近距離保護(hù)層開采遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)瓦斯賦存規(guī)律研究

王海東，路麗剛，孫 鑫，楊 濤

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京065201）

煤與瓦斯突出是指在地應(yīng)力和瓦斯壓力相互作用下，在很短時(shí)間內(nèi)煤和瓦斯由煤巖體內(nèi)突然猛烈地噴出到采掘空間的復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象[1-4]?！睹旱V安全規(guī)程》明確規(guī)定：“在煤與瓦斯突出礦井開采煤層群時(shí)，必須首先開采保護(hù)層。開采保護(hù)層后，在被保護(hù)層中受到保護(hù)的區(qū)域按無突出危險(xiǎn)煤層進(jìn)行采掘工作，未受到保護(hù)的區(qū)域，必須采取防止突出危險(xiǎn)措施”。由此可見，保護(hù)層開采技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并被法規(guī)確定及實(shí)踐證明為防治煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的辦法[5-10]。上保護(hù)層對(duì)被保護(hù)層的卸壓保護(hù)效果取決于保護(hù)層與被保護(hù)層之間的層間距，層間距越小，被保護(hù)層的保護(hù)卸壓效果越好。然而被保護(hù)層卸壓瓦斯涌入的威脅對(duì)近距離保護(hù)層安全的開采工作面帶來很大困難及造成一定的安全隱患[11-15]。針對(duì)新景礦9 號(hào)煤層9106 工作面過8 號(hào)煤層遺留煤柱的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)遺留煤柱下方應(yīng)力集中區(qū)瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行研究，分析近距離保護(hù)層開采遺留煤柱對(duì)的影響范圍并在此基礎(chǔ)上建立數(shù)值模型，重點(diǎn)研究遺留煤柱下的應(yīng)力分布規(guī)律及對(duì)下煤層開采所形成的應(yīng)力集中影響，并進(jìn)行了工程驗(yàn)證，通過分析煤柱壓煤區(qū)及卸壓區(qū)的瓦斯鉆屑指標(biāo)，得到K1值、S 值與應(yīng)力分布狀態(tài)具有良好的相關(guān)性，并且得到在近距離保護(hù)層開采情況下煤層瓦斯可以得到充分釋放。

1 試驗(yàn)礦井概況

山西新景礦為突出礦井，東西走向長(zhǎng)12.0 km，南北傾斜寬約7.5 km，面積為64.7477 km2。主采3、8、9、15 號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，厚度變化不大，8 號(hào)煤層與9 號(hào)煤層間距平均為13 m，8 號(hào)煤層直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，基本頂為中細(xì)粒砂巖（K7），底板為中細(xì)粒砂巖，局部相變?yōu)槟鄮r，煤層厚度1.65 m；9 號(hào)煤層直接頂為中細(xì)粒砂巖（即8 號(hào)煤層底板），局部相變?yōu)槟鄮r，底板為中粗粒砂巖，局部相變?yōu)榉凵皫r，煤層厚度1.99 m。8 號(hào)和9 號(hào)煤層與遺留煤柱之間關(guān)系如圖1，具體瓦斯突出參數(shù)見表1。

圖1 8 號(hào)和9 號(hào)煤層與煤柱之間關(guān)系圖Fig.1 Relationship between No.8 and No.9 coal seams and coal pillars

表1 8 號(hào)煤層、9 號(hào)煤層瓦斯突出參數(shù)Table 1 Gas outburst parameters of No. 8 coal seam and No. 9 coal seam

2 保護(hù)層力學(xué)模型

2.1 遺留煤柱自身重應(yīng)力

保護(hù)層遺留煤柱所受的應(yīng)力主要由2 部分組成，其中一部分是自身重應(yīng)力，另一部分是來自煤體采空區(qū)傳遞的側(cè)支承應(yīng)力。

對(duì)于工作面寬度來說，遺留煤柱的寬度相對(duì)很小，可認(rèn)為遺留煤柱的應(yīng)力呈均勻分布。由于遺留煤柱下方的空間很大，其結(jié)構(gòu)可假設(shè)為半平面體，遺留煤柱應(yīng)力傳遞圖如圖2。

圖2 遺留煤柱應(yīng)力傳遞圖Fig.2 Stress transfer diagram of legacy coal pillar

取煤柱下方中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直方向?yàn)閤 軸，水平方向?yàn)閥 軸，建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)彈塑性力學(xué)中知識(shí)，可求得遺留煤柱對(duì)被保護(hù)層傳遞下來的應(yīng)力。設(shè)任意一點(diǎn)A（x，y）在半平面體上，在CD 段距坐標(biāo)原點(diǎn)O 為ε 處，取微小長(zhǎng)度為dε，可求得應(yīng)力q 在點(diǎn)A 處產(chǎn)生的應(yīng)力值為：

