近距离煤层群半煤岩上保护层开采卸压增透效应研究

邓兆睿，孙德全，任仲久，宋卫华

( 1. 辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；2. 山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250104；3. 山东省深部冲击地压灾害评估工程实验室，山东 济南 250104；4. 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；5. 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122 )

在我国煤矿生产实践中，瓦斯是严重影响煤矿安全生产的五大危险因素之一。我国也是世界上瓦斯灾害最严重的国家之一，近年来，煤矿瓦斯事故是造成人员伤亡和财产损失较大的事故类型[1-4]。我国煤矿开采理论和实践均表明，保护层开采是防治煤与瓦斯突出最经济、最有效且使用最广泛的区域性措施，在突出矿井开采煤层群的实践中首先要考虑保护层的开采[5-8]。保护层开采一般选择厚度≥0.8 m的无突出危险的煤层进行[9]，对于不具备常规保护层的突出矿井，若直接开采保护层则卸压效果差且设备选型困难。研究新形势下的卸压增透问题，对突出矿井安全、高效、经济生产具有重要的意义。我国相关学者做了大量研究，程详[10]等以芦岭矿Ⅲ1采区为工程背景，利用计算机模拟了软岩保护层开采卸压增透全过程，得出了被保护层卸压范围的变形程度及卸压区域的具体数值；陈彦龙[11]等利用数值模拟软件模拟保护层开采的全过程，得出了当保护层煤层厚度小于被保护层煤层厚度时，随着保护层煤层厚度的增加，保护效果呈增大趋势，当保护层厚度为定值时，随着被保护层厚度的增加，保护效果亦呈增大趋势；宋卫华[12]等采用物理试验及FLAC3D模拟得出了平煤十矿己1516-24130工作面被保护层的应力状态及煤层变形量；荣海[13]等采用FLAC3D模拟计算了乌东煤矿南采区岩柱本身及被保护层垂直应力和最大主应力的分布情况，并对2个保护层的保护范围和保护效果进行了评价。基于现有研究，笔者以中兴煤矿3203保护层工作面( 上保护层工作面 )为工程背景，提出了截割软弱底板以增加开采高度的半煤岩保护层工作面开采方法，通过滑移线场理论分析计算了3203上保护层工作面开采后底板岩体的最大破坏深度，并采用数值模拟方法对半煤岩上保护层开采卸压增透效应进行讨论，研究结果可为类似工作面提供借鉴。

1 工程概况

汾西矿业中兴煤矿井田内主要煤层依次为02，2，4，5，6，8和9号煤层。2015年中兴煤矿经鉴定测得矿井相对瓦斯涌出量为22.07 m3/t，绝对瓦斯涌出量为66.37 m3/min，为高瓦斯矿井。目前中兴煤矿2号煤层为主采煤层，煤质为焦煤，煤层厚度为0.80～2.26 m，平均厚度为2 m，平均埋深为796.7 m，煤层倾角平均为7°，其2号煤层于2016年经鉴定测得的瓦斯基础参数见表1，测定结果符合煤与瓦斯突出煤层特征，即为突出煤层。

表1 2号煤层瓦斯基础参数测定结果Table 1 Gas measurement results of No. 2 coal seam

2 号煤层上部为02 号煤层，层间距平均为10.0 m，煤层厚度0.65～1.50 m，稳定可采厚度为1.0 m，部分区域存在较薄夹矸，属于薄煤层，煤层平均倾角6°，不具备突出危险性。岩层综合柱状如图1所示。矿井进入深部开采后，严峻的瓦斯治理形势成为矿井实现安全、高效、经济生产的主要考虑因素。因此，必须采用保护层开采技术。

图1 综合柱状图Fig. 1 Histogram of coal seam

2 保护层开采方案的确定

中兴煤矿开采2号煤层3203工作面的初期，采用多种抽采方式相结合的措施进行煤层瓦斯治理，如：本煤层顺层钻孔；高抽巷、邻近层顺层钻孔等瓦斯抽采技术。然而在实际钻孔过程中，部分长距离钻孔出现塌孔、堵塞等现象，部分钻孔成孔时间短，煤层深部钻孔也出现孔壁失稳、堵塞等现象，在3203工作面中部约60 m范围出现空白带，如图2所示。

