上保護層開采遺留煤柱對保護效果的影響

肖 健，陳學(xué)習(xí)，畢瑞卿

（1.華北科技學(xué)院安全監(jiān)管學(xué)院，河北 三河 065201；2.華北科技學(xué)院培訓(xùn)中心，河北 三河 065201）

礦井深部開采時煤與瓦斯突出和沖擊地壓是制約煤礦安全高效開采的主要災(zāi)害之一，保護層開采是瓦斯治理和沖擊地壓防治的有效手段[1-3]。在保護層開采過程中，因隔離采空區(qū)、護巷等原因需要留設(shè)煤柱，保護層開采遺留煤柱影響區(qū)的保護效果對防突、防沖措施的選擇、安全高效采掘都有著重要意義[4-7]。煤柱影響區(qū)的瓦斯賦存規(guī)律和應(yīng)力環(huán)境與煤柱尺寸、煤層埋深、層間距密切相關(guān)。煤柱尺寸較大時，能夠長時間保持穩(wěn)定，上覆煤巖層形成的集中應(yīng)力不足以使煤柱完全破壞，會造成影響區(qū)應(yīng)力集中、瓦斯釋放困難等現(xiàn)象，有時還可能存在潛在的危險[8-12]。煤柱尺寸較小時，在原巖應(yīng)力的作用下，煤柱整體處于塑性破壞狀態(tài)，在鄰近工作面回采后發(fā)生失穩(wěn)破壞對被保護層保護效果較好[5,13-16]。保護層與被保護層層間距大于26 m 時，被保護層的三維應(yīng)力將不再受遺留煤柱的影響[17]。目前對殘余煤柱影響區(qū)實際的瓦斯賦存釋放效果和應(yīng)力環(huán)境進行研究較少。為此，以平煤四礦己15 保護層的己15-23140工作面和己15-23160 工作面之間遺留的小煤柱和下部被保護的己16.17 煤層的己16.17-23140 工作面和己16.17-23160 工作面為研究對象；首先通過數(shù)值模擬分析煤柱受采動影響的應(yīng)力和位移變化，然后現(xiàn)場探測煤柱現(xiàn)存形態(tài)和煤柱影響區(qū)瓦斯含量、鉆屑量測試；由測試結(jié)果分析煤柱影響區(qū)瓦斯賦存規(guī)律和應(yīng)力環(huán)境，為平煤四礦己16.17-31060 工作面煤柱影響區(qū)災(zāi)害治理提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 工程概況

平煤四礦主要開采丁、戊、己和庚組煤層，其中己組煤包括己14、己15 和己16.17 煤層，己14 煤層基本不可采，己15 煤層和己16-17 煤層為主采煤層。

本次主要研究對象為己15 煤層遺留的區(qū)段煤柱及其在己16.17 煤層形成的煤柱影響區(qū)。煤柱影響區(qū)根據(jù)現(xiàn)行標準提供的參考卸壓角劃定，煤層傾角8.0°時深部和淺部卸壓角均為75°[18]（圖1 剖面圖中黃色區(qū)域），研究對象平面位置關(guān)系和剖面位置關(guān)系如圖1。

圖1 研究對象位置關(guān)系圖Fig.1 Location diagram of the research object

煤柱1 下方已掘進己16.17-23160 風(fēng)巷，煤柱影響區(qū)已基本不存在，本次主要考慮煤柱2 形成的煤柱影響區(qū)。研究范圍內(nèi)己15、己16.17 煤層平均厚度分別為1.6、3.5 m，平均傾角均為8.0°。己15 煤層直接底為泥巖厚度約2.0 m，基本底為砂質(zhì)泥巖厚度約6.0 m，直接頂為砂巖厚度約6.0 m，基本頂為中粗粒砂巖，厚度約15.0 m。己15 煤層遺留煤柱兩側(cè)和兩煤柱之間的巷道均沿己15 煤層頂板掘進，巷道寬度均為5.0 m，煤柱寬度均為4.0 m，工作面傾斜長175.0 m。己16.17煤層直接頂、直接底和基本底均為粉砂質(zhì)泥巖，直接頂平均厚度6.0 m，偽頂和基本頂均為泥巖厚度分別為1.0 m 和2.0 m。己16.17-23140 工作面傾斜長190.0 m，己16.17-23140 機巷與己16.17-23160 風(fēng)巷中對中10 m 布置，巷道和煤柱寬度均為5.0 m，與上部己15 煤層平均間距9.0 m。該位置己16.17 煤層埋深約910.0 m，工作面原始煤層瓦斯含量4.66～7.68 m3/t。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

