上保護(hù)層開(kāi)采遺留煤柱對(duì)保護(hù)效果的影響

肖 健，陳學(xué)習(xí)，畢瑞卿

（1.華北科技學(xué)院安全監(jiān)管學(xué)院，河北 三河 065201；2.華北科技學(xué)院培訓(xùn)中心，河北 三河 065201）

礦井深部開(kāi)采時(shí)煤與瓦斯突出和沖擊地壓是制約煤礦安全高效開(kāi)采的主要災(zāi)害之一，保護(hù)層開(kāi)采是瓦斯治理和沖擊地壓防治的有效手段[1-3]。在保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中，因隔離采空區(qū)、護(hù)巷等原因需要留設(shè)煤柱，保護(hù)層開(kāi)采遺留煤柱影響區(qū)的保護(hù)效果對(duì)防突、防沖措施的選擇、安全高效采掘都有著重要意義[4-7]。煤柱影響區(qū)的瓦斯賦存規(guī)律和應(yīng)力環(huán)境與煤柱尺寸、煤層埋深、層間距密切相關(guān)。煤柱尺寸較大時(shí)，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，上覆煤巖層形成的集中應(yīng)力不足以使煤柱完全破壞，會(huì)造成影響區(qū)應(yīng)力集中、瓦斯釋放困難等現(xiàn)象，有時(shí)還可能存在潛在的危險(xiǎn)[8-12]。煤柱尺寸較小時(shí)，在原巖應(yīng)力的作用下，煤柱整體處于塑性破壞狀態(tài)，在鄰近工作面回采后發(fā)生失穩(wěn)破壞對(duì)被保護(hù)層保護(hù)效果較好[5,13-16]。保護(hù)層與被保護(hù)層層間距大于26 m 時(shí)，被保護(hù)層的三維應(yīng)力將不再受遺留煤柱的影響[17]。目前對(duì)殘余煤柱影響區(qū)實(shí)際的瓦斯賦存釋放效果和應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行研究較少。為此，以平煤四礦己15 保護(hù)層的己15-23140工作面和己15-23160 工作面之間遺留的小煤柱和下部被保護(hù)的己16.17 煤層的己16.17-23140 工作面和己16.17-23160 工作面為研究對(duì)象；首先通過(guò)數(shù)值模擬分析煤柱受采動(dòng)影響的應(yīng)力和位移變化，然后現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)煤柱現(xiàn)存形態(tài)和煤柱影響區(qū)瓦斯含量、鉆屑量測(cè)試；由測(cè)試結(jié)果分析煤柱影響區(qū)瓦斯賦存規(guī)律和應(yīng)力環(huán)境，為平煤四礦己16.17-31060 工作面煤柱影響區(qū)災(zāi)害治理提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 工程概況

平煤四礦主要開(kāi)采丁、戊、己和庚組煤層，其中己組煤包括己14、己15 和己16.17 煤層，己14 煤層基本不可采，己15 煤層和己16-17 煤層為主采煤層。

本次主要研究對(duì)象為己15 煤層遺留的區(qū)段煤柱及其在己16.17 煤層形成的煤柱影響區(qū)。煤柱影響區(qū)根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)提供的參考卸壓角劃定，煤層傾角8.0°時(shí)深部和淺部卸壓角均為75°[18]（圖1 剖面圖中黃色區(qū)域），研究對(duì)象平面位置關(guān)系和剖面位置關(guān)系如圖1。

圖1 研究對(duì)象位置關(guān)系圖Fig.1 Location diagram of the research object

煤柱1 下方已掘進(jìn)己16.17-23160 風(fēng)巷，煤柱影響區(qū)已基本不存在，本次主要考慮煤柱2 形成的煤柱影響區(qū)。研究范圍內(nèi)己15、己16.17 煤層平均厚度分別為1.6、3.5 m，平均傾角均為8.0°。己15 煤層直接底為泥巖厚度約2.0 m，基本底為砂質(zhì)泥巖厚度約6.0 m，直接頂為砂巖厚度約6.0 m，基本頂為中粗粒砂巖，厚度約15.0 m。己15 煤層遺留煤柱兩側(cè)和兩煤柱之間的巷道均沿己15 煤層頂板掘進(jìn)，巷道寬度均為5.0 m，煤柱寬度均為4.0 m，工作面傾斜長(zhǎng)175.0 m。己16.17煤層直接頂、直接底和基本底均為粉砂質(zhì)泥巖，直接頂平均厚度6.0 m，偽頂和基本頂均為泥巖厚度分別為1.0 m 和2.0 m。己16.17-23140 工作面傾斜長(zhǎng)190.0 m，己16.17-23140 機(jī)巷與己16.17-23160 風(fēng)巷中對(duì)中10 m 布置，巷道和煤柱寬度均為5.0 m，與上部己15 煤層平均間距9.0 m。該位置己16.17 煤層埋深約910.0 m，工作面原始煤層瓦斯含量4.66～7.68 m3/t。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

