上保護層開采卸壓保護范圍研究

秦汝祥， 楊珂， 程健

(1.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；3.淮南礦業集團有限責任公司 潘二煤礦，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤層群賦存條件下，開采保護層是最經濟、有效的區域性防突措施[1]?！睹旱V安全規程》和《防治煤與瓦斯突出規定》都把開采保護層作為防治煤與瓦斯突出的主要措施，規定突出礦井必須首先開采保護層，區域防突措施應當優先采用開采保護層的方式[2]。開采層的采動作業對被保護層消突影響范圍是有限的，因此，對保護層邊界范圍的研究尤其重要。

目前保護層卸壓范圍研究主要集中在分析煤層應力、變形和塑形破壞的演化特性及下保護層開采卸壓范圍。蔡永博等[3]運用數值模擬和現場考察方法分析下伏煤巖體的應力和形變，確定了保護層開采的卸壓范圍。程詳等[4]利用數值模擬和現場考察的方法研究了將開挖煤層底板軟巖作為保護層的卸壓保護效果。王宏圖等[5]、郭懷廣[6]運用數值模擬和現場考察方法，分析了被保護煤層力學及瓦斯賦存特征，研究了保護層開采保護范圍及效果。徐剛等[7]、范曉剛等[8]通過數值模擬分析被保護層的應力和形變，并現場考察被保護層瓦斯賦存特征，分析了下保護層開采的卸壓范圍。楊賀等[9]、張磊[10]通過數值模擬方法確定了被保護層卸壓范圍及保護效果。文虎等[11]、田坤云等[12]、韓真理等[13]采用現場試驗方法，實測被保護層力學特征及瓦斯賦存特征，得出了保護層開采的卸壓范圍。Fang Feng等[14]模擬了在不同傾角下，開采上保護層時被保護層的應力釋放和形變特性。Liu Zhen等[15]運用實驗和現場測量方式研究了被保護層卸壓邊界應力分布和煤層滲透性的耦合關系。

現有研究存在對保護層保護效果的考察較少、實測過程中取點較少造成實驗結果誤差較大等問題。本文針對淮南礦業集團有限責任公司潘二煤礦A組近距離煤層群地質條件，采用數值模擬方法研究了被保護層垂直應力分布特征及卸壓范圍，通過現場考察方法，使用較多測試孔測試被保護層膨脹變形量、殘余瓦斯壓力，確定了上保護層卸壓保護范圍，并通過卸壓區內的測試孔考察卸壓效果。

1 工程背景

潘二煤礦一水平西四采區18125工作面為保護層工作面，開采5-2煤層，被保護層4-1煤層位于保護層5-2煤層下方12 m處。5-2煤層直接頂為灰-深灰色泥巖，厚度為0～8.9 m，平均厚度為3 m；基本頂為粉細砂巖，平均厚度為2.8 m；直接底為深灰色泥巖，厚度為0～2.3 m，平均厚度為1.5 m；煤層傾角為0～13°，平均傾角為8°；煤層厚度為0.5～3.2 m，平均厚度為3.0 m；瓦斯含量為3.3 m3/t，瓦斯壓力為0.28 MPa。4-1煤層厚度為0.73～8.48 m，平均厚度為3.7 m，煤厚變化較大，無規律，屬較穩定煤層。18125工作面垂直投影范圍內對應的4-1煤層原始瓦斯壓力為0.62 MPa，瓦斯含量為9.52 m3/t，為煤與瓦斯突出危險區域。

2 上保護層開采數值模擬

2.1 計算模型及邊界條件

根據潘二煤礦18125工作面地層賦存條件建立FLAC3D模型，模型尺寸為370 m×310 m×120 m(長×寬×高)，如圖1所示,x,y,z軸分別指向長、寬、高方向。

圖1 5-2煤層模型

設開采層5-2煤層煤厚為3.0 m，采用傾斜開采模型，工作面開采長度為290 m，沿推進方向工作面前后方各預留40 m煤柱。采用彈塑性本構模型和摩爾-庫侖屈服準則進行數值模擬。模型所涉及的巖體物理力學主要參數見表1。

表1 模型所涉及的巖體物理力學主要參數

模型邊界條件：左右邊界取u=0，v≠0(u為x方向位移，v為y方向位移)，即單約束邊界；下部邊界取u=v=0，即全約束邊界；上部邊界不約束，為自由邊界，上覆巖體加載10.65 MPa均布載荷壓力。

