下保護層開采上覆煤巖體卸壓效果及保護范圍研究

張佳佳

(晉煤集團晉圣億欣煤業有限公司，山西 晉城 048200)

0 引言

瓦斯動力災害威脅礦井安全，突出危險區域瓦斯治理工作嚴重制約采掘生產。實踐證明：開采保護層是一種經濟、有效的區域瓦斯治理方式[1-2]。在我國淮南、陽泉、平頂山等礦區，保護層開采得到了成功應用[3-5]。晉城礦區屬于高瓦斯礦區，瓦斯災害嚴重。隨著近年來高強度開采，3號煤層低瓦斯區域資源逐漸枯竭，開采向高瓦斯甚至突出區域轉移，瓦斯治理工作十分嚴峻。目前常見治理方法為在地面鉆井抽采配合井下預抽煤層瓦斯技術。然而，采區準備時間較長，采掘接替緊張。由于歷史原因，晉城地區鮮有采用保護層開采技術治理煤層瓦斯。開展下保護層開采試驗，提出采用9號煤層作為保護層治理3號煤層瓦斯。開采下保護層工作面后，瓦斯運動轉移規律等其他內部和外部也發生變化。所以，綜合晉城礦區開采條件，進行該情況巖體卸壓力學效應及保護范圍研究，為此項技術應用于晉城礦區作參考。

1 工程背景

晉城礦區3號煤層平均厚度為6 m，開采強度大，煤層瓦斯含量為10～38 m3/t，屬于高瓦斯煤層。礦區內含煤地層共有2組,分別為二疊系山西組以及石炭系太原組，共含煤7～11層，煤層總厚13.5 m，其中主采煤層為二疊系下統山西組的3號煤層和石炭系上統太原組的9號煤層和15號煤層。在3號煤層下方約50 m的9號煤層，是低瓦斯煤層，有下保護層開采的自然條件。選擇晉城礦區某礦9號煤層94302工作面為保護層工作面，進行下保護層試驗。94302工作面是低瓦斯工作面，其工作面走向長度490 m，傾向長度150 m，平均采厚1.5 m，傾角約3°。9號煤層直接頂是粉砂巖，平均厚度為3.9 m。基本頂是細砂巖，平均厚度5.3 m。

2 保護層開采消突效果考察

2.1 誘發煤與瓦斯突出因素分析

煤與瓦斯突出產生于地應力和瓦斯壓力的共同作用。其具體表現為一種異常動力現象，即破壞的煤巖體和瓦斯突然向采掘空間異常拋出[6]。煤與瓦斯突出發生的條件，可由下式表述

W+λ=A

(1)

式中，W為煤體彈性應變能；λ為瓦斯膨脹能；A為煤破碎到粉煤時的能量。

(2)

式中，σ1，σ2，σ3為主應力，MPa；μ為泊松比；E為煤體彈性模量，MPa。

(3)

式中，V為氣體瓦斯量，m3/t；R為氣體常數，R=8.29 J/mol·K；T為煤-瓦斯體系的絕對溫度；θ為絕熱系數，對于瓦斯θ=1.3；P1，P2為初始和最終的瓦斯壓力，MPa。

由式(3)可以得出地應力、瓦斯壓力以及煤巖體力學性質是誘發煤與瓦斯突出的重要因素。要想消除或降低煤體突出危險性，應從這三個方面的因素入手。

2.2 保護層開采消突效果評價指標

裂隙導通和煤層滲透性的改變、對被保護層煤體卸壓作用，最能體現保護層的消突效果。保護層開采消突效果評價指標[7]：①煤體力學性質及瓦斯參數；②應力水平；③煤層開采過程中動力顯現特性。

2.3 保護層保護范圍確定

依據規定[10-11]，可知保護層消突保護有效范圍。根據現場情況，得到9號煤層傾角為3°，回風巷、進風巷側防突卸壓角為77°，據此，在保護工作面兩巷道內錯11.5 m作為防突有效區域，如圖1所示。該有效保護范圍根據經驗推斷，不能普遍適用于煤礦開采，需采取更先進的手段進一步判斷。

圖1 9號煤層開采后3號煤層保護范圍Fig.1 Protection scope of 3# coal seam after mining of 9# coal seam

3 保護層開采卸壓效果數值模擬

3.1 數值模型的建立

根據現場實際情況，采用FLAC3D進行仿真模擬，模型尺寸為450 m×300 m×166.7 m。模型單元數為35 100，節點數為42 474。數值模型網格劃分情況，如圖2所示。

圖2 三維數值模型Fig.2 Three dimensional numerical model

模型邊界條件：模型上部邊界為自由邊界，底部和左右邊界均固定，施加上覆巖層重力。考慮到邊界效應，在采場四周各留煤柱75 m用來消除邊界效應。采用M-C強度準則作為煤巖體屈服破壞判據，對煤巖物理力學參數進行測定，得到數值計算中煤巖力學參數，見表1。

表1 煤巖的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

數值模擬監測方案：每開挖10 m，對巖體進行一次平衡計算，共30次計300 m，開挖要滿足充分采動條件。保護層工作面開挖過程中，充分布置監測線，實時監測上覆巖層及被保護層應力和應變等各項指標。

