突出煤层采空区卸压影响范围确定研究

陈广金，周礼杰，尚政杰，李军校，王岳栩，张振立

(1.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司，河南 郑州 450000；2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100086；3.郑煤集团(河南)白坪煤业有限公司，河南 郑州 452482；4.郑州煤炭工业(集团)有限责任公司芦沟煤矿，河南 郑州 452373)

煤与瓦斯突出是矿井里最为致命的灾害之一，是由地应力、煤和瓦斯三者的物理力学性质综合作用的结果[1-3]。根据诸多现场实践得出，在采空区附近进行采掘作业时，采空区卸压影响范围的大小和煤与瓦斯突出有直接的关系[4-7]。如何通过科学的考察分析确定出采空区卸压影响范围，并充分利用采空区对围岩瓦斯进行释放和应力的卸压，从而提高该范围内采掘作业的安全性。

大量学者进行了关于采空区卸压影响范围及其相关的研究，在研究中使用到数值软件模拟的研究方法是普遍被人认可的，FLAC3D软件模拟工作面的开挖过程，并分析出前方应力的分布情况，从而确定各分区的范围，且能取得较好的效果[8-12]；洛锋、席杰、马金魁、郑吉玉、上官明磊等学者通过在现场进行瓦斯压力、瓦斯含量、采动应力及煤体性质的测试工作，能有效且真实的反应出实测结果，对采空区卸压影响范围的获取更加准确[13-17]。李小琴[18]对采动卸压空间分布特征进行研究并得出采空区卸压空间分布整体呈现近似“螃蟹形”，且开采煤层上部的采空区卸压空间明显大于下部；张明杰[19]通过测定邻近采空区煤层内残存瓦斯含量、压力并结合数值模拟的研究方法综合确定矿井有效防突卸压带范围；丁洋[20]采用物理相似模拟和理论分析对高突矿井采空区卸压瓦斯富集区范围进行研究，有效控制了工作面瓦斯涌出。

综上所述，如何确定合理有效的采空区卸压影响范围和煤巷条带卸压带宽度是采矿工作者密切关注的问题，该问题的解决既可以做到减少巷道布置过程中不必要的矿井成本支出，又能在保证安全、消除瓦斯威胁的情况下提高掘进效率，以解矿井采掘接替紧张的燃眉之急。基于此，本文以郑州煤炭工业(集团)有限责任公司白坪煤矿13091工作面及13111工作面为研究对象，采用数值模拟及现场实测的手段对其采空区卸压影响范围进行研究，测定突出煤层回采工作面采空区卸压影响范围，确定卸压煤巷条带卸压带宽度，可以优化新工作面临采空区巷道的布置，以便在采空区卸压范围内作业。

1 工程概况

白坪煤矿位于河南省登封市南部和大金店乡和白坪乡境内，目前开采二1煤层，埋深为120～1100m，平均煤厚4.4m，该煤层井田面积23.54km2。矿井采用主斜井、副立井和斜风井混合开拓、分区式通风方式开采。矿井共布置5个采区，11采区已结束，生产采区为13采区、21采区，23采区为准备采区，22采区为基本建设采区。白坪煤矿测试最大原始瓦斯含量为15.78m3/t，最大原始瓦斯压力1.704MPa，二1煤层硬度系数f值为0.15，透气性系数为0.0052～0.00616m2/(MPa2·d)，属于典型的煤与瓦斯突出矿井。试验工作面布置情况如图1所示，工作面煤层赋存情况如图2所示。

图1 工作面布置情况

图2 煤层赋存柱状图

2 卸压影响范围数值模拟分析

2.1 模型建立

以白坪煤矿实际地质条件及矿井生产条件为背景，建立FLAC3D数值模拟模型，模型长300m，宽400m，高80m，模拟开挖13091工作面长度为200m，模拟推进长度为200m，埋深约为630m，13091工作面一侧留50m煤柱，另一侧(13111放顶煤工作面)留150m。白坪煤矿二1煤层工作面开采煤层平均厚度约4.4m，模拟时按5m煤层厚度进行模拟，煤层的平均倾角10°，模型中岩层简化为水平，依据工作面具体的岩性组合特征，对计算模型范围内的岩层分层和概化处理，对物理、力学性质相差不大、厚度较小的岩层进行组合，模型上部边界垂直应力按深度575m、容重25kN/m3考虑，在模型上部施加垂直方向14.38MPa的载荷，代表上部岩体自重。模型煤岩层块体物理力学参数见表1。

