上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)下部特厚煤層移動(dòng)變形規(guī)律及保護(hù)效果考察研究*

徐 剛，王 磊,金洪偉,王 強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.山西潞安集團(tuán)五陽(yáng)煤礦，山西 長(zhǎng)治 046205)

0 引言

在開(kāi)采特厚高瓦斯煤層時(shí)，首先開(kāi)采具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的上保護(hù)煤層，然后向下被保護(hù)層煤層打穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采[1]，該方法是防治特厚煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)可行的方法之一。被保護(hù)煤層受采動(dòng)影響后，產(chǎn)生卸壓及膨脹變形，應(yīng)力降低，圍巖透氣性增大[2]，體積變形使圍巖彈性能降低，衍生出相互貫通的縱向和橫向裂隙[3-4]，有利于被保護(hù)層吸附的瓦斯自然解吸和排放，并為瓦斯抽放工作提供了良好的條件[5]。被保護(hù)層卸壓后，煤層中賦存的吸附瓦斯大量涌入上保護(hù)層工作面及采空區(qū)，影響上保護(hù)層工作面的正常回采[6-8]。用FLAC3D軟件對(duì)上保護(hù)層開(kāi)采下伏煤巖移動(dòng)變形進(jìn)行數(shù)值模擬，可以明確被保護(hù)層受采動(dòng)影響后的應(yīng)力和位移變化特征，并確定出應(yīng)力和位移變化量，為上保護(hù)層工作面的瓦斯防治及安全開(kāi)采提供有效的理論依據(jù)，并為優(yōu)化被保護(hù)層瓦斯的抽采提供可靠的理論指導(dǎo)。

1 上保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模擬研究

1.1 研究背景

選取海石灣煤礦6124(煤二層)工作面為研究對(duì)象，6124工作面布置在6113(油頁(yè)巖)和6114(油頁(yè)巖)保護(hù)層工作面下部，被保護(hù)層6124工作面煤層厚度為26 m，埋藏深度為683～965 m，保護(hù)層與被保護(hù)層間距14～42 m，平均間距30 m，其中油頁(yè)巖6113工作面走向長(zhǎng)1 040 m，平均可采高度4.0 m，油頁(yè)巖6114工作面回采走向長(zhǎng)度965 m，平均可采高度4.0 m。

1.2 保護(hù)范圍的確定

數(shù)值模型的建立應(yīng)根據(jù)礦井地質(zhì)資料并結(jié)合相似理論進(jìn)行研究。礦井上保護(hù)層開(kāi)采期間，應(yīng)對(duì)開(kāi)采時(shí)期的卸壓角進(jìn)行計(jì)算并參照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求進(jìn)行選取[9]。

1)走向方向的保護(hù)范圍

海石灣煤礦6124上保護(hù)層工作面平均煤層傾角為8°，可按近水平煤層處理。當(dāng)上保護(hù)層傾角取8°時(shí)，保護(hù)層沿走向方向卸壓角按60°設(shè)計(jì)。

2)傾斜方向的保護(hù)范圍

煤二層6124工作面布置在上保護(hù)層6113工作面和6114工作面下部卸壓范圍內(nèi)，其中回風(fēng)巷布置在6113工作面中部煤二層中，進(jìn)風(fēng)巷布置在6114工作面中部煤二層中，所以工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷完全處在保護(hù)層卸壓范圍內(nèi)。

1.3 數(shù)值模型的建立

根據(jù)海石灣煤礦地質(zhì)資料，選取模型走向長(zhǎng)度300 m、傾向長(zhǎng)度150 m、垂深150 m，工作面沿走向方向每側(cè)留50 m保護(hù)煤柱的部分作為研究對(duì)象，并對(duì)巖性相近的薄巖層進(jìn)行整合，將上保護(hù)層開(kāi)采模型簡(jiǎn)化為三維應(yīng)變問(wèn)題，建立沿工作面走向變化的數(shù)值模擬模型。

根據(jù)固體力學(xué)數(shù)值模型，模擬受均布荷載作用下應(yīng)力、位移的變化情況，采動(dòng)過(guò)程中煤巖層變形服從摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，用空殼模型“null”模擬煤層開(kāi)挖[10]。模型位移邊界條件為：左右邊界取u=0，v≠0(u為x方向位移，v為y方向位移)，即單約束邊界；前后邊界取u≠0，v=0，即單約束邊界；下部邊界取u=v=0，即全約束邊界；上部邊界為自由面，不約束。

上部邊界施加的荷載[11]計(jì)算公式如式(1)所示：

q=∑γh

(1)