2.2 數值計算結果

模型沿推進方向設計長度為370 m，開采160 m后，采場圍巖變形趨于穩定，剩余部分未再進行開采。開挖方案為從模型右邊40 m處開切眼，向左邊開挖。

上保護層18125工作面沿走向推進到120 m時，其下伏各煤層內的應力變化情況如圖2所示。由走向剖面可看出，垂直應力呈中心軸對稱分布；由傾向剖面可看出，卸壓區為類橢圓形。

(a)走向剖面

工作面上下兩端下伏煤巖體中垂直應力集中區和卸壓區的分界線與法線約成-13.66°夾角，向采空區下方伸展，即工作面上下兩端的卸壓角為90°-13.66°=76.33°。沿推進方向，工作面側、切眼側垂直應力集中區和卸壓區的分界線與法線的夾角分別約為-29.95°和-31.36°，即工作面前后兩端的卸壓角分別為90°-29.95°=60.05°和90°-31.36°=58.64°。

3 被保護層卸壓范圍的現場考察分析

3.1 現場考察方法

4煤層與5煤層的平均間距約為12 m，傾角為8°，依據《防治煤與瓦斯突出細則》和AQ 1050—2008《保護層開采規范》的規定，始采線走向的理論卸壓角為60°，上下部卸壓角為75°。

為考察保護層18125工作面回采后被保護層的卸壓范圍，在18114和18124底抽巷分別布置走向和傾向卸壓范圍考察孔，如圖3所示。沿走向和傾向共布置A,C,E,F四個主要實驗考察地點和D,G兩個備用考察地點。走向卸壓范圍考察孔布置在A區，傾向卸壓范圍考察孔布置在C,D,E,G區，充分卸壓區參數考察孔布置在F區。根據數值模擬和理論分析結果，確定各考察區域鉆孔覆蓋范圍及鉆孔布置參數。

圖3 保護層開采卸壓范圍考察孔布置

3.2 被保護層相對膨脹變形量現場考察

3.2.1 煤層走向膨脹變形

A區考察孔布置在18124底抽巷，開孔位置位于18125工作面開切眼下方，共布置12個鉆孔，如圖4所示。A6號孔布置在理論卸壓邊界線上，距18124底抽巷BG58導線點10.87 m；A1—A5號孔位于理論卸壓區范圍內；A7—A12號孔位于未卸壓區范圍內。奇數號孔與偶數號孔終孔間距均為5 m，奇數號孔與偶數號孔終孔走向水平錯位2.5 m，傾向水平錯位20 m。

圖4 A區考察孔布置

A區變形量測試結果如圖5所示?？梢钥闯?，隨著保護層工作面的回采，各孔位置所在的煤層均發生了不同程度的膨脹變形。當工作面超前鉆孔30 m左右時，膨脹變形率達到最大值；超前20～80 m時，被保護層膨脹變形處于穩定發展階段，隨后煤層膨脹變形率減小，并最終趨于穩定。A2,A4,A6號孔變形顯著，最大相對變形率分別達到0.775%,0.705%和0.437 5%，均大于0.3%，表明該區域卸壓效果顯著。A8,A10,A12號孔變形相對較小，最大相對變形率均小于0.3%，表明該區域被保護層處于未充分卸壓區。

圖5 A區考察孔變形率

3.2.2 煤層傾向膨脹變形

(1)回風巷側煤層變形。E區考察孔布置在18124底抽巷，開孔位置距18125工作面初切眼約325 m，如圖6所示。

圖6 E區考察孔布置

E區變形量測試結果如圖7所示。其中E21—E23號孔處于理論卸壓區內?？梢钥闯觯罕Ｗo層18125工作面未采過觀測鉆孔時，被保護層處于壓縮形狀態：當工作面推過鉆孔對應位置10 m左右時，煤層開始發生明顯膨脹變形，工作面推過30 m時，膨脹變形率達到最大值，工作面推過約60 m后，被保護層膨脹變形率開始降低，工作面推過100 m后 膨脹變形率趨于穩定。穩定后，E21,E22和E23號孔的相對變形率均大于0.3%，表明該區域卸壓效果顯著。E24和E25號孔變形相對較小，最大相對變形率均低于0.3%，說明該區域為未充分卸壓。

