近距離煤層群保護層開采底板卸壓及效果考察

黃 興

(貴州安和永駐科技有限公司, 貴州 貴陽 550000)

1 前言

近距離煤層群由于煤層層間距小、采動相互影響大等主要問題始終威脅著礦井安全生產。 前人對近距離煤層群保護層開采做了大量研究[1-2],其中,保護層開采作為區域性治理高瓦斯、突出礦井最有效的手段之一[3-5],即通過開采作為保護層的煤層,使得被保護層的大量瓦斯經過受采動破壞的裂隙通道涌向保護層工作面,達到被保護層瓦斯壓力、含量受采動影響而降低目的[6-7]。

長期以來,國內外學者對近距離保護層開采做了大量研究,從現場試驗、理論計算、數值模擬、相似模擬實驗等方面開展大量研究并取得一系列研究成果。 程志恒等[8]通過研究近距離煤層群疊加開采的應力-裂隙-瓦斯滲流規律,構建了近距離煤層群煤與瓦斯高效共采技術體系及動態評價模型;薛東杰等[9]研究保護層開采條件下,鄰近煤層應力分布規律;江麗麗等[10]通過現場調研、理論分析、數值模擬和礦壓觀測等方法對上保護層不合理布置導致被保護層開采過程中巷道圍巖嚴重變形破壞等問題進行研究。 綜上所述,盡管對保護層開采覆巖運移、裂隙場演化等做了大量研究,但是對近距離煤層群開采保護層底板卸壓演變、瓦斯下降變化等研究較少。因此,本文以貴州省織金縣某礦煤層群為研究對象,從理論上分析近距離保護層開采底板巖層的卸壓規律和裂隙發育特征,綜合理論公式和經驗公式計算破壞深度,通過模擬分析受采動影響后底板卸壓演變、應力分布等變化,并通過工程實踐驗證近距離煤層群保護層開采防突效果,結果對近距離煤層群瓦斯治理具有重要的現實指導意義。

2 保護層開采破壞深度分析

2.1 工程概況

該礦設計生產能力45 萬t/a,井田內共含可采煤及大部可采煤層10 層,5 號煤層煤厚1.54 m,平均埋深331 m,開采工作面1505 平均走向長度145 m,傾斜長度750 m,9 號煤層煤厚1.92 m,平均埋深348 m,頂底板以泥質粉砂巖、砂質泥巖、泥巖為主,將5 號煤層作為保護層優先開采,之后開采處于保護區域的9 號煤層,煤層層間距最大為17 m,綜合柱狀圖如圖1 所示。

圖1 綜合柱狀圖

2.2 保護層開采防突機理分析

保護層開采后,采空區底板巖體趨向于發生應力松弛、向采空區膨脹和裂隙發育,工作面周圍應力平衡被破壞導致采空區底板變形、斷裂和移動等,造成底板巖層的應力場和斷裂場重新分布,沿工作面走向,底板巖層按應力水平可分為3 個區域,即原始應力區(A)、承載應力區(B)、應力釋放區(C)[11],具體如圖2 所示。

圖2 底板的應力區和塑性變形示意圖

根據底板巖層塑性破壞理論,當底板超前支承應力達到或超過巖體彈性極限時,底板巖體就會發生塑性變形,形成三個塑性區,即主動極限區(Ⅰ)、過渡區(Ⅱ)和被動極限區(Ⅲ)。 Ⅰ區的巖體壓縮并傳遞應力。 當承載應力達到其極限載荷,引起巖體完全破壞時,承載應力區周圍的塑性區會固結成單一區域。 同時,Ⅱ區的巖體滑向Ⅲ區,應力傳遞,導致采空區的底板鼓起。

斷裂充分發育的被動極限區(Ⅲ)膨脹變形最為嚴重。 且隨著工作面的推進,底板塑性區繼續移動。 被動極限區(Ⅲ)逐漸向應力釋放區過渡,受保護煤層因應力解除而趨于膨脹,除原生裂隙外,還誘發次生裂隙。 因此,煤體滲透率呈指數增長,為保護煤層卸壓瓦斯抽采提供了有利條件[12]。

2.3 破壞深度理論計算

保護層開采后,地應力由采空區上方頂板向煤壁側向承載應力區轉移,此外,采空區底板內部發育應力釋放區,其一般深度在50 ～60 m,甚至可以超過100 m。 隨著底板深度的增加,應力釋放速率逐漸減小。 采空區底板裂隙深度一般在15 ～25 m,因此,裂隙帶的深度比應力釋放帶的深度要淺。

