交叉疊置保護層工作面重復采動卸壓效應研究

徐 超，楊 港，付 強，王逸夫，馬思博，趙 偉，郭海軍

（1.中國礦業大學（北京）共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

保護層開采可以降低被保護層的地層應力，增大被保護層的透氣性[1-4]，進一步實現煤和卸壓瓦斯的綜合開采[5-12]。

保護煤層開采過之后，被保護層的卸荷效果直接影響消突措施的實施效果[13-24]。為此，以新景礦15303 工作面實際開采及地質條件為工程背景，研究高瓦斯煤層群交叉疊置工作面重復采動條件下被保護層的卸壓效果，并對保護層開采后被保護層的地應力特征進行精細化表征；同時開展交叉疊置工作面開采被保護層的卸壓效果現場試驗，對研究結果進行驗證。

1 研究方法

1.1 工程背景

本次工程背景為陽泉礦區新景礦蘆南分區15303 和8123 工作面。8123 綜采工作面沿東西方向布置，15303 綜放工作面沿南北方向布置，8123 上方的3#煤層未采。由于新景礦8#和15#煤層蘆南分區特殊的地質構造，兩工作面呈交叉疊置型位置關系，該采區多個區域呈現這種位置關系。交叉疊置工作面位置示意圖如圖1。

1.2 數值模型

數值模型及開采設置如圖2。FLAC3D數值模型長600 m，寬500 m，高度209 m，煤層傾角0°，共87 000個單元。在3#被保護煤層中布置網格測點，用以記錄保護層開挖過程中被保護煤層的應力位移變化。

第1 步：設置8#煤層開采工作面從模型y=100 m 處沿著模型x 軸正向開挖，設置每次開挖10 m，x軸方向開挖300 m，最終開挖尺寸為300 m×200 m×3 m（長×寬×高）；第2 步：設置15#煤層開采工作面從模型x=100 m 處沿著y 軸正向開挖，設置每次沿走向開挖10 m，y 軸方向開挖400 m，15#煤層工作面最終開挖尺寸為400 m×200 m×6 m（長×寬×高）。

1.3 模型力學參數及邊界條件設置

本模型使用摩爾-庫倫準則。模型頂部實際埋深為250 m，在模型最上部施加6.6 MPa 的均勻分布壓力補償上覆巖層的壓力。最下部使用固定邊界固定節點在空間內的移動，其余面均使用滾支邊界，邊界上的節點只可沿邊界做二維的滾動。主要煤巖層的力特性參數見表1。

表1 主要煤巖層的力學特性參數Table 1 Mechanical property parameters of main coal strata

2 數值模擬結果分析

2.1 被保護層塑性區演化特征

2.1.1 單一保護層工作面開采

模擬過程中，分別輸出8#煤層工作面回采50、100、150、200、250、300 m 時，地層的塑性區分布狀態云圖。單一保護層開采地層塑性區分布演化云圖如圖3。

由圖3 可知：當8#煤層工作面回采至50 m 時，工作面前方和開切眼側的采空區底板率先發生塑性破壞，且受到剪應力而發生塑性破壞的區域越來越大，水平方向的破壞區域略大于8#煤層采空區；當工作面推進至300 m 時，在8#煤層采空區中部，3#煤層煤體遭到拉伸破壞，這表明8#下保護煤層的工作面不斷推進使得3#煤層的卸荷空間進一步加大，而8#煤層底板塑性區域較小，15#煤層未出現塑性破壞。

2.1.2 交叉疊置保護層工作面開采

重復采動影響下地層塑性區分布演化云圖如圖4。

由圖4 可知：15#煤層回采100 m 后，8#煤層發生塑性破壞的區域主要集中在15#煤層開切眼附近，上方地層的塑性區向四周擴展；15#煤層工作面推進至200 m 時，3#和8#煤層煤體均發生剪切破壞，3#煤層位于8#煤層和15#煤層重復采動的區域較15#煤層單一采動的區域發生塑性破壞的程度更大；15#煤層工作面推進至300 m 時，位于8#煤層采空區上方的3#卸壓區域煤體遭受到二次剪切破壞，8#煤層采空區上方部分垮落巖層受力狀態由壓應力轉變為剪切力，受到剪切破壞；15#煤層工作面回采至400 m 時，8#煤層大部分發生破壞損傷，破壞區域略大于采空區，而3#煤層發生破壞域遠遠大于8#煤層，表明下伏保護層開采對地層破壞的影響從開切眼和工作面以一定的角度向上部地層輻射，且兩端地層的破壞范圍較大，破壞范圍最遠可達距15#煤層140 m 的地層；3#煤層受8#煤層和15#煤層重復采動影響區域塑性破壞較為充分，該區域3#煤層與8#煤層之間裂隙充分發育，透氣性增加幅度更大。