图2 3203工作面瓦斯抽采剖面Fig. 2 Gas drainage profile of 3203 working face

由于空白带区域煤层瓦斯无法满足防突规定要求，因此根据邻近煤层地质条件及保护层开采规定对本矿情况做出以下分析：① 在煤与瓦斯突出煤层的合理层间距内，存在无煤与瓦斯突出危险煤层，无冲击地压危险煤层，可作为保护层进行开采。中兴煤矿2号煤层经鉴定为突出煤层，具有突出危险性，但不属于冲击地压煤层；而02号煤层不是突出煤层，不具备突出危险性，不属于冲击地压煤层，符合保护层开采条件；② 在倾向上，3203工作面中部约80 m范围的上覆02号煤层部分地区可采，可布置合适的保护层工作面进行空白带瓦斯治理；③ 02号煤层属于稀缺炼焦煤资源，选取02号煤层作为保护层开采可以达到灾害治理与资源回收的双重目的。

3203保护层工作面( 上保护层工作面 )开采02号煤层，该工作面回采区域煤层赋存稳定，工作面开采范围内只有部分区域存在薄夹矸。为保护稀缺炼焦煤资源，针对薄煤层和极薄煤层保护层的开采，提出了截割软弱底板以增加开采高度的半煤岩保护层工作面开采方法，该方法能有效提高下部煤层群的卸压效果，同时便于安装小型综采设备[14]。对于02号煤层，把底板0.4 m的泥岩同煤层一起开采，可增加工作面采高至1.4 m。

3 上保护层开采底板破坏深度

上保护层工作面推进过程中，采场周围的应力重新分布，覆岩的重力集中在采场前后及两侧的煤体上，采场底板下一定范围的岩体，在超过其临界支承压力的作用下，岩体将产生塑性变形，并形成塑性区；随着工作面的推进，支承压力范围不断移动，当支承压力达到部分岩体破坏的最大载荷时，多个塑性区将相互连通，已产生塑性变形的岩体在挤压力的作用下向采空区移动，采空区底板膨胀隆起，形成连续滑移面，此时底板破坏程度达到最大[15]。底板塑性破坏区剖面如图3所示。

图3 底板塑性破坏区剖面示意Fig. 3 Schematic diagram of the section of the plasticfailure zone of the floor

滑移线场理论将破坏区分为3个部分：采前主动极限区oab和采后被动极限区ode的滑移线近似直线，采中过渡区obd的滑移线呈对数螺线[16]。滑移线方程为

式中，0φ为底板岩体的内摩擦角，( ° )；θ为r与r0之间的夹角，( ° )。

在△oab中：

式中，0x为煤柱屈服长度，m。

在△ocf中：

将式( 1 )和( 4 )代入式( 3 )，得出底板破坏深度公式[9]为

底板岩体塑性区最大破坏深度距离工作面煤壁的水平距离 aL为

底板岩体以泥岩、粉砂岩、砂质泥岩为主，综合考虑取内摩擦角 0φ为34°，煤柱屈服长度根据经验公式x0=0.015H，H为02 号 煤层的平 均埋深，取786.7 m，将计算结果11.80 m代入式( 6 )，( 7 )计算得：hmax=20.74 m，aL=13.99 m。2号煤层与02号煤层平均层间距为10 m，小于底板岩体最大破坏深度，因此，3203保护层工作面作为3203工作面的上保护层具有合理垂距。

