下保护层开采上覆煤岩体卸压效果及保护范围研究

张佳佳

(晋煤集团晋圣亿欣煤业有限公司，山西 晋城 048200)

0 引言

瓦斯动力灾害威胁矿井安全，突出危险区域瓦斯治理工作严重制约采掘生产。实践证明：开采保护层是一种经济、有效的区域瓦斯治理方式[1-2]。在我国淮南、阳泉、平顶山等矿区，保护层开采得到了成功应用[3-5]。晋城矿区属于高瓦斯矿区，瓦斯灾害严重。随着近年来高强度开采，3号煤层低瓦斯区域资源逐渐枯竭，开采向高瓦斯甚至突出区域转移，瓦斯治理工作十分严峻。目前常见治理方法为在地面钻井抽采配合井下预抽煤层瓦斯技术。然而，采区准备时间较长，采掘接替紧张。由于历史原因，晋城地区鲜有采用保护层开采技术治理煤层瓦斯。开展下保护层开采试验，提出采用9号煤层作为保护层治理3号煤层瓦斯。开采下保护层工作面后，瓦斯运动转移规律等其他内部和外部也发生变化。所以，综合晋城矿区开采条件，进行该情况岩体卸压力学效应及保护范围研究，为此项技术应用于晋城矿区作参考。

1 工程背景

晋城矿区3号煤层平均厚度为6 m，开采强度大，煤层瓦斯含量为10～38 m3/t，属于高瓦斯煤层。矿区内含煤地层共有2组,分别为二叠系山西组以及石炭系太原组，共含煤7～11层，煤层总厚13.5 m，其中主采煤层为二叠系下统山西组的3号煤层和石炭系上统太原组的9号煤层和15号煤层。在3号煤层下方约50 m的9号煤层，是低瓦斯煤层，有下保护层开采的自然条件。选择晋城矿区某矿9号煤层94302工作面为保护层工作面，进行下保护层试验。94302工作面是低瓦斯工作面，其工作面走向长度490 m，倾向长度150 m，平均采厚1.5 m，倾角约3°。9号煤层直接顶是粉砂岩，平均厚度为3.9 m。基本顶是细砂岩，平均厚度5.3 m。

2 保护层开采消突效果考察

2.1 诱发煤与瓦斯突出因素分析

煤与瓦斯突出产生于地应力和瓦斯压力的共同作用。其具体表现为一种异常动力现象，即破坏的煤岩体和瓦斯突然向采掘空间异常抛出[6]。煤与瓦斯突出发生的条件，可由下式表述

W+λ=A

(1)

式中，W为煤体弹性应变能；λ为瓦斯膨胀能；A为煤破碎到粉煤时的能量。

(2)

式中，σ1，σ2，σ3为主应力，MPa；μ为泊松比；E为煤体弹性模量，MPa。

(3)

式中，V为气体瓦斯量，m3/t；R为气体常数，R=8.29 J/mol·K；T为煤-瓦斯体系的绝对温度；θ为绝热系数，对于瓦斯θ=1.3；P1，P2为初始和最终的瓦斯压力，MPa。

由式(3)可以得出地应力、瓦斯压力以及煤岩体力学性质是诱发煤与瓦斯突出的重要因素。要想消除或降低煤体突出危险性，应从这三个方面的因素入手。

2.2 保护层开采消突效果评价指标

裂隙导通和煤层渗透性的改变、对被保护层煤体卸压作用，最能体现保护层的消突效果。保护层开采消突效果评价指标[7]：①煤体力学性质及瓦斯参数；②应力水平；③煤层开采过程中动力显现特性。

2.3 保护层保护范围确定

依据规定[10-11]，可知保护层消突保护有效范围。根据现场情况，得到9号煤层倾角为3°，回风巷、进风巷侧防突卸压角为77°，据此，在保护工作面两巷道内错11.5 m作为防突有效区域，如图1所示。该有效保护范围根据经验推断，不能普遍适用于煤矿开采，需采取更先进的手段进一步判断。

图1 9号煤层开采后3号煤层保护范围Fig.1 Protection scope of 3# coal seam after mining of 9# coal seam

3 保护层开采卸压效果数值模拟

3.1 数值模型的建立

根据现场实际情况，采用FLAC3D进行仿真模拟，模型尺寸为450 m×300 m×166.7 m。模型单元数为35 100，节点数为42 474。数值模型网格划分情况，如图2所示。

图2 三维数值模型Fig.2 Three dimensional numerical model

模型边界条件：模型上部边界为自由边界，底部和左右边界均固定，施加上覆岩层重力。考虑到边界效应，在采场四周各留煤柱75 m用来消除边界效应。采用M-C强度准则作为煤岩体屈服破坏判据，对煤岩物理力学参数进行测定，得到数值计算中煤岩力学参数，见表1。

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

数值模拟监测方案：每开挖10 m，对岩体进行一次平衡计算，共30次计300 m，开挖要满足充分采动条件。保护层工作面开挖过程中，充分布置监测线，实时监测上覆岩层及被保护层应力和应变等各项指标。