以己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面及己16.17-23160 風(fēng)巷為原型，建立FLAC3D數(shù)值模擬模型如圖2。數(shù)值模擬中使用的各煤巖層、煤層力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 模型圖Fig.2 Numerical simulation model diagram

表1 數(shù)值模型煤巖參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of coal and rock parameters of numerical model

模型長度（x 方向）為810.0 m、寬度（y 方向）為600.0 m、高度（z 方向）為328.9 m，己15 煤層厚度1.6 m，己16.17 煤層厚度3.5 m，煤層傾角均為8.0°，由x軸0 點向x 軸正方向傾斜。開挖區(qū)域與模型邊界的距離：x、y 軸正、負方向分別均為200.0 m，z 軸正、負方向最小邊界均為80.0 m。材料本構(gòu)模型為摩爾庫倫，為提高建模效率和運算速率，將距離較遠的煤巖層合并，同一巖性參數(shù)保持一致。

將模型表面分為east、west、south、north、top 和bottom 共6 個面，采用加速度對模型邊界條件進行設(shè)置：①設(shè)置條件top 為自由邊界，同時根據(jù)煤層埋深和上覆巖層密度，施加20.0 MPa 的上覆巖層原巖應(yīng)力；②其余5 個面設(shè)置加速度為0，即固定邊界。模型分4 步開挖：①開挖己15-23140 工作面；②開挖己15-23160 聯(lián)絡(luò)巷和己15-23160 工作面；③開挖己16.17-23140 工作面；④開挖己16.17-23160 風(fēng)巷。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

開啟大變形條件下模擬分析，在y=300 的煤柱兩側(cè)共設(shè)置6 個監(jiān)測點（a0、a1、a2、b0、b1、b2）對z 方向、x 方向位移變化進行監(jiān)測記錄，監(jiān)測點固定在煤柱網(wǎng)格節(jié)點上。開挖過程中歷史數(shù)據(jù)記錄間隔為100 步，位移變化如圖3。

圖3 位移變化圖Fig.3 Displacement change diagrams

1）煤柱2 在其x 軸負方向的己15-23140 采動影響下煤柱網(wǎng)格點向z 軸負方向和x 軸正方向移動。節(jié)點所在位置越高z 方向的位移量越大，煤柱上壁z方向的位移量比下壁更大，最大位移量為62 mm；x方向的位移量各個監(jiān)測點基本一致，數(shù)值上在37 mm 上下波動。

2）在己15-23160 采動影響下：①節(jié)點仍向z 軸負方向移動，不同網(wǎng)格點移動規(guī)律與己15-23140 開挖時相同，但在位移增量上有較大差別，最大位移增量為172 mm 是己15-23140 開挖時的近3 倍，最大累計位移量為234 mm；②x 方向位移在煤柱兩側(cè)煤壁出現(xiàn)完全不同的變化，上壁向x 軸負方向移動位置越低的監(jiān)測點位移量越大，最大位移增量為77 mm，最大累計位移量為40 mm；③下壁向x 軸正方向移動不同高度的監(jiān)測點位移變化規(guī)律與左側(cè)一致，最大位移增量為109 mm，累計位移量為146 mm。

3）在己16.17-23140 采掘和己16.17-23160 風(fēng)巷掘進影響下，煤壁兩側(cè)節(jié)點位移沿己15-23160 掘進時的增長趨勢繼續(xù)增加，z 軸負方向、x 軸正、負方向最大累計位移量分別為289、55、156 mm。

4）由圖3（c）、圖3（d）可知，整體位移量較大的是己15-23140 及己16.17-23140 工作面之間的巖層。其余位置已采空的工作面z 軸方向位移為底板向正方向移動、頂板向負方向移動，x 軸方向底板基本無變化，己15-23140 頂板向負方向移動，己15-23160 頂板向正方向移動。

