上保护层开采对下部特厚煤层移动变形规律及保护效果考察研究*

徐 刚，王 磊,金洪伟,王 强

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.山西潞安集团五阳煤矿，山西 长治 046205)

0 引言

在开采特厚高瓦斯煤层时，首先开采具有煤与瓦斯突出危险性的上保护煤层，然后向下被保护层煤层打穿层钻孔进行瓦斯抽采[1]，该方法是防治特厚煤层煤与瓦斯突出危险经济可行的方法之一。被保护煤层受采动影响后，产生卸压及膨胀变形，应力降低，围岩透气性增大[2]，体积变形使围岩弹性能降低，衍生出相互贯通的纵向和横向裂隙[3-4]，有利于被保护层吸附的瓦斯自然解吸和排放，并为瓦斯抽放工作提供了良好的条件[5]。被保护层卸压后，煤层中赋存的吸附瓦斯大量涌入上保护层工作面及采空区，影响上保护层工作面的正常回采[6-8]。用FLAC3D软件对上保护层开采下伏煤岩移动变形进行数值模拟，可以明确被保护层受采动影响后的应力和位移变化特征，并确定出应力和位移变化量，为上保护层工作面的瓦斯防治及安全开采提供有效的理论依据，并为优化被保护层瓦斯的抽采提供可靠的理论指导。

1 上保护层开采数值模拟研究

1.1 研究背景

选取海石湾煤矿6124(煤二层)工作面为研究对象，6124工作面布置在6113(油页岩)和6114(油页岩)保护层工作面下部，被保护层6124工作面煤层厚度为26 m，埋藏深度为683～965 m，保护层与被保护层间距14～42 m，平均间距30 m，其中油页岩6113工作面走向长1 040 m，平均可采高度4.0 m，油页岩6114工作面回采走向长度965 m，平均可采高度4.0 m。

1.2 保护范围的确定

数值模型的建立应根据矿井地质资料并结合相似理论进行研究。矿井上保护层开采期间，应对开采时期的卸压角进行计算并参照《防治煤与瓦斯突出规定》的要求进行选取[9]。

1)走向方向的保护范围

海石湾煤矿6124上保护层工作面平均煤层倾角为8°，可按近水平煤层处理。当上保护层倾角取8°时，保护层沿走向方向卸压角按60°设计。

2)倾斜方向的保护范围

煤二层6124工作面布置在上保护层6113工作面和6114工作面下部卸压范围内，其中回风巷布置在6113工作面中部煤二层中，进风巷布置在6114工作面中部煤二层中，所以工作面进风巷和回风巷完全处在保护层卸压范围内。

1.3 数值模型的建立

根据海石湾煤矿地质资料，选取模型走向长度300 m、倾向长度150 m、垂深150 m，工作面沿走向方向每侧留50 m保护煤柱的部分作为研究对象，并对岩性相近的薄岩层进行整合，将上保护层开采模型简化为三维应变问题，建立沿工作面走向变化的数值模拟模型。

根据固体力学数值模型，模拟受均布荷载作用下应力、位移的变化情况，采动过程中煤岩层变形服从摩尔-库伦弹塑性模型，用空壳模型“null”模拟煤层开挖[10]。模型位移边界条件为：左右边界取u=0，v≠0(u为x方向位移，v为y方向位移)，即单约束边界；前后边界取u≠0，v=0，即单约束边界；下部边界取u=v=0，即全约束边界；上部边界为自由面，不约束。

上部边界施加的荷载[11]计算公式如式(1)所示：

q=∑γh

(1)

式中：q为工作面均布荷载；γ为上覆岩层的平均密度，取平均值2.5×103kg/m3；h为上保护层垂深，取700 m。

根据煤层上覆岩层埋藏深度，经计算可得上部边界应施加的载荷为17.5 MPa。煤岩层物理力学参数见表1，在被保护层煤二层中布置了8个测点，测点布置如图1所示。

表1 煤岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rock

图1 上保护层开采测点布置Fig.1 Layout of measuring points for upper protective layer mining

2 上保护层开采数值模拟研究

采用FLAC3D软件模拟上保护层开采，能模拟出多种材料的三维结构受力特性[12]。通过数值模拟能够准确反映出被保护层煤层内部的应力和位移微小变化。因此，采用FLAC3D数值模拟软件，建立上保护层开采的三维数值模拟模型[13]，准确的模拟出被保护煤层的卸压状态和位移演化规律。

2.1 塑性区破坏变形分析

根据上保护层数值模拟结果，可得出上保护层工作面在开采期间不同推进距离时，被保护层在垂直方向上塑性区分布及变化情况，上保护层开采塑性区分布如图2所示。

图2 上保护层开采塑性区分布Fig.2 Cloud map for distribution of plastic zone in upper protective layer mining

