深部遠(yuǎn)距離煤層群卸壓主控因素及首采層優(yōu)選方法研究

王中華,曹建軍

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯研究分院，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

0 引 言

煤炭是我國(guó)的主導(dǎo)能源，到2030 年煤炭占一次能源消費(fèi)的比例仍在50%以上，煤炭仍將是保障我國(guó)能源安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)能源[1-2]。然而，我國(guó)53%的資源埋深在千米以下，隨著開(kāi)采能力和機(jī)械化程度的提高，礦井正以平均每年8～25 m(局部達(dá)40 m)的速度向深部延伸[3]，采深最大的已超過(guò)1 300 m[4]，深部礦井煤與瓦斯突出(簡(jiǎn)稱“突出”)危險(xiǎn)性顯著加大[5]。

突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果[6]，是煤礦井下一種復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象，突出機(jī)理復(fù)雜、影響因素眾多[7-8]，突出防治仍是一項(xiàng)世界性難題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深井突出機(jī)理進(jìn)行了大量研究，普遍認(rèn)為高應(yīng)力的作用顯著加強(qiáng)[9]，我國(guó)安徽、遼寧、江西等省份深部礦井均出現(xiàn)了以地應(yīng)力為主導(dǎo)的動(dòng)力災(zāi)害[10-11]，深井突出防治應(yīng)采取有效的卸壓方法[12]。開(kāi)采保護(hù)層被國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明是防治突出的一種最經(jīng)濟(jì)、最可靠的卸壓措施[13]，保護(hù)層開(kāi)采結(jié)合被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采已成為我國(guó)煤礦優(yōu)先推廣的一種區(qū)域性瓦斯治災(zāi)技術(shù)[14]，部分礦井甚至選擇巖層作為保護(hù)層開(kāi)采[15]。

我國(guó)煤礦煤層群保護(hù)層開(kāi)采主要依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》進(jìn)行[16]，其只定性的給出了對(duì)于不同煤層類別的保護(hù)層選取方法和有效保護(hù)垂距范圍。但是，深部礦井采動(dòng)卸壓影響程度有別于淺部礦井，遠(yuǎn)距離煤層群保護(hù)層開(kāi)采卸壓效果還與保護(hù)層采高、煤層層間距、被保護(hù)層厚度等因素有關(guān)[17]?；诖?，基于特定的工程背景條件，模擬研究遠(yuǎn)距離煤層群開(kāi)采卸壓關(guān)鍵主控因素及其耦合關(guān)系，提出深部遠(yuǎn)距離煤層群首采保護(hù)層優(yōu)選方法，對(duì)類似條件的礦井具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 基本情況

淮南礦區(qū)是我國(guó)十分重要的煤炭生產(chǎn)基地之一，礦區(qū)可采煤層11～19 層，為典型的煤層群條件。其中，位于主采煤層上段自上而下賦存的13-1、11-2、8煤層為遠(yuǎn)距離煤層群賦存，在試驗(yàn)礦井朱集西礦一水平(-967 m)平均厚度分別為3.81、1.59、3.19 m，平均間距依次為73.19、80.16 m。朱集西礦13-1、11-2、8煤層賦存情況見(jiàn)表1。

表1 朱集西礦13-1、11-2、8煤層賦存特征

1.2 災(zāi)害情況分析

經(jīng)測(cè)試，朱集西礦13-1、11-2、8煤層突出危險(xiǎn)性參數(shù)見(jiàn)表2，各煤層均為突出煤層，11-2煤層的突出危險(xiǎn)性相對(duì)較弱。根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告，在-951 m東翼回風(fēng)大巷測(cè)得最大和最小主應(yīng)力分別為27.90、17.76 MPa，地應(yīng)力側(cè)壓比(最大水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值)最大為1.57；13-1、11-2、8煤層頂板厚硬巖層分別為粉砂巖、細(xì)砂巖、砂巖，平均厚度分別為10.44、5.50、15.00 m，且對(duì)應(yīng)區(qū)段埋深依次增加、動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性逐漸加大。同時(shí)，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》、《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[16、18]，從礦井煤層賦存及各煤層動(dòng)力災(zāi)害特征看，13-1、11-2、8煤層中11-2煤層突出危險(xiǎn)性相對(duì)較小、動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性相對(duì)較低。