式中：q為工作面均布荷載；γ為上覆巖層的平均密度，取平均值2.5×103kg/m3；h為上保護(hù)層垂深，取700 m。

根據(jù)煤層上覆巖層埋藏深度，經(jīng)計(jì)算可得上部邊界應(yīng)施加的載荷為17.5 MPa。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，在被保護(hù)層煤二層中布置了8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rock

圖1 上保護(hù)層開(kāi)采測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of measuring points for upper protective layer mining

2 上保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模擬研究

采用FLAC3D軟件模擬上保護(hù)層開(kāi)采，能模擬出多種材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性[12]。通過(guò)數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確反映出被保護(hù)層煤層內(nèi)部的應(yīng)力和位移微小變化。因此，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立上保護(hù)層開(kāi)采的三維數(shù)值模擬模型[13]，準(zhǔn)確的模擬出被保護(hù)煤層的卸壓狀態(tài)和位移演化規(guī)律。

2.1 塑性區(qū)破壞變形分析

根據(jù)上保護(hù)層數(shù)值模擬結(jié)果，可得出上保護(hù)層工作面在開(kāi)采期間不同推進(jìn)距離時(shí)，被保護(hù)層在垂直方向上塑性區(qū)分布及變化情況，上保護(hù)層開(kāi)采塑性區(qū)分布如圖2所示。

圖2 上保護(hù)層開(kāi)采塑性區(qū)分布Fig.2 Cloud map for distribution of plastic zone in upper protective layer mining

由圖2可知，上保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中覆巖受采動(dòng)破壞明顯，上覆和下伏煤巖體均出現(xiàn)了不同程度的剪切和拉伸破壞，并主要以剪切破壞為主；下伏煤巖體受采動(dòng)的破壞程度低，采空區(qū)上部煤巖層破壞和垮落較明顯。隨著上保護(hù)層工作面不斷推進(jìn)，底板應(yīng)力向煤柱兩端集中，使得下方煤巖體受到擠壓，產(chǎn)生膨脹變形破壞。

2.2 應(yīng)力變化數(shù)值模擬分析

上保護(hù)層開(kāi)采前煤巖層處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，采動(dòng)后工作面前方的底板煤巖層受到采動(dòng)影響，原始應(yīng)力狀態(tài)被破壞，引起應(yīng)力重新分布，并一直持續(xù)到形成新的應(yīng)力平衡為止[14]。

根據(jù)上保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模擬模型，上保護(hù)層開(kāi)采期間不同推進(jìn)距離被保護(hù)層應(yīng)力分布如圖3所示；應(yīng)力隨計(jì)算步數(shù)的變化情況如圖4所示；上保護(hù)層工作面每推進(jìn)25 m記錄1次被保護(hù)層垂直方向應(yīng)力變化量，應(yīng)力變化量呈現(xiàn)出如圖5所示的變化規(guī)律。

圖3 不同推進(jìn)距離被保護(hù)層應(yīng)力分布Fig.3 Layout of measuring points for upper protective layer mining

圖4 不同推進(jìn)距離被保護(hù)層應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.4 Change of stress in protected layer under different propulsion distances

圖5 不同推進(jìn)距離被保護(hù)層應(yīng)力變化量Fig.5 Change of stress in protected layer under different propulsion distances

由圖3可知，當(dāng)工作面從切眼位置推進(jìn)到25 m時(shí)，開(kāi)切眼一側(cè)應(yīng)力開(kāi)始迅速增大并在25 m處出現(xiàn)應(yīng)力集中，在采空區(qū)下部區(qū)域應(yīng)力降低，被保護(hù)層應(yīng)力變化沿深度方向呈“V”字形且對(duì)稱分布，即采空區(qū)底板中部煤層應(yīng)力變化程度最大；隨著工作面的推進(jìn)，工作面附近的鄰接應(yīng)力增加，應(yīng)力集中區(qū)域的位置不斷向前移動(dòng)，并且推進(jìn)距離不斷增大，采空區(qū)下部的卸壓范圍也不斷增大；工作面越長(zhǎng)，則有效卸壓范圍越大。

由圖4可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到25 m和50 m時(shí)，垂直方向的應(yīng)力從原始應(yīng)力迅速增大并達(dá)到峰值，然后在峰值附近上下波動(dòng)變化，表明在上保護(hù)層工作面開(kāi)采至50 m之前，應(yīng)變能都儲(chǔ)存在工作面兩幫的煤柱中，使得被保護(hù)層頂板的應(yīng)力處于峰值附近上下波動(dòng)；當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于75 m時(shí)，由于上覆煤巖體自重增大，工作面兩幫的煤柱突然失效會(huì)釋放出大量應(yīng)變能，使得應(yīng)力值又緩慢下降，直到煤柱完全失效時(shí)，應(yīng)力值趨于平緩。