2.2 3#被保護煤層垂向應力分析

2.2.1 單一保護層工作面開采

8#煤層回采不同距離3#煤層應力分布演化云圖如圖5、垂向應力曲線如圖6。

由圖5 可知，在8#煤層回采過后，8#煤層回采區域3#煤層出現卸壓，在工作面前方和開切眼后方被保護層煤體產生應力集中；隨著保護層開采的距離加大，8#煤層采空區區域3#煤層的卸壓程度也逐步加大，走向兩端應力集中程度也大幅提高；工作面回采至200 m 時，由于8#煤層中部的頂板垮落、壓實，采空區中部的3#被保護煤層煤體出現應力恢復，并且應力恢復的區域隨保護層工作面推進逐漸擴大；8#煤層工作面回采300 m 過后，3#煤層的垂向應力在傾向上呈對稱分布，由于工作面回采后時間不夠不充分，在工作面回采前方的卸壓程度要小于開切眼側，同樣，應力集中程度也小于開切眼側。

由圖6 可知：在8#煤層開始回采50 m 時，3#煤層垂向壓力最低達到5.75 MPa，始采線后方和工作面前方的被保護層煤體應力升高幅度較小；當8#煤層工作面推進至150 m 時，采空區中部的應力最小為3.8 MPa，開切眼后方最大應力為8.5 MPa；當工作面采到200 m 時，3#煤層在采空區中部出現應力恢復，開切眼側和工作面側的應力顯著提高至11 MPa，并且兩側應力集中區域的應力大幅增高，而卸壓區域的應力降低程度基本保持不變，采空區在走向方向上的應力曲線呈現“波浪式”特點，即卸壓充分區域與應力恢復區域交替出現；當工作面推進至300 m 時，卸壓區域中部靠近工作面的一側有最小垂向應力2.8 MPa，3#煤層工作面前方最大應力集中系數為1.79，開切眼側最大應力集中系數為1.86。

2.2.2 交叉疊置保護層工作面開采

重復采動影響下3#煤層應力分布如圖7。

由圖7 可知：15#煤層回采100 m 過后，3#煤層在15#煤層采空區產生卸壓區域，此時8#煤層的回采對3#煤層的有效卸壓起著主要作用；當15#煤層工作面推進至200 m 時，3#煤層受15#煤層的采動影響，卸壓區域大幅增加，在15#煤層工作面與8#煤層工作面相交的區域，產生2 種不同的卸壓效果，3#煤層原卸壓區應力進一步降低，原應力集中區的應力集中程度減小，8#煤層與15#煤層工作面相交的2個交點所在的區域應力大幅升高，產生了應力集中的現象；當15#煤層工作面推進至300 m 時，15#煤層工作面穿過了8#煤層的工作面，3#被保護層在8#煤層與15#煤層工作面相交的區域垂向應力降低；當15#煤層工作面推進至400 m 時，3#煤層在8#煤層和15#煤層工作面相交的區域煤層應力降低，兩工作面相交的4 個點所在的區域應力集中程度大大提高。

模擬過程中，在3#煤層y=250 m 處，以及x=150、200、250、300 m 處設置監測線，監測15#煤層回采時，3#煤層走向方向以及傾向方向上采空區中部的應力變化規律。15#煤回采不同距離3#煤層應力曲線如圖8。

由圖8（a）可知：走向方向上，15#煤層工作面回采100 m 時，3#煤層在15#煤層采空區應力降低至6 MPa，3#煤層在工作面前方30 m 處應力地應力達到16 MPa，應力集中系數為2.22；當15#煤層工作面回采200 m 時，3#煤層地應力先升后降，原應力集中區垂向應力由16 MPa 降低至14 MPa；當15#煤層工作面回采300 m 時，15#煤層工作面和8#煤層工作面完全交叉，交叉區域3#煤層的應力呈現中央高，兩側低的“M 型”分布，15#煤層工作面前方3#煤層應力集中程度由16.9 MPa 降低至16 MPa；當15#煤層工作面回采400 m 時，3#煤層的應力集中程度顯著降低，地應力最高為13 MPa，應力集中系數為1.8，在15#煤層工作面后方100 m 區域內煤體壓力降低，同時在15#煤層工作面前方50 m 區域內產生應力集中的現象，地應力達到9 MPa，應力集中系數為1.25。

由圖8（b）可知：傾向方向上3#煤層在15#煤層工作面兩側區域產生了明顯得應力集中，當15#煤層工作面回采至400 m 時，傾向方向上的垂向應力顯著降低，由于8#煤層和15#煤層的重復采動作用，3#煤層在傾向方向上的應力狀態呈現“波浪式”的特點，即充分卸壓區域和非充分卸壓區域交替出現。