4 半煤岩上保护层开采卸压增透机理

4.1 数值模型的建立

利用FLAC3D进行建模，本次模拟的主要研究对象为保护层底板岩层，模型尺寸为252 m×200 m×100 m( 长×宽×高 )，共建立1 128 600 个单元，1 129 758个节点。模型开采02号煤层，模拟采高为1.4 m；上部岩层厚度总计为48.6 m；下部岩层厚度总计为50.4 m。模拟采取走向推进，工作面开采长度为71 m，模型的四周和底部边界固定，模型顶部为自由边界，建立的计算模型如图4所示。结合中兴煤矿3203工作面( 被保护层工作面 )及3203保护层工作面( 上保护层工作面 )地质概况，选用摩尔库仑本构模型模拟采动效应下岩土体因剪切拉伸作用而失稳时的动力学变化特征，煤岩体的物理力学参数见表2。

图4 六面体模型Fig. 4 Hexahedron model

表2 煤岩体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

4.2 模拟结果分析

工作面从模型右侧距离边界50 m处开始从右向左推进，选取半煤岩保护层工作面开采20，40，60，80，100 m时的下伏被保护层的应力和位移数据进行分析。

4.2.1 应力分析

上保护层工作面开采后，上覆及下伏煤岩体产生位移变形，地应力状态发生了改变。图5为3203保护层工作面推进20～100 m的过程中，3203被保护层工作面相对应的垂直应力分布情况。

图5 被保护层工作面垂直应力分布Fig. 5 Vertical stress distribution of the protected layer

由图5可知，当上保护层工作面推进20 m时，被保护层工作面应力由高降低再升高；当上保护层工作面推进40 m时，被保护层工作面的应力增高区和应力降低区的范围扩大，原压缩范围的煤体随着上保护层工作面的推进开始膨胀；当上保护层工作面推进60 m时，被保护层工作面的应力降低区数值有所恢复，经过膨胀后的煤体呈现再压缩的趋势，出现应力恢复区；当上保护层工作面推进80～100 m时，被保护层工作面的应力升高区、应力降低区和应力恢复区的范围也随之增大。

为了更好地观测3203工作面( 被保护层工作面 )随上保护层工作面开采的应力变化情况，在3203保护层工作面( 上保护层工作面 )中部对应的位置每隔1 m设置1个应力测点，以便及时反映被保护层的应力动态变化情况，其应力分布规律如图6所示。

图6 被保护层垂直应力走向分布曲线Fig. 6 Distribution curves of vertical stress of the protected layer strike

由图6可知，当3203保护层工作面推进20 m时，被保护层工作面对应区域围岩应力降低至3.7～15.0 MPa，此时煤壁前方10～30 m为应力升高区，煤壁后方约20 m为应力降低区；当3203保护层工作面推进40 m时，被保护层工作面对应区域围岩应力降低至1.4～11.8 MPa，此时煤壁前方10 m范围为应力升高区，煤壁后方40 m范围的应力降低区进一步扩大；随着上保护层工作面的不断推进，采空区后方散落的岩体在上覆岩层的重力作用下被压实，即工作面推进至80 m时，开始出现应力恢复区，应力逐渐升高至8～10 MPa，此时的应力恢复区约为开切眼前方25 m。3203保护层工作面开采上覆岩层稳定后，3203被保护层工作面对应区域的围岩应力由原岩应力19 MPa降低至8～10 MPa，卸压效果明显，此时的应力恢复区范围约为开切眼前方50 m。由此可知，随着3203保护层工作面的开采，被保护层压缩—膨胀—压缩—稳定的过程呈“V”字形，并不断向前演化迁移，卸压区域逐渐增大。以卸压率为判断依据，卸压率的定义为反应上覆岩层中应力的变化程度，其计算公式[10]为