由圖5可知，上保護(hù)層工作面從切眼位置推進(jìn)到50 m時(shí)，被保護(hù)層的拉應(yīng)力迅速增加，拉應(yīng)力達(dá)到0.469 MPa，被保護(hù)層在拉伸力和剪切力的共同作用下發(fā)生上下錯(cuò)動(dòng)，使得卸壓程度和破壞深度迅速增大，拉應(yīng)力出現(xiàn)先迅速增大、后減小、最后再增大的狀態(tài)；從開(kāi)切眼位置壓應(yīng)力逐漸增大，在推進(jìn)到175 m時(shí)達(dá)到最大值，最大值為31.3 MPa。

2.3 位移變化數(shù)值模擬分析

上保護(hù)層開(kāi)采期間，由于煤巖層在一定范圍內(nèi)受采動(dòng)影響，且在臨近煤巖層的擠壓作用下向巷道移動(dòng)變形，使被保護(hù)層煤層向采空區(qū)移動(dòng)，最后發(fā)生膨脹變形上下錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生不同程度的裂隙[15]。6124上保護(hù)層工作面開(kāi)采期間，不同推進(jìn)距離被保護(hù)層位移分布如圖6所示；位移隨計(jì)算步數(shù)的變化情況如圖7所示；上保護(hù)層工作面每推進(jìn)25 m記錄1次被保護(hù)層垂直方向位移變化量，位移變化量呈現(xiàn)出如圖8所示的變化規(guī)律。

圖6 不同推進(jìn)距離被保護(hù)層位移分布Fig.6 Cloud map of displacement distribution of protected layer under different propulsion distances

圖7 不同推進(jìn)距離被保護(hù)層位移變化趨勢(shì)Fig.7 Change trend of stress in protected layer under different propulsion distances

圖8 不同推進(jìn)距離被保護(hù)層的位移變化量Fig.8 Change of displacement of protected layer under different propulsion distances

由圖6可知，采空區(qū)頂板下沉變形量明顯大于底板膨脹變形量，且被保護(hù)層位移變化呈“拱形”分布，即位于采空區(qū)中部的被保護(hù)層頂板位移變化量最大，被保護(hù)層頂板位移變化量隨著距采空區(qū)中部距離的增大而逐漸減小，表明被保護(hù)層受上保護(hù)層開(kāi)采影響較大。

由圖7可知，當(dāng)上保護(hù)層工作面推進(jìn)距離大于50 m時(shí)，位移變化量迅速達(dá)到峰值并在峰值附近波動(dòng)，表明工作面兩幫的煤柱支撐著采空區(qū)頂板，回采產(chǎn)生的應(yīng)變能都儲(chǔ)存在兩幫的煤柱中，使得位移在峰值附近波動(dòng)；當(dāng)推進(jìn)距離大于50 m后，頂板開(kāi)始垮落對(duì)被保護(hù)層產(chǎn)生自重壓力，使得被保護(hù)層的垂直位移緩慢減小，并且隨著推進(jìn)距離的不斷增大，垂直位移減小的越多，最終趨于平緩。

由圖8可知，隨著推進(jìn)距離不斷增加，被保護(hù)層中部的煤層垂直位移變化量不斷增大，當(dāng)上保護(hù)層工作面推進(jìn)距離為200 m時(shí)，被保護(hù)層的煤層位移變化量達(dá)到最大，最大值為354 mm，位移變化量范圍在160～354 mm之間，表明上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)被保護(hù)層煤層卸壓影響較大。

3 被保護(hù)層的保護(hù)效果考察

3.1 被保護(hù)層瓦斯抽采效果檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)海石灣煤礦6124被保護(hù)層工作面煤層進(jìn)行瓦斯抽采量數(shù)據(jù)測(cè)定，并與直接從6124工作面底抽巷打穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采的數(shù)據(jù)分析比較，可以看出上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)礦井被保護(hù)層瓦斯卸壓及工作面防突具有很好的效果，對(duì)工程實(shí)踐具有較好的指導(dǎo)作用。上保護(hù)層開(kāi)采后瓦斯抽采量和6124工作面底抽巷直接打穿層鉆孔瓦斯抽采量數(shù)據(jù)對(duì)比如圖9所示。

圖9 被保護(hù)層區(qū)域累計(jì)瓦斯抽采量對(duì)比Fig.9 Comparison of accumulated gas extraction quantity in protected layer area

