保護(hù)層原位充填開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)研究

李貴和，汪義龍，崔鵬飛，陳存強(qiáng)，顧雷雨，楊 簡(jiǎn)，李繼升

(1.華能云南滇東能源有限責(zé)任公司，云南 曲靖 655000；2.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

保護(hù)層開(kāi)采旨在通過(guò)開(kāi)采保護(hù)層降低被保護(hù)層瓦斯含量，《煤礦安全規(guī)程》指出應(yīng)當(dāng)將保護(hù)層開(kāi)采作為優(yōu)先采用的瓦斯治理措施應(yīng)用于煤層群開(kāi)采下的瓦斯突出防治過(guò)程[1，2]。該技術(shù)現(xiàn)已在多種地質(zhì)條件得到了廣泛運(yùn)用。近年來(lái)，學(xué)者對(duì)保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行廣泛的研究，劉彥偉等[3]采用層分析法對(duì)保護(hù)層開(kāi)采效果可靠性進(jìn)行了研究分析；齊慶新等[4，5]分析了保護(hù)層巖性、底板裂隙對(duì)被保護(hù)層瓦斯抽采影響，薛東杰等[6-11]進(jìn)一步分析被保護(hù)層瓦斯卸壓增透機(jī)理。

保護(hù)層原位充填開(kāi)采旨在通過(guò)對(duì)開(kāi)采后保護(hù)層進(jìn)行部分回填，控制其頂?shù)装辶严栋l(fā)育深度，使其達(dá)到最佳貫通卸壓效果。其中，固體充填又兼具高效處理井下矸石等固廢的特點(diǎn)，是保護(hù)層原位充填開(kāi)采的另一大優(yōu)勢(shì)。在該領(lǐng)域，張吉雄等[12-14]率先提出了采選充抽集成型煤與瓦斯綠色共采技術(shù)，解決矸石處理問(wèn)題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采，并在平煤十二礦進(jìn)行工程運(yùn)用；閆浩等[15]兼顧瓦斯抽放效果千米深井矸石處理難題，研究了保護(hù)層充填開(kāi)采充實(shí)率設(shè)計(jì)方法及流程。

在上述研究基礎(chǔ)上，主要以白龍山煤礦保護(hù)層開(kāi)采為工程背景，依據(jù)地質(zhì)條件對(duì)保護(hù)層與被保護(hù)層層位進(jìn)行設(shè)計(jì)，理論研究其上保護(hù)層全部開(kāi)采的底板裂隙發(fā)育情況，確定最小采厚及等效采高，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證被保護(hù)層卸壓效果，形成一套完整的適用于近距離煤層群瓦斯卸壓?jiǎn)栴}的保護(hù)層原位充填開(kāi)采理論研究方法。該技術(shù)方案的形成與推廣運(yùn)用既可實(shí)現(xiàn)白龍山煤礦煤層群間的高效增透卸壓，又可大幅度降低矸石處理經(jīng)濟(jì)成本，促進(jìn)保護(hù)層原位充填技術(shù)發(fā)展，豐富采選充抽技術(shù)理論體系。

1 保護(hù)層原位充填開(kāi)采原理及設(shè)計(jì)流程

1.1 保護(hù)層原位充填開(kāi)采原理

保護(hù)層工作面開(kāi)采后，采空區(qū)的底板巖體中產(chǎn)生支承壓力，當(dāng)支承壓力作用區(qū)域的巖體所承受的應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)，巖體將產(chǎn)生塑性變形，這部分巖體在垂直方向上受壓縮，在水平方向上必然會(huì)發(fā)生膨脹，造成采空區(qū)內(nèi)底板巖體的底鼓現(xiàn)象，隨著層間距的增加，縱向上依次出現(xiàn)底鼓裂隙帶與底鼓變形帶，為被保護(hù)層的卸壓增透及瓦斯抽采提供先決條件，被保護(hù)層卸壓變形原理如圖1所示。

圖1 被保護(hù)層卸壓變形

隨著底鼓裂隙帶及變形帶的形成與發(fā)展，被保護(hù)層內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力重新發(fā)布，發(fā)生膨脹變形，其內(nèi)瓦斯動(dòng)力參數(shù)發(fā)生顯著變化，透氣性明顯增大，使得被保護(hù)層瓦斯從吸附狀態(tài)大量解析為游離狀態(tài)，被保護(hù)層出現(xiàn)卸壓增透。被保護(hù)層卸壓增透原理如圖2所示。本文所研究的近距離煤層群保護(hù)層原位充填開(kāi)采方法以保護(hù)層開(kāi)采解放被保護(hù)層為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用原位充填開(kāi)采新技術(shù)，旨在減小底板應(yīng)力集中程度，控制底鼓裂隙帶的發(fā)育深度，改進(jìn)原保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)中卸壓范圍可控性差、卸壓效果不穩(wěn)定等問(wèn)題，同時(shí)防止被保護(hù)層卸壓瓦斯涌入保護(hù)層內(nèi)。