具體監測位置：煤層上方粉砂巖(直接頂)，細砂巖(層間關鍵層)和3號煤層頂板、底板。共4條測線，監測方案如圖3所示。

圖3 數值模擬監測方案Fig.3 Numerical simulation monitoring scheme

3.2 模擬結果分析

3.2.1 上覆煤巖體卸壓效應

下保護層工作面開采后，原巖應力重新分布，且不斷發生動態調整。推進過程中，上覆巖層應力云圖如圖4所示。

由圖4(a)知：垂直應力和埋深正相關，埋深增加正應力也增加，應力范圍為6.4～9.0 MPa。從圖4(b)～圖4(d)看出，隨著推進距離增加，上覆巖層卸壓區范圍逐漸擴大。開挖到100 m時會對被保護層造成影響，上覆煤巖體卸壓效應明顯。為進一步分析上覆煤巖體受保護層采動影響，沿工作面推進方向監測不同層位巖層應力變化。監測巖層應力曲線，如圖5所示。

圖4 工作面開采過程中覆巖應力云圖Fig.4 Cloud diagram of overburden stress in mining face

由圖5可以看出：煤層直接頂(煤層上方粉砂巖)原巖應力為8.5 MPa，在工作面前方12 m處達到峰值，峰值應力為14 MPa，應力集中系數為1.6，作為工作面開挖推進后，應力劇烈下降至0。此層為冒落帶，已發生拉應力破壞，不能起到支承作用。煤層上方細砂巖原巖應力為7.1 MPa，工作面前方22 m處應力升高為9.6 MPa，應力集中系數約為1.35，工作面推過后降低為1.2 MPa。3號煤層原巖應力為6.5 MPa，靠近工作面開始增大，從工作面網球35 m處，應力升高到7.9 MPa，應力集中系數為1.1左右，工作面開挖推進過后應力降低為1 MPa左右。得出結論是受采動影響隨著上覆巖層距煤層垂直距離增加而減小，但超前影響范圍變大。

圖5 上覆不同層位巖層應力分布Fig.5 Stress distribution of overlying strata in different layers

3.2.2 被保護層應力演化及膨脹變形規律

工作面走向距離對被保護層應力演化及膨脹變形的影響，如圖6、7所示。

由圖6看出：工作面開挖推進50 m時，幾乎沒有被保護層膨脹變形，所以開采對被保護層沒有影響。開挖推進至100 m時，膨脹變形開始顯著呈“V”字型分布，最大值為15 mm。再進一步開挖推進，膨脹變形開始呈“U”型分布。在工作面開挖推進至300 m時，膨脹變形轉為呈“W”型分布，膨脹變形在采空區中部趨于穩定，在開切眼和停采線區域最大。離層裂隙在區域內發育。

圖6 被保護層膨脹變形量Fig.6 Expansion deformation of protected layer

由圖7看出：被保護層煤體膨脹變形量在應力降低區相對較大。被保護層煤體在應力集中區出現壓縮變形。被保護層膨脹變形率在采空區中部為4‰左右，采空區中部為穩定卸壓區域。臨界指標反映了保護層開采后的有效范圍，當膨脹變形率達到3‰視為達到臨界指標。得出被保護層傾向卸壓角為63°，走向卸壓角為60°。

圖7 被保護層煤體卸壓變形規律Fig.7 Pressure relief deformation law of protected coal seam

4 被保護層卸壓效果現場考察

在被保護層巷道巷幫向頂板施工鉆孔，通過采動前后鉆孔電視圖像對比觀測9號煤層回采對3號煤層頂板結構的影響。鉆孔示意圖如圖8所示。

圖8 鉆孔示意Fig.8 Drilling diagram

鉆孔施工完畢后用清水對鉆孔進行沖洗，然后用鉆孔電視對鉆孔進行窺視。保護層采前與采后3號煤體圖像，如圖9所示。由開采前圖像可看出：保護層開采前，3號煤層頂煤存在寬度較小的裂隙，可能是受觀測巷道影響形成的。頂煤與頂板巖層之間沒有明顯裂隙，頂板巖層相對完整，裂隙不發育。從開采后圖像可以看出，頂煤與頂板巖層中的裂隙數量明顯增多。在頂煤與頂板巖層交接處有明顯的裂縫出現，其原因為工作面開采后，上覆巖層的移動變形和下部煤層的沉降不一致，所以煤巖層之間出現離層。因為下部煤層較軟，沉降速度比上部巖層大。因此9號煤層開采后會對被保護層煤體造成損傷，而出現的裂縫對瓦斯的吸收有積極作用。

圖9 保護層開采前后鉆孔圖像Fig.9 Borehole image before and after mining of protective layer

5 結論

(1)根據數值模擬結果得出，工作面開采后，上覆煤巖體采動應力在不同區域表現不同，卸壓程度隨著巖層距煤層距離的增加而逐漸減小，超前影響范圍隨著巖層距煤層距離的增加而變大。

(2)保護層開采后，被保護層膨脹變形率在采空區中部為4‰左右，被保護層傾向卸壓角為63°，走向卸壓角為60°。

(3)保護層開采前后，被保護層煤體出現了離層裂隙。而這種裂隙對降低瓦斯含量、瓦斯壓力均有積極作用。