由圖9可知，上保護(hù)層開(kāi)采后被保護(hù)層受采動(dòng)影響卸壓，使得被保護(hù)區(qū)域滲透性增高，瓦斯抽采量增大，瓦斯抽采總量達(dá)到4 236.0萬(wàn)m3/a；而直接從6124工作面底抽巷打穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，原始煤層中只有原生裂隙和鉆孔壁周圍的少部分裂隙，抽采量只有3 035.5萬(wàn)m3/a，瓦斯抽采效果不佳。通過(guò)上保護(hù)層開(kāi)采提高了瓦斯抽采量，瓦斯抽采總量提高了1 200.5萬(wàn)m3/a，瓦斯抽采率提高了39.5%。說(shuō)明上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)被保護(hù)層煤層移動(dòng)變形影響較大。

3.2 被保護(hù)層保護(hù)效果的檢驗(yàn)

保護(hù)效果考察主要針對(duì)被保護(hù)層煤層[16]；當(dāng)煤層殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa或殘余瓦斯含量小于8.0 m3/t時(shí)，可以判定被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域無(wú)突出危險(xiǎn)性。而6124工作面(煤二層)混合瓦斯含量為20～22 m3/t，實(shí)測(cè)原始瓦斯含量為20.46 m3/t，原始瓦斯壓力為7.3 MPa。

上保護(hù)層開(kāi)采后，在6124煤層底抽巷布置鉆場(chǎng)并進(jìn)行瓦斯抽采，在工作面開(kāi)采期間取樣測(cè)定保護(hù)層開(kāi)采后卸壓狀態(tài)下的煤層瓦斯含量35個(gè)，包括進(jìn)風(fēng)巷16個(gè)、回風(fēng)巷16個(gè)、切眼處3個(gè)，測(cè)定的殘余瓦斯含量如圖10所示。在工作面進(jìn)回風(fēng)巷向被保護(hù)層打穿層鉆孔封孔測(cè)定煤層殘余瓦斯壓力，共布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括進(jìn)風(fēng)巷7個(gè)、回風(fēng)巷7個(gè)、切眼處2個(gè)，測(cè)定的殘余瓦斯壓力見(jiàn)表2。

圖10 進(jìn)回風(fēng)巷實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量Fig.10 Measured residual gas content in inlet and return lane

鉆孔編號(hào)12345678瓦斯壓力/MPa0.480.500.450.470.550.580.560.55鉆孔編號(hào)910111213141516瓦斯壓力/MPa0.510.490.460.520.440.470.480.52

由圖10可知：被保護(hù)層殘余瓦斯含量在4.20～7.16 m3/t之間，最大值為7.16 m3/t，相比原始瓦斯含量有極大的降低，小于效果檢驗(yàn)的臨界值8.0 m3/t，開(kāi)切眼附近的殘余瓦斯含量較低且測(cè)定結(jié)果較穩(wěn)定，且隨著距開(kāi)切眼距離的增大，殘余瓦斯含量呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

由表2可知：在工作面進(jìn)回風(fēng)巷設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定，最大殘余瓦斯壓力為0.58 MPa，小于效果檢驗(yàn)的臨界值0.74 MPa，說(shuō)明上保護(hù)層開(kāi)采消除了海石灣煤礦被保護(hù)層6124工作面的突出危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯安全共采。

4 結(jié)論

1)6124上保護(hù)層開(kāi)采期間，位于采空區(qū)下部區(qū)域煤巖層應(yīng)力變化沿垂直方向呈“V”形分布，即位于被保護(hù)層采空區(qū)中部區(qū)域的卸壓程度最大，被保護(hù)層最大拉應(yīng)力為0.489 MPa，變化范圍在0.314～0.489 MPa，最大壓應(yīng)力為31.3 MPa，變化范圍在25.8～31.3 MPa，即隨著距采空區(qū)中部距離的增大，卸壓程度逐漸減小。

2)從煤層傾向方向看，被保護(hù)煤層頂?shù)装逦灰蒲卮怪狈较虺省肮靶巍狈植?，?dāng)上保護(hù)層6124工作面回采距離為200 m時(shí)，被保護(hù)層頂板最大位移量為354 mm，位移變化范圍在160～354 mm，位移變化量呈現(xiàn)出先迅速增大、再趨于平緩的趨勢(shì)。

3)通過(guò)對(duì)研究范圍的煤層瓦斯抽采量對(duì)比分析，可以看出采用上保護(hù)層開(kāi)采時(shí)，瓦斯抽采總量明顯高于直接打穿層鉆孔的瓦斯抽采總量，瓦斯抽采率提高了39.5%，瓦斯抽采總量提高了1200.5萬(wàn)m3/a。在不同測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的最大殘余瓦斯含量為7.16m3/t，最大殘余瓦斯壓力為0.58 MPa、達(dá)到了瓦斯抽采的效果，消除了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性，說(shuō)明礦井上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)防治海石灣煤礦高瓦斯煤層具有很好的工程指導(dǎo)意義。