表2 朱集西礦13-1、11-2、8煤層突出參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2 保護(hù)層開(kāi)采卸壓主控因素模擬分析

2.1 模擬方案設(shè)計(jì)

根據(jù)朱集西礦工程背景情況，運(yùn)用FLAC3D5.0數(shù)值模擬軟件建立模型，模擬開(kāi)采保護(hù)層11-2煤層后，上、下鄰近層的應(yīng)力變化及膨脹變形，進(jìn)而分析深部遠(yuǎn)距離煤層群保護(hù)層開(kāi)采卸壓主控因素。模型尺寸為380 m×380 m×163 m，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 數(shù)值模擬材料物理力學(xué)參數(shù)

礦井11-2煤層一水平標(biāo)高-967 m，結(jié)合地面標(biāo)高+23 m、模型頂部邊界距11-2煤層124.2 m，按平均密度2 500 kg/m3計(jì)算應(yīng)施加21.6 MPa等效載荷，同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果取測(cè)壓系數(shù)1.5。

對(duì)于遠(yuǎn)距離煤層群其卸壓效果影響范圍有限，當(dāng)煤層群間存在厚層堅(jiān)硬關(guān)鍵層時(shí)卸壓效果更差[19]，不建議作為保護(hù)層開(kāi)采。因此，深部遠(yuǎn)距離煤層群開(kāi)采卸壓影響因素，重點(diǎn)考慮保護(hù)層采高、煤層群間距、保護(hù)層采深、被保護(hù)層厚度。為了提高數(shù)值分析效率，設(shè)計(jì)采用正交試驗(yàn)方法[20]進(jìn)行主控因素影響程度分析，對(duì)不同的保護(hù)層開(kāi)采模式分別制定4 個(gè)水平的正交模擬因素方案，見(jiàn)表4、表5。

表4 保護(hù)層開(kāi)采卸壓主控因素正交模擬試驗(yàn)因素

表5 保護(hù)層開(kāi)采卸壓主控因素正交模擬試驗(yàn)方案

2.2 下保護(hù)層開(kāi)采卸壓正交模擬

主要研究影響下保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層卸壓主控因素的影響程度，故分別取被保護(hù)層最大膨脹變形率、最大卸壓程度、最大有效卸壓寬度作為試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)及工程實(shí)踐[16、21]，卸壓有效的指標(biāo)主要有應(yīng)變0.3%或應(yīng)力降幅10%。按圖1數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析可得直觀分析(圖2)。被保護(hù)層最大膨脹變形量、最大卸壓程度、最大有效卸壓寬度3 個(gè)指標(biāo)受保護(hù)層采高影響的極差最大、其次受煤層層間距的影響也相對(duì)較大，因此，對(duì)于遠(yuǎn)距離煤層群下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆鄰近層的卸壓效果影響的關(guān)鍵主控因素為保護(hù)層采高、煤層層間距。

圖1 不同條件下上被保護(hù)層應(yīng)力、應(yīng)變

圖2 各因素水平對(duì)上被保護(hù)層卸壓程度影響直觀分析

2.3 上保護(hù)層開(kāi)采卸壓正交模擬

使用同樣方法，統(tǒng)計(jì)上保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層卸壓主控因素的影響程度試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示，最大膨脹變形量、最大卸壓程度直觀分析如圖4所示。

圖3 不同條件下下被保護(hù)層應(yīng)力、應(yīng)變

圖4 各因素水平對(duì)下被保護(hù)層卸壓程度影響直觀分析

被保護(hù)層最大膨脹變形量、最大卸壓程度2個(gè)指標(biāo)受煤層層間距影響的極差最大，因此，對(duì)于遠(yuǎn)距離煤層群上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)下伏鄰近層的卸壓效果影響的關(guān)鍵主控因素為煤層層間距。