8#煤層與15#煤層交叉疊置工作面開采之后，3#煤層的應力狀態重新分布，應力呈現非均勻的分布狀態，在平面上可以分為5 個區域[24]，分別為：①充分卸壓區Ⅰ；②非充分卸壓區Ⅱ；③應力弱集中區Ⅲ；④應力強集中區Ⅳ；⑤原巖應力區Ⅴ。重復采動被保護煤層采動應力分區示意圖如圖9。

充分卸壓區Ⅰ分為Ⅰ-a、Ⅰ-b、Ⅰ-c 和Ⅰ-d 4個受不同開采擾動充分卸壓的區域。Ⅰ-a 區為8#煤層開采單一擾動增透區；Ⅰ-b 區為15#煤層開采單一擾動增透區；Ⅰ-c 區為8#和15#煤層開采重復擾動增透區，該區域在8#煤層回采后中部地應力恢復，15#煤層回采之后，該區域的煤體再次卸壓；Ⅰ-d區為8#和15#煤層開采重復擾動增透區，該區域在8#煤層回采后被保護層得到充分卸壓，15#保護層開采之后，卸壓程度進一步加大。非充分卸壓區Ⅱ位于充分卸壓區與應力集中區的中間區域，該區域由8#煤層回采后3#煤層的非充分卸壓區和15#煤層回采后工作面側和開切眼側的非充分卸壓區組成。應力集中區Ⅲ位于15#煤層工作面側和開切眼側采空區的外側，應力集中程度較小。高應力集中區Ⅳ分別位于15#煤層與8#煤層工作面垂直交叉的4 個交點區域和8#煤層始采線和終采線外側的應力集中區。

2.3 3#被保護層變形特征

2.3.1 單一保護層工作面開采

在3#煤層回采工作面走向中線設置監測線，監測8#煤層回采不同距離時3#煤層變形量。工作面開采不同距離3#煤層膨脹變形量演化曲線如圖10。

由圖10 可知：當8#煤層工作面推進至50 m時，3#煤層煤體最大相對膨脹變形量為1.2‰，3#煤層在采空區中部的最大相對變形量為2.5‰；當工作面推采過200 m 時，開切眼前方50 m 和工作面后防50 m 處由于上覆巖層的重新壓實作用，3#煤層煤體的相對變形量在該區域降低；當8#煤層工作面推進至300 m 時，3#煤層在8#煤層采空區中部出現充分膨脹變形和非充分膨脹變形交替出現的情況，3#煤層煤體最大膨脹變形出現在開切眼前方60 m 處，3#煤層相對變形量達到5.46‰；開切眼后方和工作面前方由于應力集中現象，3#煤層的煤體被壓縮，相對壓縮變形量為4.7‰左右。

2.3.2 交叉疊置保護層工作面開采

在3#煤層回采工作面設置監測線，監測8#煤層回采300 m 后，15#煤層回采400 m 后，采空區上方3#煤層的相對變形量情況。重復采動影響下3#煤層相對變形量等高線圖如圖11。

導出8#與15#煤層工作面開采之后3#煤層的相對變形量等高線。8#與15#煤層工作面開采之后，3#煤層在8#煤層采空區內形成了環形的充分卸壓區，該區域的相對變形量在3‰～12.8‰之間，相對變形量最高的區域位于環形區域中15#與8#煤層工作面相交的區域；在8#煤層采空區中央、15#與8#煤層工作面非交叉區域形成非充分卸壓區，該區域的相對變形量在0～3‰左右；在15#與8#煤層工作面的開采邊界外形成應力集中區，該區域的相對變形量在-9‰～0 之間，相對變形量最低的區域位于15#煤層工作面與8#煤層工作面垂直交叉的4 個交點區域，該區域的相對變形量-9‰～-11.7‰之間。

3 現場試驗

3.1 測試鉆孔施工方案

測定地點為蘆南分區8123 工作面東三主巷，測定過程中在巷道內布置3 個鉆場，向理論計算的有效卸壓區域內施工上向穿層鉆孔與本煤層順層鉆孔，鉆孔孔徑均為85 mm，設計施工鉆孔共計6 個，穿層鉆孔終孔位置位于3#煤層，順層鉆孔終孔位置位于8#煤層。各施工鉆孔參數及用途見表2。

表2 施工鉆孔參數及用途表Table 2 Drilling parameters and usage table

3.2 被保護層采動應力測定

3#及8#煤層采動應力的測定采用YHY60 型鉆孔應力計。在測定地點安裝YHY60 型應力采集系統配套的鉆孔應力探頭、鋼線及數據傳感器，使用數據采集器采集采動應力信息。應力記錄區間為測點距離15303 工作面采前200 m 和采后200 m，收集的數據還要結合打鉆俯仰角度進行轉換，得到被保護層的垂向應力。測點采動應力如圖12。

