上保护层不合理布置对被保护层应力叠加影响效应研究

江丽丽，杨增强，翟春佳，李常浩

(1.重庆工程职业技术学院，重庆 402260； 2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；3.潞安集团余吾煤业有限公司，山西 长治 046103)

保护层开采技术的应用与实践最早起源于法国，我国在辽宁北票、重庆中梁山等矿区最早应用该技术[1-4]。虽然我国对保护层开采技术的研究与应用起步较晚，但众多专家学者针对被保护层的卸压机理、卸压范围及卸压效果等方面进行了深入的研究，取得了大量的理论和研究成果[5-7]。

关于保护层开采的研究，大部分学者侧重于保护层开采卸压和瓦斯抽放方面，旨在提高煤层瓦斯的渗透性及抽放效果[8-10]。而关于保护层开采后遗留煤柱体导致的应力重新分布对被保护层造成的应力叠加扰动等问题，却缺乏深入的研究。这也导致现场实践中容易因高应力集中而诱发被保护层采掘期间动力灾害频发等问题。因此，有必要针对保护层与被保护层开采期间的围岩力学演化特征进行深入研究，确定合理的保护层布置方式，以期能够有效降低被保护层内集中的应力。

1 工程地质概况

1.1 工程地质条件

汾西中兴矿主采2#煤层，其厚度为1.6～2.3 m，倾角为2°～10°。2#煤层绝对瓦斯涌出量为16.3 m3/min，属于高瓦斯煤层。现开采3203工作面，其东侧的3201工作面已采完，西侧为未开采的3205接替工作面。3203工作面走向长为1 595 m，倾向长为190 m，平均埋深超过700 m。2#煤层上方存在一厚度为0.65～1.50 m的02#煤层，其平均厚度为1.28 m，属于薄煤层。02#煤层与2#煤层间距为6.5～12.0 m，因此02#煤层可作为2#煤层的上保护层进行开采。3203工作面平面位置关系如图1所示。

图1 3203工作面平面位置关系图

1.2 回采期间来压情况

3203工作面目前已维护性回采至上保护层采空区的下方，但其两侧平巷超前范围内出现了围岩严重变形破坏情况，如图2所示。

(a)顶板破坏 (b)煤帮破坏

(c)底板破坏 (d)冲击地压显现

由图2(a)可知，巷道顶板多个区域出现破碎，甚至出现离层迹象，存在局部冒顶危险性，支护较困难；由图2(b)可知，巷道帮部煤体严重内挤变形，甚至造成锚杆的拉断失效；由图2(c)可知，底鼓造成被硬化处理过的底板出现裂缝，受工作面采动剧烈扰动影响甚至会造成如图2(d)所示的底板冲击地压事故。由此可见，3203工作面超前段巷道围岩应力环境整体较差。

2 上保护层开采影响分析

2.1 上保护层开采遗留煤柱体对底板应力的影响

3203工作面上保护层开采结束后，采空区周围将会遗留大量支承煤柱体，这将会对下方被保护层煤体应力环境造成较大的影响。上保护层开采后，其垮落带高度计算公式如下：

(1)

式中：Hm表示采空区垮落带高度；M表示开采煤层厚度；W表示垮落过程中顶板下沉量；α表示煤层倾角；k表示垮落岩石碎胀系数。

对于遗留煤柱体，当采空区垮落带高度为Hm时，煤柱体形成的总压力如下：

(2)

式中：p表示煤柱体的总压力值；B表示煤柱宽度；H表示煤层埋深；h为采空区上覆岩层垮落高度；δ表示采空区上覆岩层垮落角；γ表示上覆岩层平均重度。

关于煤柱体对底板造成的应力影响，可假设沿煤柱体宽度方向设置x轴，在x轴上作用有均布载荷。在煤柱体宽度方向上取一微小宽度dx，则该微小宽度煤柱体对底板造成的应力影响大小为dp=qdx，其对底板中任意一点M(x,y)造成的垂直应力计算原理如图3所示[10-11]。

q—煤柱体对底板施加的均布载荷；σx—底板中任意一点的水平应力；σy—底板中任意一点的垂直应力；τxy、τyx—底板中任意一点的剪切应力。

图3 煤柱体对底板应力影响的计算原理图

由图3可知，对煤柱体总宽度积分，可求出煤柱体对底板中任意一点M(x,y)造成的垂直应力，计算公式如下：

(3)