具体监测位置：煤层上方粉砂岩(直接顶)，细砂岩(层间关键层)和3号煤层顶板、底板。共4条测线，监测方案如图3所示。

图3 数值模拟监测方案Fig.3 Numerical simulation monitoring scheme

3.2 模拟结果分析

3.2.1 上覆煤岩体卸压效应

下保护层工作面开采后，原岩应力重新分布，且不断发生动态调整。推进过程中，上覆岩层应力云图如图4所示。

由图4(a)知：垂直应力和埋深正相关，埋深增加正应力也增加，应力范围为6.4～9.0 MPa。从图4(b)～图4(d)看出，随着推进距离增加，上覆岩层卸压区范围逐渐扩大。开挖到100 m时会对被保护层造成影响，上覆煤岩体卸压效应明显。为进一步分析上覆煤岩体受保护层采动影响，沿工作面推进方向监测不同层位岩层应力变化。监测岩层应力曲线，如图5所示。

图4 工作面开采过程中覆岩应力云图Fig.4 Cloud diagram of overburden stress in mining face

由图5可以看出：煤层直接顶(煤层上方粉砂岩)原岩应力为8.5 MPa，在工作面前方12 m处达到峰值，峰值应力为14 MPa，应力集中系数为1.6，作为工作面开挖推进后，应力剧烈下降至0。此层为冒落带，已发生拉应力破坏，不能起到支承作用。煤层上方细砂岩原岩应力为7.1 MPa，工作面前方22 m处应力升高为9.6 MPa，应力集中系数约为1.35，工作面推过后降低为1.2 MPa。3号煤层原岩应力为6.5 MPa，靠近工作面开始增大，从工作面网球35 m处，应力升高到7.9 MPa，应力集中系数为1.1左右，工作面开挖推进过后应力降低为1 MPa左右。得出结论是受采动影响随着上覆岩层距煤层垂直距离增加而减小，但超前影响范围变大。

图5 上覆不同层位岩层应力分布Fig.5 Stress distribution of overlying strata in different layers

3.2.2 被保护层应力演化及膨胀变形规律

工作面走向距离对被保护层应力演化及膨胀变形的影响，如图6、7所示。

由图6看出：工作面开挖推进50 m时，几乎没有被保护层膨胀变形，所以开采对被保护层没有影响。开挖推进至100 m时，膨胀变形开始显著呈“V”字型分布，最大值为15 mm。再进一步开挖推进，膨胀变形开始呈“U”型分布。在工作面开挖推进至300 m时，膨胀变形转为呈“W”型分布，膨胀变形在采空区中部趋于稳定，在开切眼和停采线区域最大。离层裂隙在区域内发育。

图6 被保护层膨胀变形量Fig.6 Expansion deformation of protected layer

由图7看出：被保护层煤体膨胀变形量在应力降低区相对较大。被保护层煤体在应力集中区出现压缩变形。被保护层膨胀变形率在采空区中部为4‰左右，采空区中部为稳定卸压区域。临界指标反映了保护层开采后的有效范围，当膨胀变形率达到3‰视为达到临界指标。得出被保护层倾向卸压角为63°，走向卸压角为60°。

图7 被保护层煤体卸压变形规律Fig.7 Pressure relief deformation law of protected coal seam

4 被保护层卸压效果现场考察

在被保护层巷道巷帮向顶板施工钻孔，通过采动前后钻孔电视图像对比观测9号煤层回采对3号煤层顶板结构的影响。钻孔示意图如图8所示。

图8 钻孔示意Fig.8 Drilling diagram

钻孔施工完毕后用清水对钻孔进行冲洗，然后用钻孔电视对钻孔进行窥视。保护层采前与采后3号煤体图像，如图9所示。由开采前图像可看出：保护层开采前，3号煤层顶煤存在宽度较小的裂隙，可能是受观测巷道影响形成的。顶煤与顶板岩层之间没有明显裂隙，顶板岩层相对完整，裂隙不发育。从开采后图像可以看出，顶煤与顶板岩层中的裂隙数量明显增多。在顶煤与顶板岩层交接处有明显的裂缝出现，其原因为工作面开采后，上覆岩层的移动变形和下部煤层的沉降不一致，所以煤岩层之间出现离层。因为下部煤层较软，沉降速度比上部岩层大。因此9号煤层开采后会对被保护层煤体造成损伤，而出现的裂缝对瓦斯的吸收有积极作用。

图9 保护层开采前后钻孔图像Fig.9 Borehole image before and after mining of protective layer

5 结论

(1)根据数值模拟结果得出，工作面开采后，上覆煤岩体采动应力在不同区域表现不同，卸压程度随着岩层距煤层距离的增加而逐渐减小，超前影响范围随着岩层距煤层距离的增加而变大。

(2)保护层开采后，被保护层膨胀变形率在采空区中部为4‰左右，被保护层倾向卸压角为63°，走向卸压角为60°。

(3)保护层开采前后，被保护层煤体出现了离层裂隙。而这种裂隙对降低瓦斯含量、瓦斯压力均有积极作用。