上保护层开采下伏煤岩卸压带瓦斯抽采优化设计

都 锋

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

目前，针对上保护层开采[1-2]卸压带瓦斯的抽采主要集中在对卸压带范围的研究，包括数值模拟、采动应力场计算、底板破坏深度的线性回归分析[3]等，然而上述方法带了一定的片面性、局限性。基于此，依据薄板力学机构模型[4-5]结合四边固支的边界条件、数值模拟对卸压带特征的数值模拟，耦合2种方法对卸压带瓦斯抽采进行优化设计。

1 工作面概况

某矿设计生产能力为30万t/a，采用斜井开拓。矿井划分为2个水平开采，一水平标高+1 200 m，二水平标高+1 130 m，各煤层水平标高以上为俯斜开采，以下为仰斜开采。矿区内有 15、21、28、30、32 煤层共5层，设计采用分组联合布置，15、21煤层划分为上煤组，28、30、32煤层划分为下煤组。先开采上煤组15煤层，然后开采21煤层，再开采下煤组28、30、32煤层。

矿井采用倾斜长壁后退式采煤法进行回采，全部垮落法管理顶板。矿井目前主要开采15煤，该煤层属于较稳定的全区可采煤层，煤层均厚2 m、平均倾角为13°。煤层基本顶为L7灰岩，直接顶以泥岩为主，底板以泥岩、砂质泥岩为主。15煤回采的工作面主要有11505工作面，工作面平均走向长度145 m，倾斜长度750 m。

位于15煤层下方25.6 m为21煤层，21煤层平均厚度2.1 m、倾角10°。目前沿着21煤正在掘进的12101回风巷，掘进断面为矩形，宽、高为3.2 m×2.0 m。其中，15煤为保护层，21煤为被保护层，15煤开采煤岩裂隙结构示意图如图1。

图1 15煤开采煤岩裂隙结构示意图

在15煤层未开采区域、21煤层多次取煤样进行实验室瓦斯基本参数测定，测得21煤层平均原始瓦斯含量为11.7 m3/t、瓦斯压力为0.93 MPa及透气性系数为5.1×10 m2/（MPa2·d），属于低透煤层。

2 保护层下伏煤岩的薄板力学模型

当11505工作面回采一定阶段后，采动应力扰动造成下伏煤岩塑性变形、卸压增透及产生裂隙，集中在15煤开采形成的卸压区内，包括层向裂隙和竖向裂隙，形成了瓦斯运移的主要通道。在卸压区域内瓦斯持续的解吸-渗流，如果不采取相应的卸压区瓦斯抽采措施，一方面游离的瓦斯积聚在11505工作面采空区内形成安全隐患；另一方面，保护层开采后卸压区的瓦斯对被保护层21煤层开采产生较大的瓦斯积聚隐患。待上保护层的11505工作面回采后，应提前实施卸压带瓦斯的预抽。

实施卸压区瓦斯预抽必须找到卸压区的范围，现有的研究成果集中在对采动应力场、底板破坏深度的线性回归分析及岩体块、板力学结构模型的建立，但是上述研究的缺陷明显，主要是因为无论是采动应力场还是底板破坏深度的线性回归计算，其分析的大都是开采区域某段、某处的卸压范围，存在较多的盲区，对瓦斯抽采钻孔的布置的理论性支撑不足；同时，岩体块、板力学结构分析卸压区塑性变形特征，存在较多的计算误差，尤其是保护层、被保护层之间的岩层种类较多，耦合计算程序较复杂，带来较大的繁琐。

对比保护层与被保护层之间的间距、工作面的走向长度之间的比例关系，满足间距与工作面走向长度比值在1/5～1/8，选择把上保护层15煤、被保护层21煤之间的岩体作为1个整体，运用薄板力学模型，建立模型，薄板结构力学计算模型如图2，其中，a为保护层下伏岩层的有效长度，b为保护层下伏岩层的有效宽度，h为保护层与被保护层之间的间距，q为施加于保护层15煤层直接底板的载荷。

图2 薄板结构力学计算模型

假定上述模型为连续介质、各向同性和线弹性的介质，在不考虑剪应变的基础上，薄板发生弯曲变形后其各点的挠度与薄板中面的挠度相同，在初始状态下设定薄板中面的挠度很小，伸缩位移为0，假定薄板模型为四边固支的模型.

众所周知，近年来大自然家居一直进行大家居战略部署，将主营业务从地板转型升级为地板、橱柜、衣柜、木门、软装、家装等多个领域，形成了大自然地板品牌领衔、多品牌并驾齐驱的大家居战略，现旗下品牌有：大自然地板、大自然木门、大自然柯拉尼橱衣柜、大自然环保家装、大自然壁高软装等多个子品牌，从家居硬装到软装，为用户提供一站式整体家居解决方案。