式中，sη为卸压率；σz' 为卸压垂直应力，即原始垂直应力与卸压后垂直应力的差值，MPa；σz为原始垂直应力，MPa。

3203保护层工作面开采上覆岩层稳定后，3203工作面的卸压率为0.58。

4.2.2 位移分析

上保护层工作面开采后，被保护层工作面发生了位移变形，图7为上保护层工作面推进20～100 m时，3203工作面的垂直位移分布情况。

图7 被保护层工作面垂直位移分布Fig. 7 Vertical displacement distribution of the protected layer

由图7可知，3203保护层工作面开采后，在3203工作面对应的区域产生了向上的位移。3203保护层工作面推进20 m时，被保护层工作面区域应力降低区出现向上位移，由此可知，3203保护层工作面开采后，在对应的应力降低区，被保护层工作面煤体膨胀数值为50～113 mm；当3203保护层工作面推进40 m时，被保护层工作面煤体膨胀区域位移增大，最大值为425.06 mm；此后，随着3203保护层工作面的推进，被保护层工作面在其对应区域位移量达到50～524.95 mm；当3203保护层工作面推进至100 m时，被保护层工作面大部分煤体都出现向上位移。对图7( e )中卸压区域的倾向长度进行测量，此时卸压区域占工作面整体长度的83.2%，根据推进100 m时的卸压区域确定倾向卸压角约为60°。

在模型保护层工作面开挖前，提前在被保护层顶底板每隔1 m布置1个位移测点，以膨胀变形率[10]为判断依据，膨胀变形率反映被保护层的卸压效果，其计算公式为

式中，F为膨胀变形率，‰；S为被保护层顶底板的变形量，mm；D为开采煤层的厚度，m。

根据式( 9 )计算得到被保护层膨胀变形分布规律如图8所示。

由图8可知，3203保护层工作面开采后，在3203工作面对应的区域产生了膨胀变形，变形量均大于6‰，满足《防治煤与瓦斯突出细则》的规定，变形量大于3‰。随着上保护层工作面开采距离的增大，被保护层膨胀变形量不仅在数值上逐渐增大，并且上保护层工作面采空区膨胀变形量是被保护层工作面附近膨胀变形量的2倍。此外，对比工作面推进20，40，60，80，100 m的曲线，可以看出，上保护层工作面开始推进时变形量峰值较大，当推进达到一定距离时，峰值开始下降，且原峰值也随之下降，由此可知，随着上保护层工作面的推进，被保护层工作面经过膨胀—再压缩的过程，能够有效地促进瓦斯解吸。因此上保护层工作面开采对3203工作面起到了很好的卸压作用。

图8 被保护层膨胀变形走向曲线Fig. 8 Curves of expansion and deformation of the protected layer strike

3203保护层工作面开采后，被保护层沿倾向围岩应力和膨胀变形如图9，10所示，其呈负相关关系。

图9 被保护层工作面垂直应力倾向分布曲线Fig. 9 Distribution curve of vertical stress along the protected layer

由图9可知，被保护层工作面沿倾向垂直应力卸压明显，被保护层卸压区域应力降低，其值近似为0，而工作面两端垂直应力值大于正常值的1/4，呈现应力集中的现象，符合保护层底板岩层应力分布状态的特征。由图10可知，在卸压区域膨胀变形率均大于6‰，膨胀变形几乎对称，根据图像推断，工作面沿倾向卸压范围约为60 m。

图10 被保护层工作面膨胀变形率分布曲线Fig. 10 Distribution curve of expansion and deformation along the protected layer

综上分析，上保护层开采卸压机理为：上保护层工作面开采后，上覆岩层和下伏岩体向采空区方向发生不协调的位移变形，应力状态发生改变，被保护层工作面处于卸压状态，地应力降低，被保护层工作面煤体出现膨胀变形，岩层移动产生大量的采动裂隙，剪切破坏致使离层裂隙和穿层裂隙发育，形成裂隙带，为瓦斯的扩散和渗流提供通道，被保护层工作面透气性增大，卸压煤层瓦斯解吸，为卸压瓦斯抽采、降低被保护层工作面瓦斯含量和压力提供了条件[17-21]。