式中l表示煤柱体宽度。

上保护层与3203工作面间距为10.3 m，且上保护层平均埋深为700 m。联立式(1)～(3)，可计算出不同遗留煤柱体宽度条件下底板内应力分布规律，如图4所示。

图4 上保护层遗留煤柱不同煤柱体宽度条件下应力影响规律

由图4可知，上保护层开采后遗留煤柱体对2#煤层造成的应力叠加影响，随煤柱体宽度从10 m增大至70 m，其对应的叠加应力也由13.7 MPa增大至18.1 MPa。因此，采取保护层技术开采，要尽量合理布置上保护层工作面位置，最大限度避免上保护层遗留煤柱体对下方被保护层造成应力叠加影响。

2.2 上保护层开采最大有效保护范围

中兴矿主采2#煤层的冲击危险性指数约为0.3，具有弱冲击倾向性，因此对2#煤层进行保护层开采设计意义重大。上保护层的最大有效保护距离计算式如下[12-13]：

S上=S′上β1β2

(4)

式中：S′上为上保护层的理论有效垂距，当L>0.3H时，取L=0.3H，但L不得大于250 m；L为上保护层工作面宽度；β1为上保护层开采影响系数，当M≤M0时，β1=M/M0，当M>M0时，β1=1；β2为层间坚硬砂岩、石灰岩含量系数，以η表示在层间岩石中所占百分比，当η≥50%时，β2=1-0.4η/100，当η<50%时，β2=1；M表示上保护层开采煤层厚度；M0表示上保护层的最小有效厚度。

上保护层的理论有效垂距S′上与煤层埋深H及上保护层工作面宽度L之间的关系，如表1所示。

表1 S′上 与煤层埋深H和上保护层工作面宽度L之间关系

假设上保护层工作面宽度取值范围为75～125 m，结合式(4),以及参照表1可计算出上保护层开采后的理论有效垂距，如图5所示。

图5 不同上保护层工作面宽度L条件下上保护层开采后的理论有效垂距

由图5可知，当上保护层工作面宽度为75～125 m时，其对应的理论垂直有效距离为30～52 m，远大于02#煤层与2#煤层之间的层间距。这说明02#煤层作为上保护层能起到对2#煤层的卸压保护作用，且 02#煤层内上保护层工作面宽度越大，其卸压保护深度范围也就越大。

3 数值模拟研究

3.1 数值模型的建立

以中兴矿3203工作面为工程地质背景，建立三维几何模型[14-15]，所建模型中工作面、巷道的几何位置关系如图6所示。

图6 三维几何模型

所建几何模型长×宽×高为450.0 m×426.7 m×145.0 m，3203工作面两侧巷道尺寸：3203回风巷宽×高为 4 200 mm×2 500 mm；3203运输巷宽×高为 5 000 mm×3 000 mm；充填墙体宽×高为2 500 mm×2 500 mm。对所建模型边界x=0.0 m、x=450.0 m、y=0.0 m、y=426.7 m和z=0.0 m进行法向位移约束，模型上表面施加相当于埋深620 m的等效载荷15.5 MPa。

模型开挖计算步骤如下：计算原岩应力→掘进3201回风巷和3201运输巷→回采3201工作面→沿空留巷巷旁充填→掘进3203运输巷→回采3203工作面(初始回采阶段，3203工作面未处于上保护层工作面下方)→继续回采3203工作面(正常回采阶段，工作面处于上保护层工作面下方)。

3.2 模拟结果分析

3203工作面回采至不同位置时的垂直应力空间演化特征如图7所示。

图7 3203工作面回采期间垂直应力空间演化特征

由图7(a)可知，工作面初始回采阶段，未受上保护层开采影响，工作面上端头和充填墙体内存在较高的应力集中，峰值应力为73.2 MPa；由图7(b)可知，工作面回采至靠近上保护层位置时，受上保护层采空区侧向支承应力叠加的影响，工作面上端头和充填墙体内应力集中进一步增加，峰值应力为93.7 MPa；由图7(c)可知，工作面回采至上保护层下方时，受上保护层采空区两侧遗留煤柱体应力叠加的影响，此时工作面上端头和充填墙体内应力峰值进一步增大，峰值应力达到98.8 MPa，且此时工作面下端头处也开始出现应力集中现象。可见，当3203工作面回采至上保护层采空区下方时，受上保护层遗留煤柱体采动应力叠加的影响，导致3203工作面两侧巷道超前段范围内围岩应力环境较差。