綜合分析可知，己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面及己16.17-23160 風(fēng)巷的采掘活動均對煤柱2 的位移有影響，其中己15-23160 工作面的影響最為顯著。開挖結(jié)束后模擬煤柱由原來的規(guī)則平行四邊形被壓縮成上下兩端相對窄、中部相對寬的不規(guī)則圓柱面，實際的煤柱可能已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3 現(xiàn)場探測

現(xiàn)場煤柱是否破壞需進一步進行煤柱形態(tài)的現(xiàn)場驗證。在井下己16.17-2160 風(fēng)巷布置2 組探煤鉆孔，探測點位置如圖4，煤柱探測結(jié)果如圖5。

圖4 鉆孔平面布置圖Fig.4 Drilling layout plan

圖5 煤柱探測結(jié)果Fig.5 Coal pillar detection results

由圖5 可知，原始高度為1.6 m 的煤柱1 和煤柱2 均已失穩(wěn)坍塌。煤柱2 原始位置處2 個探測點探得的殘余煤柱高度均為0.59 m，略高于鄰近位置的殘余煤柱高度，煤柱高度最小損失比達63%。

3 殘余煤柱影響區(qū)現(xiàn)場測試

3.1 測試指標和測試方案

1）測試指標。煤層殘余瓦斯含量是受人的活動影響效果的重要指標，鉆屑量是煤體所處應(yīng)力環(huán)境的有效指標，2 個指標測試過程操作簡單、易獲取準確數(shù)據(jù)[19-21]。因此將煤層殘余瓦斯含量和鉆屑量作為煤層瓦斯釋放效果和應(yīng)力環(huán)境的表征參數(shù)。

2）測試方案。己16.17-23160 風(fēng)巷-1 基點以里66.0 m 為測試工作的起點，每間隔45.0 m 施工1 個長度20.0 m，傾角-8.0°的順層鉆孔，共施工6 個，沿己16.17-23160 風(fēng)巷累計測試長度為225.0 m。每個鉆孔從第2.0 m 開始每間隔1.0 m 取1 次測試樣品，進行煤層殘余瓦斯含量和鉆屑量測試。

3.2 測試結(jié)果

煤柱1 的煤柱影響區(qū)內(nèi)，己16.17-23160 風(fēng)巷已完成掘進，煤柱影響區(qū)已經(jīng)基本不存在，本次測試主要考慮煤柱2 的煤柱影響區(qū)瓦斯賦存規(guī)律和應(yīng)力環(huán)境。因己16.17-23160 風(fēng)巷是己16.17-23160 工作面的最淺部位，所以選擇原始瓦斯含量測試結(jié)果區(qū)間的最小值作為研究范圍的煤層原始瓦斯含量。共計測試60 個殘余煤層瓦斯含量和60 個鉆屑量，繪制煤層瓦斯含量測試結(jié)果如圖6，鉆屑量測試結(jié)果如圖7。

圖6 瓦斯含量測試結(jié)果圖Fig.6 Gas content test result graph

圖7 鉆屑量測試結(jié)果圖Fig.7 Test result of cuttings amount

由圖6 可知，煤層殘余瓦斯含量測試結(jié)果中，6個測點的變化趨勢基本一致，總體呈現(xiàn)先上升，后下降的趨勢，從測值變化可細分為3 個階段。

1）8 m 之前測值緩慢上升，說明煤柱2 在這個距離內(nèi)的影響較為微弱，巷道的影響向煤柱影響區(qū)擴展，煤體瓦斯由于瓦斯梯度的存在向巷道空間主動轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的距離越遠需克服的阻力越大。

2）8～14 m 測值基本呈現(xiàn)對稱分布，是整個煤層殘余瓦斯含量測值結(jié)果的峰值區(qū)間，位于己15 煤層遺留煤柱2 的下方，說明受上部殘余煤柱應(yīng)力傳遞的影響，瓦斯釋放相對比鄰近風(fēng)巷和參考保護區(qū)的煤體更困難。

