遠距離采動影響下被保護層開采機理分析

申志勇 蘇靜 蔣興義 李久錇 歐一昌 王曉雙

摘要：保護層開采是指開采煤層群的情況下，首選無突出危險或突出危險較小的煤層來開采，利用其產生的采動影響，來降低或消除有突出危險煤層的危險性的開采方式。遠距離保護層開采后，頂底板巖層向采空區方向移動和變形，應力重新分布，在卸壓保護范圍內，被保護層應力降低，在垂直應力和水平應力的共同作用下產生離層裂隙和穿層裂隙，為瓦斯涌出提供了通道，同時卸壓使得被保護層的透氣性增大，若結合合理的被保護層瓦斯抽采技術，預抽被保護層卸壓瓦斯，大大降低被保護層的瓦斯壓力和含量，從而實現高瓦斯被保護層的卸壓防突。

關鍵詞：遠距離;保護層;卸壓開采;瓦斯治理

0引言

目前，我國國有煤礦大多是瓦斯礦井煤層群開采，且高瓦斯礦井占50%以上，其中300多對礦井為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯突出災害的發生次數為世界之最?，F有的瓦斯礦井主要特點是開采深度大、瓦斯壓力大、瓦斯含量高，具有低透氣性、可壓密性和易流變性“三性”特征。我國大部分的高瓦斯礦區都為低透氣煤層，以淮南礦區為例，煤層透氣性系數僅為0.001～0.008 m2/（MPa2·d），煤層瓦斯不易在采前預抽，但在采掘過程中煤層瓦斯的放散量大、放散速度快，在一定條件下易發生煤與瓦斯突出，且突出規模大，有的礦井煤與瓦斯突出甚至超過1萬t，瓦斯涌出或煤與瓦斯突出控制不當將可能導致瓦斯爆炸事故的發生，從而造成更大的災難。低透氣性煤層，致使煤層瓦斯抽采的效果較差。開采實踐表明，保護層開采仍然是最有效、最經濟的煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動力災害區域性防治措施。通過保護層開采技術可實現鄰近煤層的卸壓增透，從而提高被保護層瓦斯抽采的效果。

1工程概況

某典型礦區礦井原設計能力60萬t/年，服務年限100年，1993～1997年礦井進行改擴建，設計生產能力120萬噸/年，服務年限46年。由于改擴建時沒有對主斜井（箕斗提升）進行改造，主提升能力沒有達到120萬噸/年的擴建要求，2006年礦井核定生產能力為90萬t/年。大河邊煤礦于1966年1月設計，1966年3月破土動工，采用斜井多水平開拓、采區上山大聯合、區段集中巷的聯合布置方式，主斜井、副斜井、回風斜井及區段集運大巷均布置在煤系底板的一次噴發玄武巖內?，F開采標高為+1300m～+1376m，+1376m標高以上已全部回采完畢。礦井現有1個綜采工作面，2個半煤巖掘進工作面，掘進工作面均為炮掘工作面。

S1303工作面為13號煤層的綜采工作面，位于南采區S+1317新回風石門以南，工作面上限標高+1391m，下限標高+1312m，南以切眼為界，北以預計停采線為界。S1303工作面上覆S1101、S1101中工作面采空區，工作面距采空區法向距離4m，上區段為S1301、S1301中工作面采空區，工作面地面對應位置為段家巖往東350～1200m，地面為表土不厚的順向坡堆積物。工作面距地表垂深560～645m。S1303工作面位于南采區S+1317新回風石門以南，工作面上限標高+1391m，下限標高+1312m，南以切眼為界，北以預計停采線為界。S1303工作面布置示意圖如圖1所示。

2遠距離下保護層開采基本理論

保護層開采是指開采煤層群的情況下，首選無突出危險或突出危險較小的煤層來開采，利用其產生的采動影響，來降低或消除有突出危險煤層的危險性的開采方式。1）按保護層與被保護層的空間關系來劃分，可分為上保護層和下保護層，處于豎直方向的上方且用來保護其下部煤層的叫上保護層，反之為下保護層;2）依據護層與被保護層的層間距離的差異來劃分，當兩者的層間距滿足條件10m時為近距離保護層、層間距符合10m<h≤50m條件時為中距離保護層、當層間距離h>50m時稱遠程保護層。隨著煤炭工業的不斷發展和對保護層開采理論和應用技術研究的重視，國內外專家學者己經對保護層開采的卸壓機理、卸壓保護范圍的劃分等已經有了一定的認識。