以己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面及己16.17-23160 風(fēng)巷為原型，建立FLAC3D數(shù)值模擬模型如圖2。數(shù)值模擬中使用的各煤巖層、煤層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 模型圖Fig.2 Numerical simulation model diagram

表1 數(shù)值模型煤巖參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of coal and rock parameters of numerical model

模型長(zhǎng)度（x 方向）為810.0 m、寬度（y 方向）為600.0 m、高度（z 方向）為328.9 m，己15 煤層厚度1.6 m，己16.17 煤層厚度3.5 m，煤層傾角均為8.0°，由x軸0 點(diǎn)向x 軸正方向傾斜。開(kāi)挖區(qū)域與模型邊界的距離：x、y 軸正、負(fù)方向分別均為200.0 m，z 軸正、負(fù)方向最小邊界均為80.0 m。材料本構(gòu)模型為摩爾庫(kù)倫，為提高建模效率和運(yùn)算速率，將距離較遠(yuǎn)的煤巖層合并，同一巖性參數(shù)保持一致。

將模型表面分為east、west、south、north、top 和bottom 共6 個(gè)面，采用加速度對(duì)模型邊界條件進(jìn)行設(shè)置：①設(shè)置條件top 為自由邊界，同時(shí)根據(jù)煤層埋深和上覆巖層密度，施加20.0 MPa 的上覆巖層原巖應(yīng)力；②其余5 個(gè)面設(shè)置加速度為0，即固定邊界。模型分4 步開(kāi)挖：①開(kāi)挖己15-23140 工作面；②開(kāi)挖己15-23160 聯(lián)絡(luò)巷和己15-23160 工作面；③開(kāi)挖己16.17-23140 工作面；④開(kāi)挖己16.17-23160 風(fēng)巷。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

開(kāi)啟大變形條件下模擬分析，在y=300 的煤柱兩側(cè)共設(shè)置6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（a0、a1、a2、b0、b1、b2）對(duì)z 方向、x 方向位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定在煤柱網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。開(kāi)挖過(guò)程中歷史數(shù)據(jù)記錄間隔為100 步，位移變化如圖3。

圖3 位移變化圖Fig.3 Displacement change diagrams

1）煤柱2 在其x 軸負(fù)方向的己15-23140 采動(dòng)影響下煤柱網(wǎng)格點(diǎn)向z 軸負(fù)方向和x 軸正方向移動(dòng)。節(jié)點(diǎn)所在位置越高z 方向的位移量越大，煤柱上壁z方向的位移量比下壁更大，最大位移量為62 mm；x方向的位移量各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本一致，數(shù)值上在37 mm 上下波動(dòng)。

2）在己15-23160 采動(dòng)影響下：①節(jié)點(diǎn)仍向z 軸負(fù)方向移動(dòng)，不同網(wǎng)格點(diǎn)移動(dòng)規(guī)律與己15-23140 開(kāi)挖時(shí)相同，但在位移增量上有較大差別，最大位移增量為172 mm 是己15-23140 開(kāi)挖時(shí)的近3 倍，最大累計(jì)位移量為234 mm；②x 方向位移在煤柱兩側(cè)煤壁出現(xiàn)完全不同的變化，上壁向x 軸負(fù)方向移動(dòng)位置越低的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量越大，最大位移增量為77 mm，最大累計(jì)位移量為40 mm；③下壁向x 軸正方向移動(dòng)不同高度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化規(guī)律與左側(cè)一致，最大位移增量為109 mm，累計(jì)位移量為146 mm。

3）在己16.17-23140 采掘和己16.17-23160 風(fēng)巷掘進(jìn)影響下，煤壁兩側(cè)節(jié)點(diǎn)位移沿己15-23160 掘進(jìn)時(shí)的增長(zhǎng)趨勢(shì)繼續(xù)增加，z 軸負(fù)方向、x 軸正、負(fù)方向最大累計(jì)位移量分別為289、55、156 mm。

4）由圖3（c）、圖3（d）可知，整體位移量較大的是己15-23140 及己16.17-23140 工作面之間的巖層。其余位置已采空的工作面z 軸方向位移為底板向正方向移動(dòng)、頂板向負(fù)方向移動(dòng)，x 軸方向底板基本無(wú)變化，己15-23140 頂板向負(fù)方向移動(dòng)，己15-23160 頂板向正方向移動(dòng)。