由图2可知，上保护层开采过程中覆岩受采动破坏明显，上覆和下伏煤岩体均出现了不同程度的剪切和拉伸破坏，并主要以剪切破坏为主；下伏煤岩体受采动的破坏程度低，采空区上部煤岩层破坏和垮落较明显。随着上保护层工作面不断推进，底板应力向煤柱两端集中，使得下方煤岩体受到挤压，产生膨胀变形破坏。

2.2 应力变化数值模拟分析

上保护层开采前煤岩层处于应力平衡状态，采动后工作面前方的底板煤岩层受到采动影响，原始应力状态被破坏，引起应力重新分布，并一直持续到形成新的应力平衡为止[14]。

根据上保护层开采数值模拟模型，上保护层开采期间不同推进距离被保护层应力分布如图3所示；应力随计算步数的变化情况如图4所示；上保护层工作面每推进25 m记录1次被保护层垂直方向应力变化量，应力变化量呈现出如图5所示的变化规律。

图3 不同推进距离被保护层应力分布Fig.3 Layout of measuring points for upper protective layer mining

图4 不同推进距离被保护层应力变化趋势Fig.4 Change of stress in protected layer under different propulsion distances

图5 不同推进距离被保护层应力变化量Fig.5 Change of stress in protected layer under different propulsion distances

由图3可知，当工作面从切眼位置推进到25 m时，开切眼一侧应力开始迅速增大并在25 m处出现应力集中，在采空区下部区域应力降低，被保护层应力变化沿深度方向呈“V”字形且对称分布，即采空区底板中部煤层应力变化程度最大；随着工作面的推进，工作面附近的邻接应力增加，应力集中区域的位置不断向前移动，并且推进距离不断增大，采空区下部的卸压范围也不断增大；工作面越长，则有效卸压范围越大。

由图4可知，当工作面推进到25 m和50 m时，垂直方向的应力从原始应力迅速增大并达到峰值，然后在峰值附近上下波动变化，表明在上保护层工作面开采至50 m之前，应变能都储存在工作面两帮的煤柱中，使得被保护层顶板的应力处于峰值附近上下波动；当工作面推进距离大于75 m时，由于上覆煤岩体自重增大，工作面两帮的煤柱突然失效会释放出大量应变能，使得应力值又缓慢下降，直到煤柱完全失效时，应力值趋于平缓。

由图5可知，上保护层工作面从切眼位置推进到50 m时，被保护层的拉应力迅速增加，拉应力达到0.469 MPa，被保护层在拉伸力和剪切力的共同作用下发生上下错动，使得卸压程度和破坏深度迅速增大，拉应力出现先迅速增大、后减小、最后再增大的状态；从开切眼位置压应力逐渐增大，在推进到175 m时达到最大值，最大值为31.3 MPa。

2.3 位移变化数值模拟分析

上保护层开采期间，由于煤岩层在一定范围内受采动影响，且在临近煤岩层的挤压作用下向巷道移动变形，使被保护层煤层向采空区移动，最后发生膨胀变形上下错动，产生不同程度的裂隙[15]。6124上保护层工作面开采期间，不同推进距离被保护层位移分布如图6所示；位移随计算步数的变化情况如图7所示；上保护层工作面每推进25 m记录1次被保护层垂直方向位移变化量，位移变化量呈现出如图8所示的变化规律。

图6 不同推进距离被保护层位移分布Fig.6 Cloud map of displacement distribution of protected layer under different propulsion distances

图7 不同推进距离被保护层位移变化趋势Fig.7 Change trend of stress in protected layer under different propulsion distances

图8 不同推进距离被保护层的位移变化量Fig.8 Change of displacement of protected layer under different propulsion distances

由图6可知，采空区顶板下沉变形量明显大于底板膨胀变形量，且被保护层位移变化呈“拱形”分布，即位于采空区中部的被保护层顶板位移变化量最大，被保护层顶板位移变化量随着距采空区中部距离的增大而逐渐减小，表明被保护层受上保护层开采影响较大。

由图7可知，当上保护层工作面推进距离大于50 m时，位移变化量迅速达到峰值并在峰值附近波动，表明工作面两帮的煤柱支撑着采空区顶板，回采产生的应变能都储存在两帮的煤柱中，使得位移在峰值附近波动；当推进距离大于50 m后，顶板开始垮落对被保护层产生自重压力，使得被保护层的垂直位移缓慢减小，并且随着推进距离的不断增大，垂直位移减小的越多，最终趋于平缓。

由图8可知，随着推进距离不断增加，被保护层中部的煤层垂直位移变化量不断增大，当上保护层工作面推进距离为200 m时，被保护层的煤层位移变化量达到最大，最大值为354 mm，位移变化量范围在160～354 mm之间，表明上保护层开采对被保护层煤层卸压影响较大。