根据上述模型，建立相应的力学平衡方程为：

式中：w为薄板的挠度函数，m；D为板的抗弯刚度，MPa；E 为板的弹性模量，MPa；h为板的厚度，m；μ为板的泊松比。

当矩形薄板边界可简化为固支或简支边界时，弯曲变形能Uw可简化为：

在此处薄板模型的分析中，简化为四边固支的边界条件，即薄板四边的挠度与转角皆为0，即：

依据式（5）推导出薄板中面的挠曲函数[6-7]为：

联立式（4）、式（5）求得：

外力所施加的势能V为：

依据最小势能理论，可得：

通过式（6）～式（8）得：

联立式（6）、式（10）最终得到 w（x，y）的表达式：

结合现场的实际，在Matlab中植入相关的参数，得到了薄板模型的变形曲线（图3）。

图3 薄板结构挠度分布曲线

从图3可知，在四周固支的薄板结构中，薄板中面中心区域的岩层变形较大，挠度最大且其曲线呈现对称的“山谷”状。

3 保护层下伏煤岩卸压范围的数值模拟

前述从足够的边界条件考察了保护层、被保护层之间岩层的挠曲分布规律，借助了薄板模型四边固支的计算要求。为了验证上述结论的趋势正确性，同时进一步获取保护层开采时下伏煤岩裂隙场的分布规律，采用动态损伤软件RFPA2D进行相应的数值模拟，结合软件自带的声发射监测[8-10]功能，在煤岩受采动影响时，裂隙处即时发生声发射现象（AE现象），可以通过声发射现象的能量或者频次来测定岩层裂隙场的分布规律。

模型尺寸为长200 m×50 m，沿着11505工作面走向方向、薄板中面做剖面，监测工作面动态开采下声发射现象频次、能量的空间分布规律，模型相关参数见表1。

表1 模型相关参数

依据数值模拟声发射频次的空间分布规律（图4），沿着工作面走向方向在工作面正下方声发射的频次呈现“漏斗状”的形态，与图3中薄板模型挠度“山谷”趋势一致，说明了裂隙集中在11505工作面的正下方，自上而下声发射无论是频次还是强度在减弱，直至到被保护层的21煤层，临近21煤层上部声发射强度变低且辐射区域较小。受11505工作面采动影响，21煤瓦斯解吸并在“漏斗”状的裂隙通道内渗流。

图4 保护层开采声发射频次空间分布图

4 钻孔的优化布置

4.1 抽采巷层位的选择

借助于四边固支薄板模型对薄板中面挠度的理论分析，得到了在11505工作面与被保护层21煤之间岩层破裂、挤压、滑移运动，最终形成了“山谷”状的挠曲曲线；同时，沿着11505工作面走向、薄板中面进行相应的数值模拟，声发射的频次在11505工作面呈现“漏斗”状，与理论趋势一致。针对上述在21煤解吸的瓦斯运移的通道，选择在15煤与21煤之间布置抽采巷实施抽采，进一步分析2层煤之间的岩层岩性、图4的声发射频次规律，最终选择在3.1 m厚的粉砂岩中布置抽采巷，粉砂岩抗压强度较强，且位于图4中的声发射强度与频次的最弱部，一方面降低了巷道维护的成本，另一方面更便于实施控制区域最大的高位钻孔。

4.2 钻场的优化布置

沿工作面走向方向，借助瓦斯抽采巷布置钻场，实施定向钻场[10]，每个钻场设置1#、2#直至编号为8#的钻孔，钻孔的直径为75 mm，其中，1#钻孔与煤层方向呈33°夹角，每个相邻钻孔的垂高差为5 m，第1个钻场的4#钻孔距离11505工作面采空区左侧边界水平为3.5 m。第1个钻场的8#钻孔与第2个钻场的4#钻孔沿煤层倾角方向距离为12 m。上述所有的钻场均布置在11505工作面走向中心延长线上。沿工作面走向高位钻孔施工方案如图5。

图5 沿工作面走向高位钻孔施工方案

4.3 钻孔的抽采效果分析

当11505工作面超前回采20 m左右，实施定向高位钻场抽采瓦斯，抽采的负压为35 kPa。最初3#、4#、7#、8#钻孔瓦斯流量明显大于 1#、2#、5#、6#钻孔，接近1.2倍。当11505工作面继续推进10 m后，此时通过对抽采区域下部的21煤煤体取样测得瓦斯含量及压力分别为 6.78 m3/t、0.53 MPa；当 11505 工作面超前20 m后，对第2个钻场实施相同条件的瓦斯抽采，测定21煤瓦斯含量及压力分别为5.77 m3/t、0.41 MPa；同理，11505 工作面继续超前 20 m，对第3个钻场实施相同条件的瓦斯抽采，测定21煤瓦斯含量及压力分别为 5.23 m3/t、0.41 MPa。

采用相同的方法，后续将对沿21煤层布置的12101回风巷取煤样测定瓦斯含量，抽采前测得21煤层瓦斯含量为 7.13～8.2 m3/t，抽采后 21 煤层残余瓦斯含量降低为 5.19 ～6.45 m3/t。

5 结论

1）将保护层、被保护层之间岩层建立薄板模型整体考虑，设定四边固支符合现场实际条件。

2）卸压最明显区域是薄板模型挠曲分布规律的“山谷”处，也是数值模拟“漏斗”卸压带的上口。

3）针对上保护层开采的卸压带分层优化布置钻孔、钻场，抽采效果明显。