綜合分析可知，己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面及己16.17-23160 風(fēng)巷的采掘活動(dòng)均對(duì)煤柱2 的位移有影響，其中己15-23160 工作面的影響最為顯著。開(kāi)挖結(jié)束后模擬煤柱由原來(lái)的規(guī)則平行四邊形被壓縮成上下兩端相對(duì)窄、中部相對(duì)寬的不規(guī)則圓柱面，實(shí)際的煤柱可能已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)煤柱是否破壞需進(jìn)一步進(jìn)行煤柱形態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。在井下己16.17-2160 風(fēng)巷布置2 組探煤鉆孔，探測(cè)點(diǎn)位置如圖4，煤柱探測(cè)結(jié)果如圖5。

圖4 鉆孔平面布置圖Fig.4 Drilling layout plan

圖5 煤柱探測(cè)結(jié)果Fig.5 Coal pillar detection results

由圖5 可知，原始高度為1.6 m 的煤柱1 和煤柱2 均已失穩(wěn)坍塌。煤柱2 原始位置處2 個(gè)探測(cè)點(diǎn)探得的殘余煤柱高度均為0.59 m，略高于鄰近位置的殘余煤柱高度，煤柱高度最小損失比達(dá)63%。

3 殘余煤柱影響區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 測(cè)試指標(biāo)和測(cè)試方案

1）測(cè)試指標(biāo)。煤層殘余瓦斯含量是受人的活動(dòng)影響效果的重要指標(biāo)，鉆屑量是煤體所處應(yīng)力環(huán)境的有效指標(biāo)，2 個(gè)指標(biāo)測(cè)試過(guò)程操作簡(jiǎn)單、易獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[19-21]。因此將煤層殘余瓦斯含量和鉆屑量作為煤層瓦斯釋放效果和應(yīng)力環(huán)境的表征參數(shù)。

2）測(cè)試方案。己16.17-23160 風(fēng)巷-1 基點(diǎn)以里66.0 m 為測(cè)試工作的起點(diǎn)，每間隔45.0 m 施工1 個(gè)長(zhǎng)度20.0 m，傾角-8.0°的順層鉆孔，共施工6 個(gè)，沿己16.17-23160 風(fēng)巷累計(jì)測(cè)試長(zhǎng)度為225.0 m。每個(gè)鉆孔從第2.0 m 開(kāi)始每間隔1.0 m 取1 次測(cè)試樣品，進(jìn)行煤層殘余瓦斯含量和鉆屑量測(cè)試。

3.2 測(cè)試結(jié)果

煤柱1 的煤柱影響區(qū)內(nèi)，己16.17-23160 風(fēng)巷已完成掘進(jìn)，煤柱影響區(qū)已經(jīng)基本不存在，本次測(cè)試主要考慮煤柱2 的煤柱影響區(qū)瓦斯賦存規(guī)律和應(yīng)力環(huán)境。因己16.17-23160 風(fēng)巷是己16.17-23160 工作面的最淺部位，所以選擇原始瓦斯含量測(cè)試結(jié)果區(qū)間的最小值作為研究范圍的煤層原始瓦斯含量。共計(jì)測(cè)試60 個(gè)殘余煤層瓦斯含量和60 個(gè)鉆屑量，繪制煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果如圖6，鉆屑量測(cè)試結(jié)果如圖7。

圖6 瓦斯含量測(cè)試結(jié)果圖Fig.6 Gas content test result graph

圖7 鉆屑量測(cè)試結(jié)果圖Fig.7 Test result of cuttings amount

由圖6 可知，煤層殘余瓦斯含量測(cè)試結(jié)果中，6個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本一致，總體呈現(xiàn)先上升，后下降的趨勢(shì)，從測(cè)值變化可細(xì)分為3 個(gè)階段。

1）8 m 之前測(cè)值緩慢上升，說(shuō)明煤柱2 在這個(gè)距離內(nèi)的影響較為微弱，巷道的影響向煤柱影響區(qū)擴(kuò)展，煤體瓦斯由于瓦斯梯度的存在向巷道空間主動(dòng)轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的距離越遠(yuǎn)需克服的阻力越大。

2）8～14 m 測(cè)值基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布，是整個(gè)煤層殘余瓦斯含量測(cè)值結(jié)果的峰值區(qū)間，位于己15 煤層遺留煤柱2 的下方，說(shuō)明受上部殘余煤柱應(yīng)力傳遞的影響，瓦斯釋放相對(duì)比鄰近風(fēng)巷和參考保護(hù)區(qū)的煤體更困難。

