上保護層開采卸壓效應研究

馮聰

摘 ?要：為研究上保護層開采鄰近煤層卸壓效果，以青龍煤礦二采區16和17煤層為研究背景，基于離散元數值模擬手段分析上保護層開采對高瓦斯煤層的裂隙發育和膨脹變形等特征，并通過現場應用驗證瓦斯抽采效果。研究表明：基于UDEC模擬上保護層開采，被保護煤層最大膨脹變形區域位于切眼和停采線附近，其最大膨脹變形量為27.9mm和26.1mm，相對煤層膨脹變形率為2.0%和1.86%，遠大于0.3%，表明煤層卸壓增透效果好；17煤層瓦斯壓力下降高達62.5%，殘余瓦斯含量低于8m3/t，瓦斯抽采效果較好，以期為類似工況條件的卸壓瓦斯治理提供參考。

關 鍵 詞：保護層開采 高瓦斯煤層 卸壓效應 研究

采區瓦斯涌出量增大。瓦斯預抽是降低井下瓦斯含量最有效的方法。目前，我國瓦斯抽采效率普遍較低，而保護層開采是提高瓦斯預抽的最有效防治技術。因此，對保護層開采下高瓦斯煤層卸壓瓦斯抽采的研究具有十分重要的意義。

許多學者對卸壓瓦斯抽采進行了大量的研究。如在實驗研究方面，李琰慶等提出“采前、采中、采后”“本煤層、鄰近層、采空區”“井下、井上”立體抽采瓦斯技術；程志恒等構建了保護層開采+底抽巷定向鉆孔群共采技術；高明忠等分析保護層開采低擾動下煤體裂隙充分發育，可以改善煤層透氣性和穩定性利于瓦斯抽采，實現安全高效開采；在理論分析方面，張村等提出工作面推進速度的敏感因子，可作為瓦斯抽采的評價指標；甘林堂等研究表明鉆井布置在裂隙區內，可有效提高瓦斯抽采率；王恩元等綜合分析了保護層開采技術研究現狀，指出針對不同條件下的保護層技術進行合理規劃，依然是我國現有區域防突措施的首要途徑。楊科等根據現場瓦斯數據反演，指出關鍵層的破斷對采動裂隙發育和被保護層瓦斯涌出起控制作用。在數值模擬方面，肖家平等運用數值模擬研究得出工作面采取的垂直布置方法，被保護層卸壓效應影響良好；程祥等基于數值模擬研究探討用軟巖作為保護層進行開采，并設計了地面采動井、攔截鉆孔、穿層鉆孔配合采空區埋管抽采為核心的卸壓瓦斯抽采體系；閆浩等利用UDEC模擬分析了上保護層開采下充填控制裂隙瓦斯通道演化規律，并指出當充實率為40%時，不影響瓦斯抽采效果。

綜上所述，前人在保護層開采卸壓效果以及卸壓瓦斯抽采等方面研究成果豐富。筆者基于前人研究的基礎上，結合貴州地區青龍灣煤礦實際工程地質條件，結合離散元數值模擬手段研究采動裂隙分布區域和最有抽采參數，據此針對卸壓瓦斯提出合理抽采方式，并進行現場應用和效果檢驗，以期為類似工況條件的卸壓瓦斯治理提供參考。

1 保護層開采合理性分析

1.1 工程概況

貴州煤礦地質條件復雜，與其他地區相比具有煤層薄、煤層透氣性差、突出煤層多、地質構造復雜等特征。青龍煤礦處高山地區，煤層埋深變化大，地質構造復雜，經鑒定為煤與瓦斯突出煤礦，其二采區下部煤層有16、17、18煤層，其中17煤層瓦斯含量值為7.32m?/t～9.14m?/t，煤層整體偏軟，瓦斯含量高、瓦斯壓力大，存在煤層抽采、瓦斯區域消突周期長、瓦斯治理工程量大等諸多問題。

21605工作面煤層總體趨勢呈南高北低的單斜構造，煤層產狀變化較大，21605工作面16煤埋深為200～324m，工作面走向長1550m，傾斜長212m，厚度1.3～3.4m，平均采高2.6m，傾角9°～16°，一般為13°。17煤層距離16煤層3.2～7.3m，平均5.5m。

2 離散元數值模擬研究

以青龍煤礦21605工作面地質條件建立UDEC數值模型（圖2），本構模型為摩爾-庫侖模型，節理采用節理面接觸-庫倫滑移準測。設計模型長度為200m，高度為90m，工作面采高2.6m，根據煤巖巖性進行節理劃分，約束固定模型邊界，同時為了減小左、右邊界效應，在兩側各留設有20m煤柱，中間開采長度為120m，每次推進距離20m。各巖層與節理的物理力學參數如表1所示。

