遠距離下保護層開采遺留煤柱對被保護層回采的影響研究

陳學習 ，盛貴松 ，高澤帥

（華北科技學院 礦山安全學院，河北 三河 065201）

礦井深部開采活動受到煤與瓦斯突出、沖擊地壓等典型煤巖動力災害的困擾，為保證礦井安全開采，常以保護層開采作為區(qū)域性防治煤巖動力災害的有效手段[1-4]。在傾斜煤層保護層開采時，因客觀原因需要留設煤柱，影響到被保護層的卸壓效果[5]。姜福興等[6]指出保護層煤柱影響范圍內(nèi)屬于高應力區(qū)，易引發(fā)沖擊地壓，總結了煤柱存在條件下保護層發(fā)生沖擊的機理；劉宜平等[7]系統(tǒng)研究了煤柱影響下被保護層開采應力演化特征，被保護層工作面除煤柱影響區(qū)之外整體處于卸壓狀態(tài)，支承壓力演化規(guī)律與被保護層工作面開采進度緊密相關；肖健等[8]研究了開采條件下殘余煤柱影響區(qū)實際的瓦斯賦存釋放效果和應力環(huán)境。目前，關于遠距離下保護層開采遺留煤柱對被保護層回采影響的研究較少。為此，以平煤六礦戊8-22270 和戊8-22290 工作面之間留設的4 m 煤柱和被保護層的丁5-6-22190 工作面為研究對象，通過理論分析煤柱影響范圍及煤柱極限強度，利用FLAC3d模擬保護層遺留煤柱破壞前后和被保護層丁5-6-22190 工作面開采前后的應力分布規(guī)律，并在回采工作面測試煤柱影響區(qū)的殘余瓦斯含量、壓力以及地應力；為平煤六礦丁5-6-22190 工作面煤柱影響區(qū)安全開采提供指導和建議。

1 研究區(qū)概況

平煤六礦主要開采丁5-6、戊8和戊9-10煤層，其中丁5-6 屬突出煤層，戊8 和戊9-10 為非突煤層。為區(qū)域性防治瓦斯突出，礦井優(yōu)先開采厚度較小且無突出危險的戊8煤層作為保護層，其上部的丁5-6煤層為被保護層，兩層煤間距63 m 左右。

丁5-6-22190 工作面煤層傾角5°～9°，煤厚合層范圍煤厚在2.6～3.8 m，煤層厚度較穩(wěn)定，工作面呈緩傾斜單斜構造。煤層直接頂為泥巖，平均厚度1.4 m；基本頂為細砂巖，平均厚度6 m；直接底為泥巖，平均厚度2.65 m；基本底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.65 m。工作面埋深700～830 m，研究區(qū)范圍位于工作面埋深較大處，平均埋深820 m。且丁5-6煤層最大原始瓦斯壓力2.1 MPa，最大原始瓦斯含量6.643 m3/t。

戊8-22310 工作面和戊8-32010 工作面回采后遺留寬度為4 m 的煤柱，該煤柱位于丁5-6-22190 工作面下部，距離丁5-6-22190 機巷34.4 m。研究區(qū)平面和剖面位置關系如圖1。

圖1 研究對象位置關系圖Fig.1 Location diagram of research object

2 煤柱影響區(qū)應力分析

2.1 煤柱影響范圍

已開采保護層的卸壓角 δ直接決定著其有效保護范圍[9]。戊8 煤層傾向上深部卸壓角和淺部卸壓角均為80°，走向卸壓角為60°。則該保護層傾向、走向保護范圍卸壓角可分別按80°、60°劃定。根據(jù)遺留煤柱影響范圍、煤層間距與卸壓角的關系[10]，可以計算出遺留煤柱最大影響范圍為26.2 m，保護層煤層遺留煤柱上方及兩側(cè)外延區(qū)域11.1 m 區(qū)域為應力影響區(qū)域。

2.2 煤柱極限強度

煤柱自身強度和煤體強度、煤柱高度、煤柱寬度以及煤柱內(nèi)部結構有關[11]。煤柱自身的強度直接決定著采空區(qū)遺留煤柱的穩(wěn)定性[12-14]，通常使用Bieniawski 公式來表達煤柱的極限強度，其實質(zhì)為煤柱在載荷作用下所能夠承受的應力極限[15]，如式（1）[16]。

式中： σp為煤柱的極限強度，MPa； σm為煤塊單軸抗壓強度，取值20 MPa；w為煤柱寬度，取值4 m；h為煤柱高度，取值2.2 m；n為與煤柱寬高比相關的系數(shù)，留設煤柱w/h<5 ，故n=1。