式中：σx為垂直方向的應(yīng)力；σy為水平方向的應(yīng)力；σxy為剪切方向的應(yīng)力；q 為遺留煤柱上均布?jí)簯?yīng)力；a 為遺留煤柱邊緣與遺留煤柱中心的距離。

將式（1）積分以后得到：

根據(jù)式（2）可得，在遺留煤柱受到應(yīng)力一定的前提下，即x=H，此時(shí)σx值由水平坐標(biāo)y 決定。當(dāng)y=0 時(shí)，σx為最大值［σx］max：

式中：H 為被保護(hù)層與遺留煤柱的垂直距離。

2.2 保護(hù)層殘余支承壓力

除了遺留煤柱自重應(yīng)力外，還存在遺留煤柱周圍采空區(qū)傳遞下來的殘余支承壓力，保護(hù)層殘余支承壓力分布如圖3。

圖3 保護(hù)層殘余支承壓力分布圖Fig.3 Residual support pressure distribution of protective layer

從圖3 可以看到，距離遺留煤柱越近，殘余支承壓力越小，因?yàn)楸Ｗo(hù)帶的存在。距離遺留煤柱遠(yuǎn)時(shí)，殘余支承壓力開始升高。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，可把采空區(qū)應(yīng)力變化看作線性增加。所以保護(hù)層殘余支承壓力△σq可表示為：

式中：ρ 為上覆巖層熱密度；H′為保護(hù)層平均埋深，m；l 為煤柱對(duì)被保護(hù)層的影響范圍，m。

此外被保護(hù)層煤體受到兩煤層間的巖層自重應(yīng)力△σg的表達(dá)式為：

式中：b 為遺留煤柱中點(diǎn)與煤壁的水平距離；α為巖層移動(dòng)角。

綜上分析得，保護(hù)層力學(xué)模型σj可表示為：

3 保護(hù)層沿走向方向保護(hù)范圍的確定

為了更好的對(duì)遺留煤柱下方應(yīng)力集中區(qū)瓦斯賦存規(guī)律進(jìn)行研究，下面針對(duì)保護(hù)層沿走向方向的保護(hù)范圍進(jìn)行分析計(jì)算。

若保護(hù)層采煤工作面停采時(shí)間超過3 個(gè)月，且卸壓比較充分，則該保護(hù)層沿走向方向的保護(hù)范圍可按卸壓角δ5=56°～60°劃定，保護(hù)層工作面始采線和采止線及煤柱的影響范圍如圖4。

圖4 保護(hù)層工作面始采線和采止線及煤柱的影響范圍Fig.4 The influence range of the starting line, stoping line and coal pillar of the working face of the protective layer

保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距可用式（7）、式（8）計(jì)算確定[16]：

式中：S1、S2分別為下保護(hù)層和上保護(hù)層的最大保護(hù)垂距；S′1、S′2為下保護(hù)層和上保護(hù)層的理論最大保護(hù)垂距，m；β1為保護(hù)層開采的影響系數(shù)；β2為層間硬巖（砂巖、石灰?guī)r）含量系數(shù)。

保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距見表2。根據(jù)表2 規(guī)定，上保護(hù)層開采時(shí)，緩傾斜煤層下部被保護(hù)層最大間距為50 m，所以8 號(hào)煤層開采過程中，9 號(hào)煤層處于卸壓區(qū)內(nèi)。選取卸壓角為60°，則8 號(hào)煤層煤柱對(duì)9 號(hào)煤層影響范圍可以通過公式計(jì)算得出：S1=Htan30°，8 號(hào)煤層距9 號(hào)煤層平均間距為13 m，因此可計(jì)算得出遺留煤柱最大影響范圍為36 m，8 號(hào)煤層遺留煤柱下方及兩側(cè)外延區(qū)域5.5 m區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，影響范圍根據(jù)上述公式計(jì)算得出為5.5 m，所以可以得出大致的影響范圍。

表2 保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距Table 2 Maximum protection vertical distance between protective layer and protected layer

此影響范圍是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出的，是否適用符合新景礦的具體情況，根據(jù)新景礦覆巖結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 FLAC3D 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

建立模型尺寸長(zhǎng)800 m，寬625 m，高400 m，上保護(hù)層8 號(hào)煤層的高度為1.65 m，下保護(hù)層9 號(hào)煤層的高度為1.99 m；與上邊界相距202 m，8 號(hào)煤層與9 號(hào)煤層間距為13 m，9 號(hào)煤層與下邊界相距198 m。根據(jù)模型建立方案，設(shè)定保護(hù)層工作面寬為150 m，在工作面兩端各留25 m 煤柱。