下保護層開采后，頂底板巖層向采空區方向移動和變形，應力重新分布，在卸壓保護范圍內，被保護層應力降低，在垂直應力和水平應力的共同作用下產生離層裂隙和穿層裂隙，為瓦斯涌出提供了通道，同時卸壓使得被保護層的透氣性增大，若結合合理的被保護層瓦斯抽采技術，預抽被保護層卸壓瓦斯，大大降低被保護層的瓦斯壓力和含量，從而實現高瓦斯被保護層的卸壓防突。保護層開采采動影響卸壓因素變化順序為：開采保護層一煤和圍巖層移動一被保護煤層產生卸壓效應（地應力降低、煤層膨脹變形、煤巖層裂隙發育）一煤層透氣性增加、煤層吸附瓦斯開始解吸一煤巖層瓦斯運移能力增高一抽放瓦斯濃度、抽采鉆孔內的瓦斯氣體流量大幅增高一被保護煤層的殘余瓦斯壓力明顯下降一卸壓煤層瓦斯氣體的含量大大減少一煤體的強度得到顯著提高一地應力再度下降。保護層開采被保護層卸壓防突的技術原理如圖2所示。

3 保護層采動影響下圍巖應力分布特征

已經釆出的煤層在其周圍會形成一定范圍的開采空間，這時開采空間圍巖的原始應力狀態重新分布，導致原始應力狀態向新的采動應力狀態轉化。受到地應力的影響，其上覆巖體在跨落后充填到下方的采空區里，此時自然壓力拱形成于采空區上方，在進行采的過程中，壓力開始向采空區周圍的巖層傳遞，與此同時釆場的圍巖也會向采空區移動和變形。

在采面不斷向前推進的過程中，若干應力區間形成于保護層開采的層面上：應力增高區、應力降低區和原巖應力區以及應力恢復區。工程實踐表明：在不同開采條件條件下，在開采過程中重新分布的應力其變化規律大致相同，同時具有基本一致的空間形態，具體分區如圖3所示。

（1）原巖應力區：因處于距離保護層采面前方較遠的地方，暫時沒有受到其后方的采動影響，各層煤巖體其受力狀態可視為原始應力下的受力，在此區間內的煤層瓦斯其動力學參數相對地保持不變。

（2）應力集中區：通常情況下，該區的位置處于回采面后方25m到前方55m遠的地方，其最大壓力支承點出現在采面前方3～32m的范圍內。壓力拱在覆巖垮落后伴隨著工作面的推進也向前不斷延伸，拱腳（支承端）附近的煤巖體相對承受較大的覆巖重量，由此產生了應力集中。煤體在應力集中區被壓縮，其中的裂隙、孔隙因為受到壓縮而封閉，導致煤層的透氣性降低，而煤巖體的應力相對較大，煤與瓦斯的突出危險性增大。

（3）應力降低區（卸壓區）：處于此區間內的瓦斯流動性最強，因上覆巖層的大部分壓力分攤到其周圍的煤巖層和采空區垮落的矸石上，煤體和圍巖的應力均開始出現減小的趨勢，裂隙在煤體內張開并得到充分地發育，煤巖體的排放瓦斯的能力也不斷增大，且煤層的吸附瓦斯不斷解吸。通常情況下，卸壓效果開始于采煤工作面后方0～25m處，其最大卸壓位置則一般出現在采煤工作面后方25～125m的范圍內。

應力恢復區：在保護層工作面推過后的釆空區內，距離回采工作面后方較遠的地方，其煤巖層仍舊保持一定的膨脹變形，上覆巖層的壓力逐漸地過渡到從頂板挎落的矸石上，該區的應力變化逐漸升高并趨于穩定（最終應力一般小于原始應力）。