由此可知，戊8 保護層開采遺留煤柱極限強度σp=25.9 MPa。當煤柱所承載的垂直應力大于遺留煤柱的極限強度時，煤柱將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3 煤柱彈塑性寬度

在煤礦生產(chǎn)中，煤體彈塑性寬度（即支承壓力分布特征）對頂板跨落、煤柱寬度、煤體強度及穩(wěn)定性等方面具有重要意義[17-19]。根據(jù)該礦戊8煤層遺留煤柱特征，其兩側(cè)均為采空區(qū)，可認為該煤柱內(nèi)部的彈塑性區(qū)兩側(cè)均是一次采動影響下靠近采空區(qū)側(cè)彈塑性區(qū)寬度。

煤柱靠近采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度可用式（2）[20]計算：

式中：x1為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，m；M為開采厚度，2.2 m； β為塑性區(qū)與彈性區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)，0.45； ?0為煤體內(nèi)摩擦角，31.41°；c為煤體的黏聚力，1.32 MPa；ps為采空側(cè)支護阻力，2.0 MPa。

煤柱靠近采空區(qū)側(cè)彈性區(qū)寬度可用式（3）[21]計算：

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

基于戊8-22310、戊8-32010 和丁5-6-22190 工作面的相對位置和煤層賦存情況，建立研究區(qū)FLAC3D數(shù)值模型。數(shù)值模擬中使用的各煤巖層、煤層力學參數(shù)見表1。

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

模型高度（z方向）550 m，傾向長度（x方向）800 m，走向長度（y方向）600 m，開采范圍四周保持100 m 以上的巖體邊界。研究范圍內(nèi)丁5-6煤層平均垂深為820 m，上覆巖層高度為370 m，上覆巖層的平均密度取2.5 t/m3，則上部巖層重力為9.25 MPa。模型z軸負方向的底面為固定邊界，正方向頂部施加9.25 MPa 的原巖應力；x、y軸方向上的4 個面為固定邊界。材料本構模型采用摩爾-庫倫模型，數(shù)值模擬時開挖順序模擬實際開采順序：①戊8-22310 機巷、風巷掘進；②戊8-22310 工作面回采；③戊8-32010 機巷、風巷掘進；④戊8-32010 工作面回采。

3.2 數(shù)值模擬結果

垂直應力能夠很好地體現(xiàn)采掘活動對鄰近煤巖體的影響，所以本次數(shù)值模擬結果分析選用垂直應力表征，垂直應力分布數(shù)值模擬圖如圖2。

圖2 垂直應力分布數(shù)值模擬圖Fig.2 Numerical simulation plots of vertical stress distribution

1）由圖2（a）可以看出：戊8-22310 機巷、風巷掘進后，因巷道掘進活動形成的影響范圍較小，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)應力降低現(xiàn)象，上下兩幫出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象；但上部丁5-6煤層應力環(huán)境基本未受戊8-22310 機巷、風巷掘進的影響。

2）從圖2（b）可以看出：戊8-22310 工作面回采后，戊8-22310 機巷下部和風巷上部應力集中程度增加，峰值應力超過原巖應力的2 倍；在回采工作面的頂、底板形成大面積的應力降低區(qū)，呈現(xiàn)“橢圓”狀分布，但頂板方向的影響范圍稍大于底板方向影響范圍；回采活動降低了上部丁5-6煤層應力垂直應力且由戊8-22310 回采面中部向兩側(cè)逐漸增加。

3）由圖2（c）可以看出：戊8-22310 工作面回采結束，進行戊8-32010 機巷、風巷掘進后，由于巷道掘進范圍小，僅能影響巷道周邊的局部區(qū)域，未能對上部丁5-6煤層垂直應力產(chǎn)生影響；丁5-6煤層垂直應力分布與戊8-22310 工作面回采結束基本一致，由戊8-22310 回采面中部向兩側(cè)逐漸增加。

4）圖2（d）可以看出：戊8-32010 工作面回采后，同樣在丁5-6 煤層形成應力降低區(qū)，局部范圍形成膨脹應力區(qū)；膨脹應力區(qū)主要分布在戊8-32010 回采面中部的正上方，垂直應力由回采面中部的正上方向兩側(cè)逐漸增加，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯Α?/p>

綜合以上分析可知：戊8-32010 工作面回采后，戊8-22310 上部丁5-6 煤層應力分布同樣發(fā)生變化，淺部膨脹應力范圍變化不大，但深部膨脹應力范圍大幅增大，膨脹應力輪廓線基本與戊8-22310 回采面垂直；戊8-22310 工作面和戊8-32010 工作面均回采后，中間遺留的4 m 小煤柱，中部形成高應力集中，超煤柱承載極限；遺留煤柱一定程度上阻礙了丁5-6 煤層膨脹應力區(qū)的發(fā)展，但在丁5-6 煤層中僅降低了應力下降幅度，2 個膨脹應力區(qū)之間的煤柱影響區(qū)應力值小于5 MPa，遺留煤柱未在丁5-6 煤層中形成應力集中區(qū)。