3 被保护层的保护效果考察

3.1 被保护层瓦斯抽采效果检验

通过对海石湾煤矿6124被保护层工作面煤层进行瓦斯抽采量数据测定，并与直接从6124工作面底抽巷打穿层钻孔进行瓦斯抽采的数据分析比较，可以看出上保护层开采对矿井被保护层瓦斯卸压及工作面防突具有很好的效果，对工程实践具有较好的指导作用。上保护层开采后瓦斯抽采量和6124工作面底抽巷直接打穿层钻孔瓦斯抽采量数据对比如图9所示。

图9 被保护层区域累计瓦斯抽采量对比Fig.9 Comparison of accumulated gas extraction quantity in protected layer area

由图9可知，上保护层开采后被保护层受采动影响卸压，使得被保护区域渗透性增高，瓦斯抽采量增大，瓦斯抽采总量达到4 236.0万m3/a；而直接从6124工作面底抽巷打穿层钻孔进行瓦斯抽采，原始煤层中只有原生裂隙和钻孔壁周围的少部分裂隙，抽采量只有3 035.5万m3/a，瓦斯抽采效果不佳。通过上保护层开采提高了瓦斯抽采量，瓦斯抽采总量提高了1 200.5万m3/a，瓦斯抽采率提高了39.5%。说明上保护层开采对被保护层煤层移动变形影响较大。

3.2 被保护层保护效果的检验

保护效果考察主要针对被保护层煤层[16]；当煤层残余瓦斯压力小于0.74 MPa或残余瓦斯含量小于8.0 m3/t时，可以判定被保护层被保护区域无突出危险性。而6124工作面(煤二层)混合瓦斯含量为20～22 m3/t，实测原始瓦斯含量为20.46 m3/t，原始瓦斯压力为7.3 MPa。

上保护层开采后，在6124煤层底抽巷布置钻场并进行瓦斯抽采，在工作面开采期间取样测定保护层开采后卸压状态下的煤层瓦斯含量35个，包括进风巷16个、回风巷16个、切眼处3个，测定的残余瓦斯含量如图10所示。在工作面进回风巷向被保护层打穿层钻孔封孔测定煤层残余瓦斯压力，共布置16个测点，包括进风巷7个、回风巷7个、切眼处2个，测定的残余瓦斯压力见表2。

图10 进回风巷实测残余瓦斯含量Fig.10 Measured residual gas content in inlet and return lane

钻孔编号12345678瓦斯压力/MPa0.480.500.450.470.550.580.560.55钻孔编号910111213141516瓦斯压力/MPa0.510.490.460.520.440.470.480.52

由图10可知：被保护层残余瓦斯含量在4.20～7.16 m3/t之间，最大值为7.16 m3/t，相比原始瓦斯含量有极大的降低，小于效果检验的临界值8.0 m3/t，开切眼附近的残余瓦斯含量较低且测定结果较稳定，且随着距开切眼距离的增大，残余瓦斯含量呈现出增大的趋势。

由表2可知：在工作面进回风巷设计钻场内进行瓦斯压力测定，最大残余瓦斯压力为0.58 MPa，小于效果检验的临界值0.74 MPa，说明上保护层开采消除了海石湾煤矿被保护层6124工作面的突出危险性，实现了煤与瓦斯安全共采。

4 结论

1)6124上保护层开采期间，位于采空区下部区域煤岩层应力变化沿垂直方向呈“V”形分布，即位于被保护层采空区中部区域的卸压程度最大，被保护层最大拉应力为0.489 MPa，变化范围在0.314～0.489 MPa，最大压应力为31.3 MPa，变化范围在25.8～31.3 MPa，即随着距采空区中部距离的增大，卸压程度逐渐减小。

2)从煤层倾向方向看，被保护煤层顶底板位移沿垂直方向呈“拱形”分布，当上保护层6124工作面回采距离为200 m时，被保护层顶板最大位移量为354 mm，位移变化范围在160～354 mm，位移变化量呈现出先迅速增大、再趋于平缓的趋势。

3)通过对研究范围的煤层瓦斯抽采量对比分析，可以看出采用上保护层开采时，瓦斯抽采总量明显高于直接打穿层钻孔的瓦斯抽采总量，瓦斯抽采率提高了39.5%，瓦斯抽采总量提高了1200.5万m3/a。在不同测点实测的最大残余瓦斯含量为7.16m3/t，最大残余瓦斯压力为0.58 MPa、达到了瓦斯抽采的效果，消除了煤与瓦斯突出的危险性，说明矿井上保护层开采对防治海石湾煤矿高瓦斯煤层具有很好的工程指导意义。