3）14～16 m 測(cè)值緩慢下降，16 m 處取樣位置已進(jìn)入根據(jù)參考卸壓角劃定的參考保護(hù)區(qū)內(nèi)，保護(hù)區(qū)內(nèi)同一測(cè)點(diǎn)測(cè)值保持基本不變，且處于較低水平，說(shuō)明參考保護(hù)區(qū)內(nèi)有良好的卸壓保護(hù)效果。平均值曲線10～12 m 之間是測(cè)試平均值曲線的峰值區(qū)間，可能有高于現(xiàn)有測(cè)值的煤層殘余瓦斯含量，但根據(jù)10 m 處和12 m 處的及較遠(yuǎn)取樣點(diǎn)的測(cè)值變化規(guī)律，10～12 m 之間存在的較大測(cè)值與10 m 處和12 m 處測(cè)值不會(huì)存在較大變化。瓦斯釋放率曲線由測(cè)試深度2～10 m 不斷降低，12～14 m 瓦斯釋放率升高，15 m 以后瓦斯釋放率基本保持不變，穩(wěn)定在1.90 m3/t左右?？傮w來(lái)說(shuō)，己15 煤層殘余煤柱2 對(duì)己16.17 煤層瓦斯釋放有一定影響，但整個(gè)影響區(qū)內(nèi)測(cè)試的最大殘余瓦斯含量?jī)H為2.63 m3/t，并未形成瓦斯異常高值區(qū)，僅是原始煤柱下方煤柱影響區(qū)中心的瓦斯釋放效果比鄰近區(qū)域稍差一些，瓦斯釋放率仍保持在50%以上，殘余煤柱影響區(qū)的煤層瓦斯同樣得到較好的釋放。

由圖7 可知，鉆屑量變化規(guī)律與殘余瓦斯含量變化規(guī)律相同，且同一測(cè)試深度測(cè)值區(qū)間較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)異常值，說(shuō)明同一取樣深度所處的應(yīng)力環(huán)境基本一致。從己16.17-23160 風(fēng)巷下幫2 m 處煤體鉆屑量測(cè)值至10 m 處測(cè)值一直處于逐步上升的階段，說(shuō)明煤柱影響區(qū)應(yīng)力環(huán)境從己16.17-23160 風(fēng)巷下幫煤壁開(kāi)始至煤柱2 下方應(yīng)力逐漸升高。10～14 m測(cè)值快速下降，說(shuō)明從煤柱2 開(kāi)始至參考保護(hù)區(qū)應(yīng)力逐漸減低。15 m 以后同一測(cè)點(diǎn)測(cè)值基本穩(wěn)定，不同測(cè)點(diǎn)同測(cè)試深度的鉆屑量差異也較小，說(shuō)明理論保護(hù)范圍內(nèi)應(yīng)力環(huán)境基本一致。平均值擬合曲線極值與殘余瓦斯含量極值出現(xiàn)在同一區(qū)間，但不存在突變的可能。整個(gè)取樣測(cè)試范圍內(nèi)，存在測(cè)值的不同程度變化，說(shuō)明殘余煤柱2 對(duì)煤柱影響區(qū)起到了一定的應(yīng)力傳遞作用。但得到的測(cè)值所在區(qū)間為2.2～3.7 kg/m，距離給定的突出危險(xiǎn)臨界值6.0 kg/m 有著較大差距[18]，說(shuō)明殘余煤柱2 在下方的己16.17 煤層煤柱影響區(qū)未形成明顯的應(yīng)力集中。

綜合圖6 和圖7 分析可知，殘余煤柱2 的影響區(qū)己16.17 煤層殘余瓦斯含量與鉆屑量極值點(diǎn)所在區(qū)間一致，說(shuō)明應(yīng)力環(huán)境能夠影響瓦斯的轉(zhuǎn)移和釋放，但由于殘余煤柱對(duì)應(yīng)力的傳遞較弱，煤柱影響區(qū)未形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)、瓦斯釋放率處于較高水平。

4 結(jié) 論

1）己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面和己16.17-23160 風(fēng)巷的采動(dòng)均對(duì)己15-23160 聯(lián)絡(luò)巷下幫遺留煤柱2 壓縮變形位移量有影響，其中影響最為顯著的是己15-23160 工作面，z 負(fù)、x 負(fù)、x 正方向最大累計(jì)位移量分別為0.289、0.055、0.156 m。

2）煤柱2 破壞后最大殘余高度為0.59 m，損失高度1.01 m，損失比達(dá)63%。

3）煤柱2 影響區(qū)殘余瓦斯含量和鉆屑量隨取樣深度呈現(xiàn)先增后降再平穩(wěn)的趨勢(shì)，殘余瓦斯含量和鉆屑量均遠(yuǎn)低于有突出危險(xiǎn)的臨界指標(biāo)，瓦斯釋放率高于50%，煤柱影響區(qū)無(wú)明顯應(yīng)力集中形成且瓦斯釋放效果較好，遺留4 m 煤柱對(duì)被保護(hù)層保護(hù)效果有連續(xù)性。