工作面邊緣Ⅰ測線位置。

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On impact of thickness of topsoil on stability of ground gas drilling

Zhao Guozhen1，2，Ma Zhanguo1，2，Gong Peng1，2，Wang Kun2，Jiang Zhongxi2
（1.State Key Laboratory for Geomechanics ＆ Deep Underground Engineering，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.School of Mechanics ＆Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Based on the physical and mechanical properties of overlying strata of 11-2 coal seam located in Huainan mining area，the paper researches the impact of the thickness of topsoil on stability of gas drainage boreholes.It uses the birth-death element technology of ANSYS software and the material nonlinear analysis methods to simulate the horizontal deformation of overlying strata with different thickness of topsoil.The results show that O-ring phenomenon of overlying strata is obvious and the horizontal deformation presents obvious symmetry with different thickness of topsoil；ⅠandⅢsurvey lines show the tendency symmetry and gradient difference asymmetry with evident dislocation deformation；however，deformation of topsoil ofⅡsurvey line is gentle；with the increases of topsoil thickness，the maximum horizontal displacement deformation position of overlying strata transfers to the bedrock from the surface and the bottom of topsoil，and the number of gradient interval significantly decreases and gradient difference increases；the position ofⅡsurvey line in middle part of working face is not easy to cut，but the broken rock is easily compacted，so the gas post-extraction is not efficient.

gas drainage，thickness of topsoil，overlying strata，horizontal displacement，numerical simulation，birth-death element

TD325 TD712

A

國家自然科學基金項目 （51074163），國家自然科學基金重點項目 （50834005），江蘇省自然科學基金 （BK2009092），中央高校基本科研業務費專項資金資助（2012LWB66），江蘇省研究生培養創新工程 （CXZZ12＿0923）

趙國貞 （1985-），男，山東泰安人，博士，從事采動巖體力學與圍巖控制理論方面的科研工作。

（責任編輯 張毅玲）