根據礦區工作面的實際情況,假設工作面前方煤巖體在地應力作用下對底板應力的重新分布沒有影響,將下伏巖層作為連續彈性材料處理,底板破壞深度如圖3 所示。 利用Wischik 對塑性滑移過程中巖土層極限承載力的綜合計算方法,得到底板巖體的開采破壞深度[13-14],得到在煤巖體邊緣支承壓力作用下的底板巖體內極限塑性破壞區的最大破壞深度。

圖3 支承壓力形成的底板破壞深度

底板煤巖體的塑性區域邊界如圖3 所示,并且由巖土極限承載的綜合計算公式1,可得到煤巖體在支撐壓力作用下的邊緣極限塑性破壞的最大深度。

式中,Dmax為底板最大破壞深度,m;L為極限平衡區長度,取10 m;φ為內摩擦角,取35°;

底板巖體破壞深度隨θ 角的不同而發生改變,當dh/dθ=0 時可以求出底板破壞區的最大深度,將實際工程地質條件代入式(1) 計算,得Dmax=18.5 m,即5 號煤層開采后底板的最大破壞深度為18.5 m。

2.4 破壞深度經驗公式計算

由于底板受采動影響,其破壞深度在一定程度上與工作面傾斜長度和埋深有關,結合保護層現場工程地質、頂底板特征、水文地質等條件,以及綜合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》和《三下采煤規程》中的經驗公式,運用數理統計方法得到底板破壞深度關系式[15]

式中,H為5 號煤層埋深,取331 m;l為工作面斜長,取145 m;d為工作面采高,取1.54 m。

經式(2)計算,5 號煤層開采后底板的最大破壞深度為17.8 m,結合理論公式計算結果的采動破壞深度18.5 m,綜合考慮煤礦實際工程條件將底板破壞深度考慮為17.8 m,大于5 號煤層與9 號煤層的層間距17 m,導致下煤層巖層發生破壞,即9 號煤層在保護層開采卸壓范圍內。

3 數值模擬分析

5 號煤層作為9 號煤層的上保護層進行開采,為明確保護層開采后的具體影響情況,以貴州某礦5 號、9 號煤層為工程地質條件,利用數值模擬軟件,建立模型模擬保護層在推進不同位置時底板的應力分布及塑性區變化情況。

3.1 數值模型

結合該礦實際情況,模型的幾何尺寸長×寬×高為160 m×220 m ×100 m,數值模型如圖4 所示,由于煤層實際埋深平均為331 m,在模型中的埋深為151 m,為模擬上覆巖層的自重作用,取覆巖平均容重為2.5 ×104N/m3,通過公式3 計算得出在模型上部邊界施加4.5 MPa 的垂直補償應力作為頂部應力邊界。 模型采用力學參數見表1。

表1 計算采用的巖石力學參數

圖4 數值模型示意圖

其中,F為上覆巖層載荷,N/m2;r為覆巖平均容重,N/m3;H為煤層實際埋深,m;h為煤層在模型中埋深,m。

3.2 底板應力分布分析

開采保護層后,地應力發生變化,一定范圍內煤巖體的原始應力-應變狀態也發生改變。 導致隨工作面推進,不同推進距離下被保護層垂直應力分布不同。 如圖5 所示為工作面推至不同位置時底板垂直應力分布。 保護層回采后,被保護層出現了明顯 的卸壓情況。

圖5 工作面推至不同位置時底板垂直應力分布

由圖5(a)可以看出,工作面推進長度為20 m時,采空區頂底板壓力較小,此時頂板卸壓深度為5 m;由圖5(b)可以看出,當工作面推進至40 m 時,頂底板卸壓區域明顯增大,此時底板卸壓范圍達到25 m,9 號煤層已經在卸壓范圍內;由圖5(c)和(d)可以看出,當工作面推進至80 m、100 m 時,在垂直方向上底板卸壓范圍沒有持續增長,此時卸壓深度范圍最大為33 m。 綜上所述,隨著保護層開采工作面的推進,底板的卸壓深度會隨著推進距離的增加而增加,達到一定值以后會趨于穩定,而5 號煤層與9 號煤層層間距14.6 m 也處于卸壓深度內,產生良好的卸壓效果。

3.3 底板塑性區分布分析

工作面推進過程中,其頂底板發生張拉屈服,并且隨著工作面不斷推進,中部拉應力區和兩端塑性區的破壞范圍與發育深度均在不斷擴大[16],工作面推進不同距離時底板巖體塑性區分布如圖6 所示。