所模擬煤層與圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)見表3，利用彈塑性本構(gòu)模型來進(jìn)行計(jì)算，利用摩爾庫侖定律作為屈服準(zhǔn)則，數(shù)值模擬力學(xué)模型如圖5。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖5 數(shù)值模擬力學(xué)模型Fig.5 Numerical simulation mechanical model

初始平衡時(shí)垂直應(yīng)力圖如圖6。應(yīng)力完全處于平衡狀態(tài)，最大應(yīng)力值為17.5 MPa。開挖500 m 時(shí)垂直應(yīng)力圖如圖7。由圖可見，以遺留煤柱為中心線，開挖到500 m 時(shí)垂直應(yīng)力場(chǎng)呈均勻?qū)ΨQ分布，外觀來看應(yīng)力分布呈現(xiàn)“馬鞍型”，遺留煤柱下方及邊緣是煤巖層垂直應(yīng)力聚集地，圖中深藍(lán)色為遺留煤柱影響區(qū)域，遺留煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中影響范圍在25～33 m，包括遺留煤柱邊緣，其最大的影響范圍為33 m；在遺留煤柱兩側(cè)是工作面開挖完成后的采空區(qū)，隨著工作面開挖的進(jìn)行，煤層底板出現(xiàn)裂隙，煤體膨脹卸壓產(chǎn)生變形，基本頂破斷，煤層應(yīng)力得到充分釋放，從而煤層透氣性逐漸升高，最終得到降低突出危險(xiǎn)性的效果。

圖6 初始平衡時(shí)垂直應(yīng)力圖Fig.6 Vertical stress diagram at initial equilibrium

圖7 開挖500 m 時(shí)垂直應(yīng)力圖Fig.7 Vertical stress diagram at 500 m excavation

開挖500 m 時(shí)垂直應(yīng)力變化曲線如圖8。從圖8 可以看出，垂直應(yīng)力狀態(tài)以遺留煤柱為中心，依次對(duì)稱向兩邊擴(kuò)散，與遺留煤柱的距離越遠(yuǎn)，其擴(kuò)散的范圍就越廣，呈現(xiàn)先減小再升高的狀態(tài)；在保護(hù)層開采過程中，當(dāng)距開切眼10 m 時(shí)，對(duì)比初始平衡時(shí)的垂直應(yīng)力值，被保護(hù)層垂直應(yīng)力有所上升，隨著開采的距離不斷推進(jìn)，被保護(hù)層垂直應(yīng)力逐漸降低，在距開切眼37～88 m 階段逐漸穩(wěn)定，卸壓程度和卸壓范圍都很大，說明在這個(gè)范圍內(nèi)保護(hù)層開采效果最好，被保護(hù)層得到充分卸壓，卸壓采空區(qū)最小垂直應(yīng)力達(dá)到0.3 MPa；繼續(xù)開采到距離開切眼126～157 m 范圍內(nèi)，此范圍形成遺留煤柱的應(yīng)力集中區(qū)，采空區(qū)周圍擠壓使此影響范圍應(yīng)力急劇升高，最高垂直應(yīng)力達(dá)到38.6 MPa，遺留煤柱邊緣垂直應(yīng)力值達(dá)到27.5 MPa，比初始平衡的應(yīng)力值高2倍之多，遺留煤柱的影響范圍為33m，跟經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的36 m 基本一致。

圖8 開挖500 m 時(shí)垂直應(yīng)力變化曲線Fig.8 Curve of vertical stress at 500 m excavation

5 工程試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)模擬區(qū)域被保護(hù)層的K1值、S 值和瓦斯含量W 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。試驗(yàn)工作面9106 位于8117 工作面和8118 工作面下方，9106工作面概況如圖9。

在工作面推進(jìn)10、30、50 m 時(shí)進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)利用直徑為42 mm 的鉆頭進(jìn)行打鉆，分別取孔深2、4、6、8、10 m 處煤樣進(jìn)行測(cè)試記錄，由于所測(cè)數(shù)據(jù)較多，故測(cè)試數(shù)據(jù)取孔深為6 m 和10 m 處的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，鉆屑量S、鉆屑解吸指標(biāo)K1、瓦斯含量W 變化曲線分別如圖10～圖12。