3 深部遠(yuǎn)距離煤層群首采層選擇方法

3.1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)選擇首采保護(hù)層的方法

依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，在突出礦井開(kāi)采煤層群時(shí)，如.在有效保護(hù)垂距內(nèi)存在厚度0.5 m及以上的無(wú)突出危險(xiǎn)煤層，除因突出煤層距離太近而威脅保護(hù)層工作面安全或可能破壞突出煤層開(kāi)采條件的情況外，首先開(kāi)采保護(hù)層；當(dāng)煤層群中有幾個(gè)煤層都可作為保護(hù)層時(shí)，綜合比較分析，擇優(yōu)開(kāi)采保護(hù)效果最好的煤層；當(dāng)?shù)V井中所有煤層都有突出危險(xiǎn)時(shí)，選擇突出危險(xiǎn)程度較小的煤層作保護(hù)層先行開(kāi)采，但采掘前必須按本規(guī)定的要求采取預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施并進(jìn)行效果檢驗(yàn)；優(yōu)先選擇上保護(hù)層，在選擇開(kāi)采下保護(hù)層時(shí)，不得破壞被保護(hù)層的開(kāi)采條件。

礦井進(jìn)入深部開(kāi)采后，地應(yīng)力顯著增加，煤層氣壓力、含量明顯增高而煤巖層透氣性更差。但理論分析表明，采動(dòng)頂板裂隙帶高度、底板破壞帶深度與采深均密切相關(guān)，在深部高應(yīng)力條件下采動(dòng)擾動(dòng)更加劇烈，隨著采深的增加頂?shù)装辶严稁Х謩e逐漸增加(后趨于穩(wěn)定)、急劇增大，采深對(duì)深部煤層群采動(dòng)卸壓影響較大。因此，深部遠(yuǎn)距離煤層群首采保護(hù)層的選擇，需要根據(jù)深部遠(yuǎn)距離煤層群保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層有效卸壓耦合關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 深部遠(yuǎn)距離被保護(hù)層有效卸壓耦合關(guān)系

依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，當(dāng)被保護(hù)層應(yīng)變大于0.3%時(shí)得到有效卸壓保護(hù)的規(guī)定，結(jié)合正交模擬的深部遠(yuǎn)距離被保護(hù)層有效卸壓情況及主控因素，對(duì)于遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開(kāi)采卸壓效果關(guān)鍵主控因素為保護(hù)層采高、其次為煤層層間距，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得不同保護(hù)層采高時(shí)、不同層間距與被保護(hù)層最大應(yīng)變的關(guān)系如圖5所示，進(jìn)一步可得到對(duì)遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層卸壓有效是層間距與最小保護(hù)層采高的關(guān)系如圖6所示。

圖5 遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開(kāi)采卸壓的關(guān)鍵主控因素耦合關(guān)系

圖6 遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開(kāi)采有效卸壓最小保護(hù)層開(kāi)采厚度關(guān)系

同樣，對(duì)于遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開(kāi)采，其卸壓效果關(guān)鍵主控因素為煤層層間距，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得不同層間距時(shí)、不同保護(hù)層采高與被保護(hù)層最大應(yīng)變的關(guān)系如圖7所示。而當(dāng)前我國(guó)保護(hù)層開(kāi)采高一般不會(huì)超過(guò)10 m，結(jié)合圖7擬合關(guān)系可得到充分采動(dòng)影響下對(duì)遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層最大卸壓與層間距的關(guān)系如圖8所示。

圖7 遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開(kāi)采卸壓的關(guān)鍵主控因素耦合關(guān)系

圖8 遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開(kāi)采有效卸壓最大層間距關(guān)系(采高10 m)