2.1 上保護層開采煤體裂隙發育情況

數值模擬過程中21605工作面每次開挖20m向前推進，圖3給出了上保護層開采下被保護層煤體裂隙發育情況。

據圖3可知，工作面從20m推進至40m時，17煤層與保護層之間因底鼓引發的層間裂隙出現閉合，17煤層煤體裂隙逐步發育；工作面從40m推進至80m時，頂板破斷垮落，17煤層頂板裂隙與保護層底板裂隙貫通，裂隙發育范圍持續擴展促使彎曲下沉；工作面從80m推進至140m時，采空區中部出現壓實裂隙并呈擴大趨勢，其他地區裂隙發育保持原態；工作面從140m推進至160m時，裂隙發育已趨于穩定，煤體受容易受載荷作用逐漸壓實，主要產生壓實裂隙。綜上17煤層在自重力和水平應力的作用下，發生拉伸剪切破壞、下沉、水平運移及垮落壓實再次形成平衡狀態，其煤層兩端裂隙發育范圍更廣泛。

2.2 上保護層開采煤體豎向膨脹變形規律

為進一步研究被保護層厚度變化與工作面推進距離的關系，在被保護層頂底板選取兩條測線，每條測線布置12個測點，觀測保護層開采160m后，被保護層厚度變化特征，由圖4可知：

當上保護層開采后，17煤層前段測點處膨脹變形逐漸有壓實趨勢，17煤層中段測點處壓縮變化明顯，最大壓縮變形點位于走向相對位置64m，最大壓縮變形值為80mm，相對煤層壓縮變形率為5.72%；最大膨脹變化區域為煤層兩端，最大膨脹變形量為27.9mm和26.1mm，相對煤層膨脹變形率為2.0%和1.86%，滿足《防治煤與瓦斯突出規定》[14]中被保護層最大膨脹變形率大于千分之三的規定，這表明保護層開采下，被保護層卸壓增透效果較好。

3 上保護層開采17煤層卸壓瓦斯抽采優化設計

3.1 鉆孔設計

青龍煤礦17煤層屬于高瓦斯低透氣性煤層，其瓦斯治理工程應該充分考慮上保護層開采煤巖裂隙特征和鉆孔設計方案。根據上述研究，在21605底抽巷兩端D13點和D12點處布置兩組鉆孔，每點布置7個鉆孔，每組間距在20m以上，其17-4號鉆孔為抽采鉆孔，在距抽采鉆孔位置間距為1m、2m、3m、4m、5m、6m分別布置測壓鉆孔，參數選擇負壓25kPa，直徑96mm，如圖5所示。

3.2 被保護層卸壓瓦斯抽采效果分析

21605底抽巷D13控制點向后50m處的17-4鉆孔位置開始抽采，抽采過程中17煤層瓦斯壓力和抽采參數隨抽采時間變化趨勢如圖6所示。

由圖6可以看出：①17-1、17-7鉆孔距17-4抽采鉆孔4m外，瓦斯壓力變化幅度不大，抽采120d后瓦斯壓力分別為0.38和0.3Mpa，均小于煤層原始壓力；②17-3、17-5以及17-6鉆孔在抽采的前40d，瓦斯壓力基本呈線性下降，抽采120d后分別降低了0.25、0.21和0.39Mpa，瓦斯壓力下降高達62.5%，瓦斯抽采效果好；③17-7鉆孔瓦斯壓力平緩降低，最終降低至0.3MPa；綜上，17煤層瓦斯卸壓效果良好。

3.3 被保護層瓦斯含量測定分析

在所有試驗鉆孔連孔前，完成17-1到17-7的原始瓦斯含量測定，經過120d瓦斯抽采后，對鉆孔附近3個地點煤樣進行殘余瓦斯含量測定，根據瓦斯含量變化值，由表2可知，編號1、2和3煤樣殘余瓦斯含量分別為7.2302、6.4670及6.4308m?/t，均小于8m?/t，符合《防治煤與瓦斯突出規定》[14]要求，表明瓦斯抽采效果較好。

4 結論

1） 利用離散元軟件UDEC模擬分析了上保護層開采下煤體裂隙發育情況，隨著上保護層的開采，17煤層裂隙經歷了“新生裂隙→貫通裂隙→壓實裂隙”的動態演化過程。17煤層最大膨脹變化區域位于為切眼和停采線附近，最大膨脹變形量為27.9mm和26.1mm，相對煤層膨脹變形率為2.0%和1.86%，遠大于0.3%，表明煤層卸壓增透效果好。

2） 通過對17煤層瓦斯抽采鉆孔進行優化設計，抽采120d后，17煤層瓦斯壓力下降高達62.5%，煤層殘余瓦斯含量均小于8m?/t，瓦斯抽采效果較好，以期為類似工況條件的卸壓瓦斯治理提供參考。

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（作者單位：貴州大學礦業學院、復雜地質礦山開采安全技術工程中心、瓦斯災害防治與煤層氣開發研究所）