5 被保护层工作面卸压效果考察

3203保护层工作面开采后，3203工作面卸压效果采用残余瓦斯含量、煤层透气性系数及孔隙率和残余瓦斯压力为指标进行考察。

( 1 ) 根据3203工作面定点测得残余瓦斯含量为4.57 m3/t，煤的可解吸瓦斯量Wj=0.68 m3/t。根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》中要求的采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量指标( 工作面日产量≤1 000 t，可解吸瓦斯量≤8 m3/t )，2号煤层最大残余瓦斯含量为4.57 m3/t＜8 m3/t，Wj=0.68 m3/t≤8 m3/t，符合规定。

( 2 ) 3203保护层工作面开采一定时间，3203工作面卸压后，实验室对煤样进行了测定，3203工作面煤层的孔隙率发生明显改变，由3.50%增加至4.05%，煤层透气性系数由0.043 7 m2/( MPa2·d )增加至1.08 m2/( MPa2·d )，约为原透气性系数的25倍。因此，被保护层工作面卸压明显，保护层开采对瓦斯治理具有一定效果。

( 3 ) 根据实测数据，2号煤层最大残余瓦斯压力为0.31 MPa，该值远小于《防治煤与瓦斯突出规定》中规定的临界值0.74 MPa，且在检验钻孔施工过程中，钻孔无喷孔、顶钻及其他突出预兆，2号煤层3203工作面瓦斯治理达标。

综上，中兴煤矿在02号煤层开采3203保护层工作面以解决3203工作面抽采存在空白带的问题，尽管工程量有所增加，但是通过保护层开采使得3203工作面孔隙率和透气性系数增大，不仅使被保护层工作面瓦斯治理满足规定要求，而且通过开采保护层工作面获得了巨大的经济效益，可为类似工作面提供借鉴。

6 结 论

( 1 ) 针对薄煤层和极薄煤层保护层的开采，提出了截割软弱底板以增加开采高度的半煤岩上保护层工作面开采方法。将02号煤层底板0.4 m的泥岩同煤层一起开采，增加工作面采高至1.4 m。通过滑移线场理论分析计算了3203保护层工作面开采后，底板岩体最大破坏深度hmax达20.74 m，底板最大破坏深度与工作面煤壁的水平距离为13.99 m。

( 2 ) 数值模拟结果表明，上保护层工作面开采后，应力由原岩应力19 MPa降低至8～10 MPa，卸压效果明显。随着上保护层工作面的开采，被保护层工作面经历压缩—膨胀—压缩—稳定的过程，该过程呈线性动态前进，卸压区域逐渐增大，被保护层工作面的卸压率达到0.58；上保护层工作面开采范围内被保护层工作面大部分煤体都出现向上位移，产生了膨胀变形，膨胀变形率均大于6‰；随着上保护层工作面的掘进，被保护层工作面经过膨胀—再压缩的过程，有效地促进了瓦斯的解吸，此时卸压区域占被保护层工作面整体长度的83.2%，倾向卸压角约为60°。

( 3 ) 上保护层工作面开采卸压机理为：上保护层工作面开采后，上覆岩层和下伏岩体向采空区方向发生不协调的位移变形，应力状态发生改变，被保护层工作面处于卸压状态，地应力降低，被保护层工作面煤体出现膨胀变形，岩层移动产生大量的采动裂隙，剪切破坏致使离层裂隙和穿层裂隙发育，形成裂隙带，为瓦斯的扩散和渗流提供了通道，被保护层工作面透气性增大，卸压煤层瓦斯解吸，为卸压瓦斯抽采、降低被保护层瓦斯含量和压力提供了条件。

( 4 ) 3203保护层工作面开采后，3203被保护层残余瓦斯含量为4.57 m3/t，Wj=0.68 m3/t，煤层透气性系数由0.043 7 m2/( MPa2·d )增加至1.08 m2/( MPa2·d )，约为原透气性系数的25倍，孔隙率由3.5%增加至4.05%，残余瓦斯压力为0.31 MPa，均符合相关规定，卸压效果良好。3203保护层工作面开采消除了煤与瓦斯突出危险，实现了高瓦斯矿井突出煤层高效、安全、经济生产的目的。

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