由圖6(a)可以看出,當工作面推進至20 m 時,采空區中部塑性區域相對較少,破壞深度在3 m 左右;由圖6(b)可以看出,當工作面推進至40 m 時,采空區中部塑性區域范圍增加,且開始鏈接成片顯示,此時底板塑性區域最大破壞深度達到20 m;由圖6(c)和圖6(d)看出,當工作面推進至80 m 和100 m 時塑性區演化規律沒有明顯差異,分別為22.5 m 和23 m,底板最大塑性破壞深度無明顯增加,水平塑性區域擴大。 綜上所述,隨著5 號煤層工作面的推進,塑性破壞區在頂底板垂直方向變化不大,最大破壞深度有23 m,9 號煤層在其破壞范圍內。

圖6 工作面推進不同距離時底板巖體塑性區分布

4 保護層開采效果考察

開采保護層后,被保護層在一定程度上得到了卸壓。 為進一步驗證實際保護效果,將1505 運輸巷、1503 運輸巷作為實驗場所,對5 號煤層開采后區域對下部9 號煤層消突效果進行考察。

4.1 施工方案

從5 號煤巷打下向測壓孔測定9 號煤層瓦斯壓力。 在1505 運輸巷布置兩組(共4 個)測壓鉆孔測定9 號煤層瓦斯壓力,具體如圖7 所示。

圖7 測壓鉆孔布置示意圖

首先測定9 號煤層原始瓦斯壓力,待壓力穩定后,5 煤號工作面回采經過測壓地點,繼續觀察開采保護層后瓦斯壓力的變化情況。 在1503 運輸巷布置一組(共4 個)測壓鉆孔,分別考察9 號煤層原始瓦斯壓力和開采保護層后的9 號煤層瓦斯壓力。 鉆孔參數見表2。

4.2 卸壓效果考察

安裝測定裝置后,開始測定瓦斯壓力,每天觀測并記錄各鉆孔瓦斯壓力值,鉆孔壓力隨時間變化曲線如圖8、圖9、圖10 所示。

圖9 9-3、9-4 鉆孔瓦斯壓力隨時間變化曲線

圖10 9-5、9-6、9-7、9-8 鉆孔瓦斯壓力隨時間變化曲線

由圖8 可知,從9-1、9-2 鉆孔瓦斯壓力測定情況看,在5 號煤層回采工作面未推進到測壓地點時,測得9 號煤層原始瓦斯壓力分別是0.42 MPa、0.41 MPa,5 號煤層回采工作面推進約220 m 并超過測壓地點后,下方9號煤層測點測得瓦斯壓力開始下降,最終穩定在0.18 MPa、0.22 MPa,說明說明5 煤層作為保護層開采對9 煤層的瓦斯壓力釋放作用非常明顯,下降范圍分別為57.2%和47.3%。

圖8 9-1、9-2 鉆孔瓦斯壓力隨時間變化曲線

圖9 可知,由于9-3、9-4 號鉆孔在1、2 號鉆孔后方,從瓦斯壓力測定情況看,在5 號煤層回采工作面未推進到測壓地點時,測得9 號煤層原始瓦斯壓力分別是0.38 MPa、0.39 MPa,當5 號煤層回采工作面推進約300 m 并超過測壓地點后,9 號煤層瓦斯壓力開始下降,最終穩定在0.16 MPa、0.21 MPa,說明說明5 煤層作為保護層開采對9 煤層的瓦斯壓力釋放作用非常明顯,分別下降57.9%、46%。

由圖10 可知,從9-7、9-8 號鉆孔瓦斯壓力測定情況看,測得9 煤層原始瓦斯壓力為0.34 MPa、0.35 MPa;從9-5、9-6 鉆孔瓦斯壓力測定情況看,測得9 號煤層殘余瓦斯壓力為0.18 MPa、0.19 MPa。

5 號煤回采后保護范圍之外測得9 號煤層原始瓦斯含量為7.13 ～8.2 m3/t;5 號煤層回采后保護范圍之內的9 號煤層瓦斯含量降低為5.19～6.45 m3/t。綜上所述,說明5 號煤層作為保護層開采對9 號煤層的瓦斯壓力釋放作用非常明顯,瓦斯壓力下降在46%以上。

5 結論

(1) 綜合理論公式和經驗公式計算結果,并出于安全考慮取底板破壞深度最大是17.8 ～18.5 m,而5 號、9 號煤層的垂直層間距為17 m,則9 號煤層在5 號煤層開采的卸壓保護范圍內。

(2) 由數值模擬可知,底板卸壓區域呈現倒三角形,垂直卸壓范圍最大33 m,綜合分析煤層底板垂直應力圖和底板煤巖體塑性區分布圖,得煤層底板最大破壞深度為23 m,與計算結果相符合。

(3) 通過對5 號煤層工作面推進過程中對測壓孔的瓦斯壓力變化觀察,開采后9 號煤層瓦斯壓力下降46% ～57.9%,說明5 號煤層開采后區域有效保護范圍內9 號煤層的突出危險性已消除,卸壓效果良好。