3.3 深部遠(yuǎn)距離煤層群首采保護(hù)層選擇理論方法

深部遠(yuǎn)距離煤層群開(kāi)采卸壓關(guān)鍵主控因素，下保護(hù)層開(kāi)采為保護(hù)層采高、上保護(hù)開(kāi)采為層間距。對(duì)于煤層群上保護(hù)層開(kāi)采，正常開(kāi)采條件下(采厚不超過(guò)10 m)下伏被保護(hù)層最大相對(duì)變形率與層間距的擬合關(guān)系為ε=-0.1621Hd+10.978，顯然對(duì)于遠(yuǎn)距離煤層群(H≮50 m)被保護(hù)層最大應(yīng)變僅為0.287%，不能達(dá)到有效卸壓。

因此，對(duì)于遠(yuǎn)距離煤層群若要采用保護(hù)層開(kāi)采，應(yīng)當(dāng)選擇下保護(hù)層開(kāi)采模式。數(shù)值模擬表明，深部遠(yuǎn)距離煤層群開(kāi)采對(duì)上覆一定距離的鄰近層形成較大范圍的卸壓區(qū)，明顯大于淺部開(kāi)采的理論卸壓范圍，但深部遠(yuǎn)距離煤層群首采保護(hù)層選擇仍應(yīng)達(dá)到有效卸壓最小保護(hù)層厚度?；诖耍岢錾畈窟h(yuǎn)距離煤層群首采保護(hù)層選擇理論方法：①在常規(guī)采高條件下(采高≮10 m)，深部遠(yuǎn)距離煤層群只能選擇下保護(hù)層開(kāi)采模式；②必須在《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求的最大保護(hù)層垂距范圍內(nèi)，且達(dá)到不破壞上被保護(hù)層的最小理論層間距；③采高應(yīng)達(dá)到要求的最小保護(hù)層厚度要求，工程背景條件下的最小保護(hù)層厚度M>0.0017Hd2-0.1766Hd+5.5309。

4 首采層優(yōu)選方法工程應(yīng)用

為了檢驗(yàn)深部遠(yuǎn)距離煤層群首采保護(hù)層選擇方法的合理性，在試驗(yàn)礦井朱集西礦進(jìn)行應(yīng)用檢驗(yàn)。

4.1 首采保護(hù)層選擇確定

根據(jù)深部遠(yuǎn)距離煤層群首采保護(hù)層選擇理論方法，朱集西礦遠(yuǎn)距離煤層群13-1、11-2、8煤層僅能采用下保護(hù)開(kāi)采模式。朱集西礦11-2、8煤層厚度分別為1.59、3.19 m，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[19]計(jì)算，首采11-2、8煤層對(duì)上覆最大保護(hù)垂距分別為114～122 m、104～113 m，不破壞上部被保護(hù)層的最小層間距分別為9.96、20.92 m，均滿足在最大保護(hù)層垂距范圍內(nèi)、達(dá)到不破壞上被保護(hù)層的最小理論層間距的條件，可以選擇11-2、8煤層作為首采保護(hù)層。進(jìn)一步結(jié)合11-2、8煤層突出、動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性，應(yīng)該選擇11-2煤層作為首采保護(hù)層。

選擇11-2煤層作為13-1煤層的保護(hù)層，保護(hù)層應(yīng)達(dá)到的最小采高。朱集西礦13-1、11-2煤層平均層間距73.19 m，根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算得11-2煤層采高M(jìn)>1.71 m。因此，從下部被保護(hù)層應(yīng)達(dá)到最小采高的角度，11-2煤層能夠作13-1煤層的下保護(hù)層開(kāi)采的采高應(yīng)超過(guò)1.71 m。

4.2 卸壓保護(hù)效果考察分析

在試驗(yàn)礦井朱集西礦11501工作面進(jìn)行應(yīng)用檢驗(yàn)，工作面布置如圖9所示，工作面11-2煤層設(shè)計(jì)采高1.8 m。