表1 煤岩层块体物理力学参数

模拟内容为：①研究分析13091工作面回采前后，在工作面采空区一侧区域(即13111工作面布置区域)的围岩应力、位移分布状况；②研究分析在工作面采空区外侧不同距离处的应力变化情况，掌握不同区域地应力变化和其距采空区距离的关系；③得出采空区一侧卸压带的范围。

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 测点布置

在13091工作面北侧布置两条测线，第一条测线距离工作面开切眼30m处，第二条测线距离工作面开切眼100m处，每条测线布置9个测点，测点布置及模拟开挖情况如图3所示。第一个测点距离采空区10m，按10m间距依次类推后面八个测点，其分别距离采空区20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m，用于监测测点处应力、位移随时间的变化状况。

图3 测点布置及模拟开挖情况

2.2.2 位移变化规律

模拟13091工作面开挖200m，随煤开挖及时间的变化，得出两条测线处模拟开采位移云图如图4所示。距采空区不同距离点垂直位移随时间变化曲线如图5所示。由图4、图5分析可知：

图4 模拟开采位移分布(m)

图5 距采空区不同距离点垂直位移随时间变化曲线

1)1#测线和2#测线处位移随时间变化的趋势大体相同，均是在开挖初期位移量较小，然后在很短的时间内位移量迅速增大，增大到某一固定值时停止增大，并随着时间保持稳定。这是由于在开挖初期，原岩应力重新分布，随着压力的变化，岩体发生破坏、垮塌，位移就会突然在很短的时间内增加，但后期随着原岩应力重新分布完成，位移量也就逐渐稳定下来。

2)在两条测线中还有一个共同点是10m处位移量最大，1#测线最大达到4mm，2#测线最大位移量达到了8mm，这是由于在这9个测点中10m是距离采空区最近的点，在煤层开挖后，原来在巷道上方的应力会优先转移到距其最近的岩体上，距离采空区最近的岩体因此承受最大的应力，同时该部分岩体也会最先发生破坏。还有在空间上优先垮落也导致了距离开挖区域最近的区域位移量最大。

3)在两条测线中发现，从30m开始往后的测点位移是向上变化的，这是由于煤层开挖后形成采空区，采空区上覆岩层垮落致使周围岩体压缩与膨胀；同时发现20m与30m测点的位移相差相同，由此可以推断到25m处时的位移量为0，这是由于此处正好处于压缩和膨胀平衡的一个点。

4)在70m左右的区域位移达到最小值，最后保持稳定。这是因为距离采空区越远，开挖所转移的应力会变得越来越小，从而位移也会越来越小，最后恢复到原岩应力，位移也将恢复到接近于0并保持稳定。两条测线的位移云图形态一致，可互相验证13091工作面开采后，采空区北侧的位移状况。

2.2.3 应力变化规律

模拟13091工作面开挖200m，随煤开挖及时间的变化，得出两条测线处模拟开采垂直应力分布如图6所示。距采空区不同距离点垂直应力随时间变化曲线如图7所示。由图6、图7分析可知：

图6 模拟开采垂直应力分布(Pa)

图7 距采空区不同距离点垂直应力随时间变化曲线

1)垂直应力随着距采空区距离远近变化，先由小到大，后由大到小，再逐渐保持平稳，到距采空区约8m时增加到一个较大的应力值，随后保持了稳定。这是由于在13091采空区北侧的煤岩体承受了由于开挖而转移的应力，因此在约8m处达到了一个应力峰值，垂直应力逐渐分配给周围的岩体，直到分配应力完成，达到原岩应力保持了稳定。