由圖12 可知：3#及8#煤層一次擾動區和重復擾動區內煤層采動應力都是先增大后減小，最后又升高；當工作面位于應力探頭前方50 m 時，3#及8#煤層應力探頭位置應力升高。

當工作面位于應力探頭前方約60 m 時，3#煤層一次擾動區內煤層地應力最高為19.6 MPa；當工作面位于應力探頭前方30 m 左右時，8#煤層一次擾動區內煤層地應力最高為21.8 MPa；3#煤層重復采動區域內，工作面位于應力探頭前方約50 m 時，3#煤層重復采動區內煤體應力最高為17.1 MPa。

采過探頭位置之后，鉆孔應力數值快速下降，當工作面推過至3#煤層應力探頭約20 m 時，3#煤層應力最小為4.4 MPa，8#煤層應力最小為5.5 MPa；3#煤層重復采動區域內，工作面采過3#煤層內應力探頭10 m 時，3#煤層重復擾動區內煤層地應力最低為3.8 MPa，地應力顯著降低。15303 工作面的不斷推進使得上方采空區頂板垮落壓實，地應力出現升高，應力探頭所測位置地應力恢復。最終，地層擾動穩定后3#煤層應力約為5.3 MPa 左右，8#煤層應力為6.4 MPa 左右。3#煤層重復擾動區域應力為4.8 MPa 左右，卸壓效果明顯優于單一保護層開采。

3.3 被保護層透氣性系數測定

在保護層開采前和開采后，分別記錄鉆孔瓦斯流量、鉆孔壓力，根據鉆孔徑向流量法計算煤層透氣系數。15303 工作面推進至距離東三主巷80 m 左右時，工作面的超前應力集中使得巷道變形加劇，為了安全起見，中斷了瓦斯流量的觀測，工作面推過東三主巷100 m 后繼續觀測。測點瓦斯流量如圖13。被保護層卸壓前后透氣性系數對比如圖14。

由圖14 可知，8#及15#煤層回采過后，在15#煤層單一擾動區域，3#煤的煤層透氣性系數由0.339 3 m2/（MPa2·d）增加至18.007 9 m2/（MPa2·d），增加52.0倍，8#煤的煤層透氣性系數由0.439 6 m2/（MPa2·d）增加至33.383 8 m2/（MPa2·d），增加74.9 倍。在8#及15#煤層重復擾動區域，3#煤的煤層透氣性系數由0.881 6 m2/（MPa2·d）增加至94.595 7 m2/（MPa2·d），增加106.3 倍。單一15#保護煤層開采卸壓后被保護煤層的透氣性都大幅度提高，8#及15#煤層重復采動卸壓后，3#被保護層的卸壓效果遠高于單一15#保護煤層開采的卸壓效果，再次驗證了保護層開采的卸壓效果。

4 結 語

以新景礦15303 工作面實際開采及地質條件為工程背景，研究了高瓦斯煤層群交叉疊置工作面重復采動條件下被保護層的卸壓效果，并對開采后被保護層的地應力特征進行了精細化的表征；同時開展了現場試驗，驗證了卸壓的效果。

1）交叉疊置工作面開采之后，被保護層應力狀態呈現非均勻的分布狀態。在兩保護層工作面重疊區域內，被保護層的應力集中程度降低，卸壓區域內的卸壓程度增加，兩工作面垂直交叉的4 個交點區域，被保護層的應力集中程度大幅升高。

2）交叉疊置工作面開采之后，被保護層的應力狀態在平面上可以分為5 個區域，分別為：充分卸壓區Ⅰ；非充分卸壓區Ⅱ；應力集中區Ⅲ；高應力集中區Ⅳ；原巖應力區Ⅴ。

3）交叉疊置工作面開采之后，充分卸壓區Ⅰ的相對變形量在3‰～12.8‰之間，非充分卸壓區Ⅱ的相對變形量在0～3‰左右，應力集中區Ⅲ的相對變形量在-9‰～0 之間，高應力集中區Ⅳ的相對變形量在-9‰～-11.7‰之間。

4）現場試驗結果表明：在15#煤層開采單一擾動區域，3#煤層地應力約為5.3 MPa 左右，8#煤層為6.4 MPa 左右，3#煤的煤層透氣性系數增加52 倍，8#煤增加74.9 倍；在8#及15#煤層重復擾動區域，3#煤層地應力為4.8 MPa 左右，透氣性系數增加106.3倍。交叉疊置工作面的卸壓效果明顯優于單一保護層開采。