1) 保護(hù)效果考察。11501工作面開(kāi)采對(duì)13-1、8煤層保護(hù)效果考察，采用考察被保護(hù)煤層應(yīng)變的方法進(jìn)行，考察鉆孔布置如圖9所示、頂?shù)装逦灰齐S工作面推進(jìn)關(guān)系如圖10所示。由圖10計(jì)算可知，鉆孔BX1-1、BX1-2、BX2-4、BX2-3對(duì)應(yīng)的煤層相對(duì)變形均大于0.3%，位于有效卸壓保護(hù)范圍內(nèi)，利用插值法計(jì)算保護(hù)層工作面走向方向卸壓角為63.7°、傾向卸壓角為80.8°，該范圍內(nèi)13-1煤層得到有效卸壓保護(hù)；11-2煤層開(kāi)采后下伏8煤層最大應(yīng)變小于0.11%，11-2煤層開(kāi)采對(duì)8煤層未能形成有效卸壓保護(hù)。

圖9 11501工作面開(kāi)采保護(hù)效果考察鉆孔布置

圖10 被保護(hù)層頂?shù)装逦灰齐S工作面推進(jìn)曲線

2)保護(hù)范圍區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)。11501工作面回采期間采用地面鉆井及井下穿層鉆孔的方式抽排上覆13-1煤層卸壓瓦斯，地面鉆井和穿層鉆孔累計(jì)抽采13-1煤層氣128.31 萬(wàn)m3，抽采率約為81.4%，表明11501工作面開(kāi)采對(duì)上覆13-1煤層被保護(hù)區(qū)卸壓瓦斯抽采效果較好，可以進(jìn)行保護(hù)區(qū)域內(nèi)13-1煤層氣抽采效果及區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)。

根據(jù)11501工作面巷道布置情況，在13-1煤層被保護(hù)區(qū)域卸壓瓦斯抽采相對(duì)較差的4個(gè)隅角各布置4個(gè)殘余瓦斯含量測(cè)試鉆孔，實(shí)測(cè)13-1煤層殘余瓦斯涌出4.14～5.25 m3/t，小于區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)瓦斯涌出量指標(biāo)(臨界值8 m3/t)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)該區(qū)域13-1煤層采用保護(hù)層開(kāi)采結(jié)合卸壓瓦斯抽采區(qū)域防突措施有效。

綜上遠(yuǎn)距離煤層群開(kāi)采卸壓效果考察表明，深部遠(yuǎn)距離煤層群應(yīng)選擇下保護(hù)層開(kāi)采模式，首采層選擇方法合理。

5 結(jié) 論

1)在不考慮煤層群層間厚層堅(jiān)硬巖層的情況下，遠(yuǎn)距離煤層群下保護(hù)層開(kāi)采對(duì)上覆鄰近層的卸壓效果影響的關(guān)鍵主控因素為保護(hù)層采高、煤層層間距，上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)下伏鄰近層的卸壓效果影響的關(guān)鍵主控因素為煤層層間距。

2)常規(guī)采高條件下(采高≮10 m)，深部遠(yuǎn)距離煤層群只能選擇下保護(hù)層開(kāi)采模式，層間距必須在《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求的最大保護(hù)層垂距范圍內(nèi)且達(dá)到不破壞上被保護(hù)層的最小理論層間距，同時(shí)保護(hù)層采高應(yīng)達(dá)到要求的最小保護(hù)層厚度要求。

3)朱集西礦遠(yuǎn)距離煤層群13-1、11-2、8煤層應(yīng)當(dāng)選擇11-2煤層作為首采保護(hù)層，其開(kāi)采對(duì)上覆13-1煤層能夠形成有效卸壓保護(hù)、對(duì)下伏8煤層不能形成有效卸壓保護(hù)，有效卸壓保護(hù)范圍內(nèi)13-1煤層采用地面井結(jié)合井下鉆孔進(jìn)行卸壓瓦斯抽采能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域防突措施有效。

4)工程應(yīng)用表明，基于關(guān)鍵主控因素的深部遠(yuǎn)距離煤層群首采保護(hù)層優(yōu)選方法合理，以此形成的深部遠(yuǎn)距離煤層群井上、井下聯(lián)合抽采防突技術(shù)可靠。