2)2#测线相应云图与1#测线云图相比总体趋势一致，垂直应力转移到采空区的北侧，这是由于靠采空区后方围岩应力使采空区与掘进面之间的岩体由于多次扰动破坏了不能承受压力，因此将应力全部转移到掘进工作面北侧，从应力数值上来看，2#测线应力峰值也是高于1#测线的应力峰值，验证了前面论述的观点，综合观察两个图线可得在最大垂直应力超过岩体最大抗压强度，导致在最大应力之前区域的岩体产生裂隙并破坏，形成了卸压带。

3 煤体卸压影响范围研究

根据靠近采空区煤壁中瓦斯含量的变化，研究采空区瓦斯卸压影响范围。目前，13091工作面采空区已经封闭，因此在13111工作面上巷道掘进过程中，向13091工作面采空区倾斜下方的煤层布置钻孔，测定煤层瓦斯含量。

3.1 测试钻孔布置

13111工作面上巷道开口处从巷道前进方向左帮布置3个钻孔，从巷道向实体煤方向施工直径为∅94mm的钻孔，分别于距离13091工作面采空区边界为20m、30m、40m、50m、60m处采集煤样，采用直接法测定其瓦斯含量，钻孔布置如图8所示。

图8 瓦斯含量测试钻孔布置情况

3.2 现场试验结果与分析

通过在13111工作面上巷道施工的3个瓦斯含量测试钻孔，分别采集煤样测试了距13091采空区不同距离处的残余瓦斯含量，相关测试结果见表2。

表2 13111工作面上巷道瓦斯含量实测结果

图9 13111工作面上巷道不同测点瓦斯含量拟合曲线

根据表2中数据，绘制上巷道不同测点瓦斯含量如图9所示。同时，对煤层瓦斯含量与距13091采空区的距离进行拟合分析，如图9所示。根据拟合结果可知，各钻孔的煤层瓦斯含量与距采空区的距离之间存在如下关系：

对式(1)中的三个公式进行分析可以发现，3号孔的公式按照趋势继续下去得出一个平稳较小的值，其余两个公式最后得出的值均大于3号孔的公式，就最小原则进行选取，选择3号孔的公式用于二1煤层瓦斯含量与距采空区的距离之间的关系公式：

y=-0.66483+1.25261ln(x)

(2)

式中，y为煤层瓦斯含量，m3/t；x为距13091采空区的距离，m。

3.3 卸压影响范围的确定

13091工作面是13采区的首采工作面，根据白坪煤业13111上底抽巷掘进过程中的瓦斯含量测试数据统计结果，13采区煤层的原始瓦斯含量为3.73～4.35m3/t。为最大程度保证矿井采掘安全，将3.73m3/t作为13111工作面上巷道区域的原始瓦斯含量。根据式(2)计算可知，当测点距13091采空区25m时，煤层瓦斯含量应为3.37m3/t；当测点距13091采空区30m时，煤层瓦斯含量应为3.60m3/t；当测点距13091采空区33m时，煤层瓦斯含量应为3.71m3/t；当测点距13091采空区40m时，煤层瓦斯含量应为3.96m3/t。

根据上述分析，当煤层距13091采空区30m时，煤层瓦斯含量为3.60m3/t，未超过13采区煤层原始瓦斯含量3.73m3/t；而当煤层距13091采空区33m时，煤层瓦斯含量为3.71m3/t，煤层瓦斯含量略低于13采区煤层原始瓦斯含量3.73m3/t。同时结合上文中的卸压带数值模拟结果，从最大程度保证矿井采掘安全出发，可以将距13091工作面采空区30m以内的区域视作卸压带，距13091工作面采空区30～33m区域为过渡区域，距13091工作面采空区33m以外区域为原始区域。

4 结 论

1)通过对13091工作面采空区北侧区域位移、应力随时间变化进行数值模拟研究，发现13091工作面采空区的卸压影响范围应当在30m范围内。

2)根据井下瓦斯含量的实测结果，随着煤层瓦斯参数测点与13091工作面采空区距离的接近，13111工作面实测煤层瓦斯含量呈逐渐减小趋势。

3)根据数值模拟与井下实测瓦斯含量结果得出，距13091工作面采空区30m以内为有效卸压区域，距13091工作面采空区30～33m区域为过渡区域，距13091工作面采空区33m以外区域为原始区域。