圖7 E區考察孔膨脹變形率

(2)運輸巷側煤層變形。C區考察孔布置在18114底抽巷，開孔位置距18125工作面初切眼約325 m，如圖8所示。

圖8 C區考察孔布置

C區變形量測試結果如圖9所示。C22和C23號孔處于理論卸壓區內?？梢钥闯觯罕Ｗo層18125工作面未采過觀測鉆孔對應位置時，被保護層處于壓縮變形狀態。當工作面超過鉆孔對應位置5 m時，煤層開始發生明顯的膨脹變形；工作面推過鉆孔30 m時，膨脹變形率達到最大值；工作面推過鉆孔約60 m后，被保護層膨脹變形率開始降低；工作面推過鉆孔100 m后，膨脹變形率趨于穩定。穩定后，C22和C23號孔的相對變形率始終大于0.3%，表明該區域卸壓效果顯著；C24和C25號孔的相對變形率較小，均小于0.3%，表明該區域為未充分卸壓區。

圖9 C區考察孔膨脹變形率

3.2.3 理論充分卸壓區膨脹變形

F組為理論上的充分卸壓區，鉆孔布置如圖10所示。充分卸壓區變形率測試結果如圖11所示?？梢钥闯?，當保護層18125工作面推過觀測鉆孔對應位置30 m后，F21,F22和F23的相對變形率均大于0.3%，表明該區域得到了充分卸壓。

圖11 F區考察孔膨脹變形率

上保護層工作面開采后，在其底板形成地應力卸壓區，底板煤巖層應力減小，卸壓區煤巖層向上發生移動和變形。由于保護層和被保護層的層間距不同，被保護層移動與變形量存在差距，越靠近開采層，被保護層膨脹變形量越大，被保護層卸壓效果越明顯。

由圖11可看出，保護層工作面前方40 m以遠，對應的被保護層處于原始應力區；受采動工作面前方應力集中的影響，保護層工作面前方40～5 m范圍，被保護層處于壓縮變形區。工作面前方約18 m處被保護層壓縮變形率最大；工作面前方約5 m處，被保護層開始卸壓，產生膨脹變形；工作面后方30 m處，被保護層膨脹變形率達到最大值；工作面后方約60 m以遠，由于采空區后部巖體冒落，頂板巖層充分移動，膨脹變形率出現明顯減?。还ぷ髅婧蠓郊s100 m后，膨脹變形率穩定至最小值。

從測試結果看，保護層工作面后方30～60 m是被保護層卸壓抽采瓦斯的最佳區域。

3.3 被保護層瓦斯壓力

采用直接法測定被保護層瓦斯壓力，測壓鉆孔選點、布孔、封孔工藝符合AQ/T 1047—2007《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》的有關規定。A,C,E,F四個區域均開展煤層瓦斯壓力測試，受工作面采動擾動的影響，僅A區觀測到煤層殘余瓦斯壓力，其余鉆孔均出現了漏氣現象。

A1,A5和A7三個鉆孔的瓦斯壓力曲線如圖12所示?？梢钥闯觯S著工作面推過觀測鉆孔位置，被保護層瓦斯壓力有明顯變化。其中A7號孔最為明顯，當工作面推到10 m左右時，瓦斯壓力開始急劇下降，由0.45 MPa降至0.1 MPa；當工作面推過A1和A5號孔20 m后，2個鉆孔的瓦斯壓力也出現了一定程度的下降，但降低不明顯。這說明保護層工作面回采對被保護層煤層起到了較好的卸壓增透作用。根據瓦斯壓力觀測鉆孔與保護層工作面初切眼位置的相對關系及瓦斯壓力觀測結果，得到保護層開采走向最大有效卸壓角約為69.8°。

圖12 A區考察孔瓦斯壓力曲線

4 結論

(1)被保護層走向垂直應力呈中心軸對稱分布，傾向卸壓區表現為類橢圓形。

(2)上保護層工作面開采后，在其底板形成地應力卸壓區，底板煤巖層應力減小，卸壓區煤巖層向上發生移動和變形，由于保護層和被保護層層間距的不同，被保護層移動與變形量存在差距，越靠近開采層，被保護層膨脹變形量越大，被保護層卸壓效果越明顯。保護層工作面后方30～60 m是被保護層卸壓抽采瓦斯的最佳區域。

(3)根據瓦斯壓力觀測鉆孔與保護層工作面初切眼位置的相對關系及瓦斯壓力觀測結果，得到保護層開采走向最大有效卸壓角約為69.8°。

(4)通過數值模擬并結合現場考察分析，根據被保護層應力分布、煤層頂底板膨脹變形率和煤層瓦斯壓力變化特征，得出被保護層走向卸壓角約為60°，傾向上下部卸壓角均為75°。