3.3 上保护层位置优化后的垂直应力模拟分析

针对3203工作面原有上保护层位置布置不合理，容易受遗留煤柱体叠加应力影响而导致3203工作面应力环境进一步恶化的问题，对上保护层位置进行优化处理，优化后的模拟方案如图8所示。

图8 上保护层位置及宽度优化模拟方案

上保护层位置优化后的垂直应力空间演化特征如图9所示。

图9 上保护层位置优化后的垂直应力空间演化特征

由图9(a)可知，一开始工作面未回采至保护层工作面影响范围内，因此在工作面上端头处存在明显的应力增高区，应力集中程度较高；由图9(b)可知，当工作面回采推进至上保护层卸压区影响范围内时，此时处于工作面端头的应力增高区已经不存在，而是在工作面中部出现一小范围的应力集中现象，同时3203回风巷护巷充填墙体所受到的应力集中程度也明显降低；由图9(c)可知，随着工作面的进一步回采，此时工作面完全处于上保护层下方，受上保护层卸压区影响效果明显，同时3203回风巷围岩应力环境十分良好，不存在高应力增高区。由此可见，通过采用图8所示优化后的方案布置上保护层位置，能够有效改善被保护层工作面采掘空间围岩的应力环境，冲击地压的防治效果显著。

4 现场工业性试验

4.1 支架工作阻力监测

针对3203工作面上保护层位置及布置不合理对3203工作面回采造成的困难，对3205工作面采用优化后的方案布置上保护层进行回采。3205工作面共布置有14组支架工作阻力测站，能较好地反映3205工作面回采期间的矿压显现规律，如图10所示。

图10 3205工作面回采期间支架工作阻力云图

由图10可知，2017-06-14至2017-11-18这一期间工作面的工作阻力基本保持在30 MPa以上，因为这一时期3205工作面推进速度较慢，且工作面刚好推进至老顶初次或周期来压范围内；2018-04-30至2018-06-09这一期间整个工作面回采至一次“见方”影响范围内，此时工作面中部存在明显的高支护阻力区，该区域内支护阻力高达40 MPa；2018-08-28至2018-11-16这一期间为工作面从上保护层影响范围外向上保护层影响范围内回采推进时期，从云图中可以看出受上保护层卸压影响，工作面靠近回风巷侧的中下部区域出现明显的支护阻力下降现象，这一现场实际监测结果符合上保护层优化后对3203工作面开采的应力演化模拟结果。

4.2 矿压观测

3205工作面回采期间，采用“十字”监测法对3205回风巷进行矿压观测，分别在上保护层影响范围内外各布置3组观测点，测点间距为50 m，观测结果取平均值，观测曲线如图11所示。

由图11可知，上保护层影响范围外巷道顶底板最大移近量为410.4 mm，两帮最大移近量为 378.0 mm；上保护层影响范围内巷道顶底板最大移近量为147.6 mm，两帮最大移近量为129.0 mm。可见 3205 回风巷在上保护层卸压效应影响下，顶底板移近量减小了64.0%，两帮移近量减小了65.9%，围岩整体移近量要远低于上保护层影响范围外。这表明优化后的上保护层位置能够较好地对3205工作面起到卸压保护作用。

图11 3205回风巷矿压观测曲线

5 结论

1) 理论分析了中兴矿上保护层开采遗留煤柱体对下方3203工作面造成的应力叠加影响，指出随着遗留煤柱体宽度由10 m增大至70 m时，其对2#煤层造成的叠加应力由13.7 MPa增大至18.1 MPa。

2) 理论分析了当上保护层工作面宽度在75～125 m范围时，其对应的理论垂直有效距离为30～52 m，远大于02#煤层与2#煤层之间的层间距，说明02#煤层作为上保护层能起到对2#煤层的卸压保护作用。

3) 数值模拟和现场工程实践表明，不合理的上保护层布置方式进一步加剧了被保护层工作面内应力叠加效应，合理的上保护层布置方式能够有效降低被保护层内应力集中程度。