遠距離下保護層開采對上覆煤巖層卸壓效果的影響

劉鯉粽

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 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)

現今，世界各國煤礦工作者采用理論與現場結合、數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。程詳等[1]系統地對保護層間距進行了科學劃分，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的研究基礎；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場實踐；肖峻峰等[3]建立了保護層開采影響的評判指標和相關考察體系；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值模擬計算，研究覆巖的變形位移規律及特征；盧平等[5]利用數值模擬方法分析覆巖移動規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，還會導致地表塌陷開裂。基于此，晉城礦區針對這一問題，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值模擬，為晉城礦區各煤礦提供下保護層開采相關技術參數。

1 礦區概況

晉城礦區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，高發熱量優質無煙煤，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，受瓦斯災害威脅嚴重，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下屬礦井9號煤層，為下保護層開采工作面，該工作面地質條件簡單，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

根據煤礦防突規定中的相關要求，90402工作面煤層傾角不超過10°，工作面進、回風兩巷側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域為進、回風兩巷內錯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值模擬

針對90402綜采工作面地質條件，使用數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 建立數值三維模型

數值模擬采用FLAC3D數值仿真計算軟件根據90402綜采工作面地質條件實際數值建立工作面三維數值模型，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個及節點。數值模型網格劃分情況如圖3所示。

圖3 三維數值模型

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，可以增加垂直應力數值模擬上方覆巖重力。x軸和y軸沿方向設置載荷，以梯形分布，比豎直方向多設置20%，工作面回采區域各留設75 m保護煤柱用以消除邊界影響。煤(巖)體破壞依據采用M—C強度準則，煤巖體物理特性及力學測定后，模擬數值參數見表1。

表1 煤(巖)體物理特性及力學參數

數值模擬三維模型建立完成后，制定工作面監測模擬方案，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，將監測線布置到數值模型中，對覆巖以及保護層應力、變形規律進行追蹤監測。檢測線共布置3條，分別對9號煤層直接頂、煤層關鍵夾層以及3號煤層底板進行監測[6-10]。模型監測線布置方案如圖4所示。

圖4 數值模型監測線布置方案

3.2 模擬結果分析

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

圖5 工作面開采過程中覆巖應力云圖

通過對圖5分析后可知，垂直應力隨埋深增加而隨之增加，覆巖卸壓區域范圍隨回采距離增加而隨之增大。回采距離在50 m以內時，卸壓區域為影響到被保護層；回采距離至50～100 m時，卸壓區域對被保護層產生影響，覆巖卸壓效果明顯。

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

圖6 覆巖不同層位應力分布曲線

圖6中顯示，位于9號煤層直接頂的1號測線測得，原始巖體應力為8.5 MPa，最大應力為14 MPa，集中系數為1.6，并在工作面推進過后降低為0；位于3號煤層與9號煤層間石灰巖中的2號測線測得，該處巖體原始應力為7.1 MPa，最大應力值為9.6 MPa，集中系數為1.35，工作面推進過后應力值降低速度較1號測線處慢；位于3號煤層底板處的3號測線測得，3號煤層底板原始應力為6.5 MPa，最大應力值為7.9 MPa，集中系數為1.1，應力隨工作面推進距離隨之降低，最終在1 MPa左右穩定，不再下降。經分析可知，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)被保護層變形規律分析。通過測線3對3號煤層的頂底板圍巖變形量進行監測，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，并有所降低，表明卸壓范圍變大，下保護層采空區中部變形量趨于穩定，范圍內離層裂隙發育。

當下保護層90402工作面開始回采，3號煤層內煤體應力和變形特征發生變化。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律

通過圖8可知，被保護層應力趨于集中，煤體出現壓縮變形。在被保護層低應力區域，煤體出現膨脹變形，且變形量較大，為4‰，由于膨脹變形率超過3‰，該區域為卸壓穩定區域，經考察，被保護層傾向被保護層傾向卸壓角為63°，走向卸壓角為60°。

數值模擬確定卸壓角略小于經驗值。分析原因為3號煤層與9號煤層層間巖層以粉砂巖、細砂巖和石灰巖等較硬巖層為主，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，實現被保護層煤體連續卸壓。

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構變化，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號煤層頂板結構的影響。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，工作面頂板煤層內存在多處不連續小裂縫，煤層整體較為完整。工作面頂板煤層內的不連續小裂縫連通，直接頂巖層內出現多處裂隙。經分析得知，90402工作回采后，覆巖出現位移變形現象，導致煤層與巖層之間出現離層，保護層開采后，被保護煤層出現裂損，產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瓦斯參數可知，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降低明顯，被保護煤層卸壓消突效果顯著。

5 結論

通過對下保護層開采數值模擬分析，發現下保護層開采后，上覆煤巖層分離，與煤巖距有關，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，采空區中部對應的被保護層為低應力區域，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離層現象，并且裂隙增多。被保護煤層內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。