3）14～16 m 測值緩慢下降，16 m 處取樣位置已進入根據(jù)參考卸壓角劃定的參考保護區(qū)內(nèi)，保護區(qū)內(nèi)同一測點測值保持基本不變，且處于較低水平，說明參考保護區(qū)內(nèi)有良好的卸壓保護效果。平均值曲線10～12 m 之間是測試平均值曲線的峰值區(qū)間，可能有高于現(xiàn)有測值的煤層殘余瓦斯含量，但根據(jù)10 m 處和12 m 處的及較遠取樣點的測值變化規(guī)律，10～12 m 之間存在的較大測值與10 m 處和12 m 處測值不會存在較大變化。瓦斯釋放率曲線由測試深度2～10 m 不斷降低，12～14 m 瓦斯釋放率升高，15 m 以后瓦斯釋放率基本保持不變，穩(wěn)定在1.90 m3/t左右。總體來說，己15 煤層殘余煤柱2 對己16.17 煤層瓦斯釋放有一定影響，但整個影響區(qū)內(nèi)測試的最大殘余瓦斯含量僅為2.63 m3/t，并未形成瓦斯異常高值區(qū)，僅是原始煤柱下方煤柱影響區(qū)中心的瓦斯釋放效果比鄰近區(qū)域稍差一些，瓦斯釋放率仍保持在50%以上，殘余煤柱影響區(qū)的煤層瓦斯同樣得到較好的釋放。

由圖7 可知，鉆屑量變化規(guī)律與殘余瓦斯含量變化規(guī)律相同，且同一測試深度測值區(qū)間較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常值，說明同一取樣深度所處的應(yīng)力環(huán)境基本一致。從己16.17-23160 風(fēng)巷下幫2 m 處煤體鉆屑量測值至10 m 處測值一直處于逐步上升的階段，說明煤柱影響區(qū)應(yīng)力環(huán)境從己16.17-23160 風(fēng)巷下幫煤壁開始至煤柱2 下方應(yīng)力逐漸升高。10～14 m測值快速下降，說明從煤柱2 開始至參考保護區(qū)應(yīng)力逐漸減低。15 m 以后同一測點測值基本穩(wěn)定，不同測點同測試深度的鉆屑量差異也較小，說明理論保護范圍內(nèi)應(yīng)力環(huán)境基本一致。平均值擬合曲線極值與殘余瓦斯含量極值出現(xiàn)在同一區(qū)間，但不存在突變的可能。整個取樣測試范圍內(nèi)，存在測值的不同程度變化，說明殘余煤柱2 對煤柱影響區(qū)起到了一定的應(yīng)力傳遞作用。但得到的測值所在區(qū)間為2.2～3.7 kg/m，距離給定的突出危險臨界值6.0 kg/m 有著較大差距[18]，說明殘余煤柱2 在下方的己16.17 煤層煤柱影響區(qū)未形成明顯的應(yīng)力集中。

綜合圖6 和圖7 分析可知，殘余煤柱2 的影響區(qū)己16.17 煤層殘余瓦斯含量與鉆屑量極值點所在區(qū)間一致，說明應(yīng)力環(huán)境能夠影響瓦斯的轉(zhuǎn)移和釋放，但由于殘余煤柱對應(yīng)力的傳遞較弱，煤柱影響區(qū)未形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)、瓦斯釋放率處于較高水平。

4 結(jié) 論

1）己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面和己16.17-23160 風(fēng)巷的采動均對己15-23160 聯(lián)絡(luò)巷下幫遺留煤柱2 壓縮變形位移量有影響，其中影響最為顯著的是己15-23160 工作面，z 負、x 負、x 正方向最大累計位移量分別為0.289、0.055、0.156 m。

2）煤柱2 破壞后最大殘余高度為0.59 m，損失高度1.01 m，損失比達63%。

3）煤柱2 影響區(qū)殘余瓦斯含量和鉆屑量隨取樣深度呈現(xiàn)先增后降再平穩(wěn)的趨勢，殘余瓦斯含量和鉆屑量均遠低于有突出危險的臨界指標，瓦斯釋放率高于50%，煤柱影響區(qū)無明顯應(yīng)力集中形成且瓦斯釋放效果較好，遺留4 m 煤柱對被保護層保護效果有連續(xù)性。