4 殘余煤柱影響區(qū)現(xiàn)場測試

選擇煤層殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量和地應力作為測試考察指標，在丁5-6-22190 機巷布置4組測點，每組測點有3 個順層鉆孔，共12 個測試鉆孔。煤層殘余瓦斯壓力、地應力2 個指標各布置6 個鉆孔。煤層殘余瓦斯含量測點設置如下：每個鉆孔均在鉆孔深度30 m 處取樣；1 號鉆孔在36 m 處取樣；2 號鉆孔在36、48 m 處取樣；3 號鉆孔在36、48、60 m 處取樣。

鉆孔瓦斯壓力恢復曲線如圖3，各組鉆孔瓦斯含量變化曲線如圖4，鉆孔應力計采集數(shù)據(jù)變化曲線如圖5。

圖3 鉆孔瓦斯壓力恢復曲線Fig.3 Drilling gas pressure recovery curves

圖4 各組鉆孔瓦斯含量變化曲線Fig.4 Change curves of borehole gas content in each group

圖5 鉆孔應力計采集數(shù)據(jù)變化曲線Fig.5 Change curves of drilling strain gauge acquisition data

1）煤層瓦斯壓力測試。瓦斯壓力測定的測壓方式采用主動測壓法，測壓觀測時間為8 d。由圖3可知：2 組最大瓦斯壓力分別為0.55 MPa 和0.53 MPa，分別對應1-2 和3-2 這2 個鉆孔，2 個鉆孔的終孔位置對應遺留煤柱中線正上方，與同組內(nèi)的其他2 個鉆孔瓦斯壓力差距不大，2 組鉆孔的煤層瓦斯壓力都呈現(xiàn)逐漸上升最后趨于穩(wěn)定的趨勢。

2）煤層瓦斯含量測試。丁5-6-22190 機巷施工12 個考察鉆孔，每組鉆孔的1 號孔測2 個瓦斯含量，2 號鉆孔測3 個瓦斯含量，3 號鉆孔測4 個瓦斯含量，共測試36 個瓦斯含量。由圖4 可知：鉆孔深度30～48 m 范圍內(nèi)，瓦斯含量隨鉆孔深度的增加而增加，在48 m 時瓦斯含量值最大；在鉆孔深度48～60 m 范圍內(nèi)，瓦斯含量逐漸下降。所測的最大瓦斯含量為4.36 m3/t，與煤柱影響區(qū)外所測的瓦斯含量相差較小。

3）地應力測試。由圖5 可知：隨著測試時間的增加，地應力也逐漸增加并最終趨于穩(wěn)定。鉆孔形成初期其完整性破壞程度低；隨時間的推移，由于上覆巖層以及鉆孔周圍煤巖體的應力作用，鉆孔會發(fā)生坍塌變形，作用在鉆孔應力計上從而產(chǎn)生地應力數(shù)值變化，由剛檢測時的1～2 MPa 至最終檢測的19.5～21 MPa，趨于穩(wěn)定。通過對比各個鉆孔的應力數(shù)值，可知煤柱影響區(qū)內(nèi)地應力值與原巖應力20.5 MPa 基本一致，并沒有因為戊8-22130 機巷和戊8-32010 風巷之間遺留的4 m 煤柱而形成明顯的應力集中區(qū)域。

5 結 語

1）戊8 煤層寬4 m 遺留煤柱的影響范圍為27.3 m，極限強度為25.9 MPa，塑性區(qū)寬度2.26 m，彈性區(qū)寬度為2.68 m，煤柱兩側(cè)工作面均回采后，其承載的最大垂直應力87.9 MPa，遠超煤柱本身的承載極限。

2）煤柱影響區(qū)內(nèi)煤層殘余瓦斯壓力測值為0.49～0.55 MPa，最大值0.55 MPa；保護范圍內(nèi)殘余測值瓦斯含量測值為4.13～4.21 m3/t，煤柱影響區(qū)測值4.23～4.36 m3/t，影響區(qū)內(nèi)測值稍大于保護范圍內(nèi)，但差值較小。

3）地應力測值與原巖應力基本一致，并且根據(jù)同組內(nèi)各鉆孔的應力變化趨勢，戊8-22130 機巷和戊8-32010 風巷之間遺留4 m 煤柱并沒有在丁5-6-22190 工作面內(nèi)所形成明顯的應力集中區(qū)域，遺留小煤柱對被保護效果影響較小，保護效果在傾向上有連續(xù)性，對被保護層工作面回采影響小。