4 保護層工作面上覆巖體裂隙發育分析

因受到保護層開采的采動影響，兩種典型的裂隙此時形成于采場上覆的巖層中：1）豎向裂隙（垂直或斜交于層理面），這類裂隙的產生是由于巖層受到下向的彎曲拉伸，豎向裂隙能夠部分或全部地穿透位于其上方和下方的巖體（稱為豎向穿層裂隙），層狀連續性依然存在于裂隙的兩邊的巖層中，煤層瓦斯通過這些采動造成的“通道”即可實現層間流動;2）離層裂隙（沿著層理面），在巖層下沉的過程中，因各層巖體的巖性、巖層厚度等的差異，造成各巖層的下沉步調不一致，由此離層裂隙產生于各巖層之間。在保護層的開采過程中，這兩類裂隙的分布在相對采面的不同位置、不同高度上呈現出不均勻性，有些巖層之間出現離層現象，有些巖層之間則發生斷裂和冒落。通常情況下，離層裂隙位于穿層裂隙之上，而穿層裂隙只存在于特定的高度范圍內。

受到保護層開采采動的影響，覆巖分層運動不斷發展從而形成了裂隙帶，隨著工作面的推進裂隙帶處于不斷的發展中，裂隙帶內縱橫交錯著各種裂隙，大量的穿層裂隙和離層裂隙分布于其中，在卸壓瓦斯的運移過程中，這兩類裂隙扮演了極為重要的角色，二者在裂隙帶內的形狀類似于橄欖，稱為橢拋帶通過對保護層開采引起的覆巖運動規律的研究，錢鳴高在總結前人研究的基礎上提出了采場覆巖運動的關鍵層理論理論指出：煤層在采出之后，覆巖向采空區移動變形的過程中，決定其變形移動速率和幅度的巖層稱之為關鍵層。1）主關鍵層處在彎曲帶內并位于橢拋帶的上方時，位于關鍵層上方的巖層表現為多巖層同步變形，并且和地表沉陷相對應，此時大量離層裂隙出現在裂隙帶的上部，而下部破斷裂隙較為發育;2）主關鍵層位于橢拋帶內并且貫穿其中時，橢拋帶輪廓線呈橢球臺狀且并不明顯，以豎向破斷裂隙為主的采動裂隙出現在關鍵層的下方，而少量的離層裂隙和破斷裂隙在關鍵層的上方微弱發育;3）主關鍵位于裂隙帶時，在主關鍵層發生斷裂的過程中破斷裂隙開始形成，并且連通其上部的離層裂隙，形成了瓦斯運移的通道。

參考文獻：

[1] 施 峰，王宏圖，舒 才.間距對上保護層開采保護效果影響的相似模擬實驗研究[J].中 國 安 全生產科學技術，2017，13（12）：138-144.

[2] 楊賀，邱黎明，汪皓，等.遠距離下保護層開采上覆煤巖層采動應力場數值模擬研究[J].工礦自動化，2017，43（6）：37-41.

[3] 撒占友，李 磊，盧守青，等.“三軟”煤層上保護層開采底板圍巖透氣性演化相似試驗研究[J].煤礦安全，2017，48（07）：25-28.

[4] 鄧玉華.近水平上保護層開采覆巖破壞規律數值模擬研究[J].煤炭工程，2017，49（05）：87-90.

[5] 李江濤. 煤層群開采保護層厚度設計優化數值模擬研究[J].能源與環保，2019，41（ 8） ： 154-157.

[6] 賀愛萍，等： 保護層開采被保護層裂隙分布與增透效果相似材料模擬[J].安全與環境學報，2019，19（ 4） ： 1174-1181.

[7] 齊峰.保護層區段煤柱寬度對被保護層卸壓效果的影響[J].礦業安全與環保，2016，43（04）：10-13.

[8] 康建寧.基于合理采掘部署的突出煤層群開采區域防突措施[J].礦業安全與環保，2017，44（03）：43-48.

作者簡介：申志勇（1998.09-），男，仡佬族，貴州省務川縣人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究。

貴州省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：S202110977113）