圖9 9106 工作面概況Fig.9 9106 working face overview

圖10 鉆屑量S 變化曲線Fig.10 Drilling cutting amount S change curves

由圖10 可以得出，工作面推進(jìn)到10、30、50 m時(shí)，S 值的變化趨勢(shì)基本一樣，都是隨著距9106 運(yùn)輸巷的距離呈現(xiàn)升高，接近煤柱壓煤區(qū)附近S 值急劇增大，到煤柱壓煤區(qū)達(dá)到曲線的峰值，遠(yuǎn)離煤柱壓煤區(qū)又逐漸減下，最后趨于穩(wěn)定；在圖10（a）中可以看到，煤柱壓煤區(qū)為曲線的峰值，受遺留煤柱的應(yīng)力集中影響，S 最大值為3.67 kg/m，在卸壓區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)可看到，S 最小值為2.18 kg/m，與最大值相比降低41%；在圖10（b）中可以看到，煤柱壓煤區(qū)為曲線的峰值，受遺留煤柱的應(yīng)力集中影響，S 最大值為3.78 kg/m，在卸壓區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)可看到，S 最小值為2.15 kg/m，與最大值相比降低43%。

圖11 鉆屑解吸指標(biāo)K1 變化曲線Fig.11 Drilling cuttings desorption index K1 change curves

由圖11 可以得出，工作面推進(jìn)10、30、50 m 時(shí)，K1值的變化趨勢(shì)基本一樣，都是隨著距9106 運(yùn)輸巷的距離呈現(xiàn)升高，接近煤柱壓煤區(qū)附近K1值急劇增大，到煤柱壓煤區(qū)達(dá)到曲線的峰值，遠(yuǎn)離煤柱壓煤區(qū)又逐漸減下，最后趨于穩(wěn)定；在圖11（a）中可以看到，煤柱壓煤區(qū)為曲線的峰值，受遺留煤柱的應(yīng)力集中影響，K1最大值為0.435 mL/（g·min1/2），由卸壓區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，K1最小值為0.208 mL/（g·min1/2），與最大值相比降低51%；在圖11（b）中可以看到，煤柱壓煤區(qū)為曲線的峰值，受遺留煤柱的應(yīng)力集中影響，K1最大值為0.412 mL/（g·min1/2），在卸壓區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)可看到，K1最小值為0.217 mL/（g·min1/2），與最大值相比降低46%。

由圖12 可以得出，隨著距9106 運(yùn)輸巷的距離呈現(xiàn)升高，接近煤柱壓煤區(qū)附近W 有明顯增大，到煤柱壓煤區(qū)達(dá)到曲線的峰值，遠(yuǎn)離煤柱壓煤區(qū)又逐漸減下，W 曲線波動(dòng)幅度較小，在5.16～5.88 m3/t 之間，在煤柱壓煤區(qū)有微弱的變大，但變化不明顯。

綜合上述分析得出，隨著保護(hù)層開采的完成，遺留煤柱對(duì)被保護(hù)層形成的應(yīng)力集中影響，使被保護(hù)層出現(xiàn)煤柱壓煤區(qū)和卸壓區(qū)，在煤柱壓煤區(qū)所測(cè)數(shù)據(jù)普遍偏高，卸壓區(qū)所測(cè)數(shù)據(jù)很明顯偏低，S 值和K1值在煤柱壓煤區(qū)及卸壓區(qū)所測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，相差最大比例為43%和51%，而W 則數(shù)據(jù)變化幅度不大，從而得到K1值、S 值與應(yīng)力分布狀態(tài)具有良好的相關(guān)性，W 與應(yīng)力分布狀態(tài)有微弱關(guān)系，由于本次測(cè)試數(shù)據(jù)較少，還有待研究。

6 結(jié) 論

1）根據(jù)新景礦8 號(hào)、9 號(hào)煤層間距，留設(shè)的煤柱基礎(chǔ)條件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到遺留煤柱最大影響范圍為36 m，8 號(hào)煤層留設(shè)煤柱下方及兩側(cè)外延區(qū)域5.5 m 區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域。

2）利用FLAC3D軟件計(jì)算分析了保護(hù)層開采過程中上覆巖煤層破壞損傷場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布演化規(guī)律，得到了遺留煤柱影響范圍為33 m，并且在煤柱壓煤區(qū)的應(yīng)力值達(dá)到最大為38.6 MPa。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤層應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)瓦斯鉆屑指標(biāo)和瓦斯含量W，分析得到K1值、S 值與應(yīng)力分布狀態(tài)具有良好的相關(guān)性，同時(shí)得出在近距離保護(hù)層開采情況下煤層瓦斯可以得到充分釋放，瓦斯含量W 變化不明顯，測(cè)試數(shù)據(jù)較少，還有待研究。

4）保護(hù)層的開采在未來對(duì)煤礦（無論是高瓦斯礦井還是突出礦井）而言，都是煤礦安全有效開采的必經(jīng)之路，但是在安全有效的前提下，必須要調(diào)整好保護(hù)層與被保護(hù)層之間的平衡關(guān)系，并且提出多種合理有效措施來協(xié)調(diào)保護(hù)層開采以實(shí)現(xiàn)安全、高產(chǎn)的目標(biāo)，達(dá)到對(duì)瓦斯的有效治理。