圖2 被保護(hù)層卸壓增透原理

1.2 保護(hù)層原位充填開(kāi)采設(shè)計(jì)流程

保護(hù)層原位充填開(kāi)采設(shè)計(jì)首先應(yīng)綜合考慮采厚與層間距等影響因素，確定保護(hù)層及被保護(hù)層層位；結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，理論分析保護(hù)層開(kāi)采后頂?shù)装辶严栋l(fā)育深度；綜合考慮層位關(guān)系及卸壓效果，分析最小采高，反算回填高度，確定保護(hù)層最優(yōu)開(kāi)采及充填厚度；最終通過(guò)數(shù)值模擬等方法，對(duì)被保護(hù)層卸壓效果、膨脹率、底板裂隙破壞深度等指標(biāo)進(jìn)行模擬監(jiān)測(cè)，綜合評(píng)價(jià)保護(hù)層原位充填開(kāi)采效果。本文基于白龍山煤礦保護(hù)層原位充填中矸石處理的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)時(shí)在不影響被保護(hù)層卸壓增透效果基礎(chǔ)下，盡量保證較大的矸石充填空間。

2 原位充填保護(hù)層層位及生產(chǎn)設(shè)計(jì)

2.1 煤礦瓦斯治理需求

白龍山煤礦礦井井田在160m深度范圍內(nèi)共有C2、C3、C7+8、C9等11層可采及部分可采煤層，屬于緩傾斜近距離煤層群。同時(shí)井田內(nèi)多層煤瓦斯含量高、壓力大，具有瓦斯突出危險(xiǎn)性。其中C2煤層已發(fā)生煤與瓦斯突出；C3煤層平均瓦斯含量為12.91m3/t，實(shí)測(cè)瓦斯壓力達(dá)1.24MPa；C7+8煤層平均瓦斯含量為14.78m3/t，實(shí)測(cè)瓦斯壓力達(dá)1.57MPa。

為解決該礦近距離煤層群瓦斯卸壓防治問(wèn)題，解放被保護(hù)層瓦斯的同時(shí)，避免被保護(hù)層瓦斯涌入保護(hù)層內(nèi)，威脅工作面安全生產(chǎn)，決定采用保護(hù)層原位充填開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行近距離煤層群瓦斯綜合治理。

2.2 保護(hù)層層位設(shè)計(jì)原則

由于不同保護(hù)層層位的選擇與設(shè)計(jì)決定保護(hù)層開(kāi)采后其周?chē)簬r體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)狀態(tài)，直接影響被保護(hù)層的卸壓膨脹效果，故保護(hù)層層位的選擇與設(shè)計(jì)是保護(hù)層開(kāi)采成功與否的關(guān)鍵。保護(hù)層層位的設(shè)計(jì)需考慮煤層厚度、瓦斯含量和煤層間距等影響。保護(hù)層層位選擇應(yīng)優(yōu)先考慮上保護(hù)層開(kāi)采，無(wú)其他約束條件并保證不破壞被保護(hù)層開(kāi)采條件的前提下，也可選擇下保護(hù)層開(kāi)采。保護(hù)層與被保護(hù)層間需保留足夠的厚度以實(shí)現(xiàn)卸壓瓦斯的最佳效果，同時(shí)避免瓦斯大量涌入上保護(hù)層采空區(qū)內(nèi)。

2.3 保護(hù)層層位設(shè)計(jì)

綜合考慮白龍山煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件，遵守保護(hù)層層位設(shè)計(jì)原則，確定將已進(jìn)行人工卸壓的C2煤層作為保護(hù)層，進(jìn)行原位充填開(kāi)采設(shè)計(jì)，研究分析其對(duì)下部C3煤層的增透卸壓效果。依秩下推，采用保護(hù)層原位充填開(kāi)采實(shí)現(xiàn)近距離煤層群的逐層保護(hù)。部分煤層柱狀圖及地質(zhì)參數(shù)如圖3所示。

圖3 部分煤層頂?shù)装迩闆r及地質(zhì)參數(shù)

2.4 保護(hù)層生產(chǎn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)首采區(qū)內(nèi)1010201工作面對(duì)C2保護(hù)層進(jìn)行試采，煤層平均厚度1.68m，煤層平均傾角15°，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度160m，采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落法管理頂板。保護(hù)層工作面生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 保護(hù)層工作面生產(chǎn)系統(tǒng)

3 保護(hù)層原位充填關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 底板破壞深度計(jì)算

保護(hù)層開(kāi)采后，工作面前端底板巖體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)其增大至超過(guò)巖體極限強(qiáng)度時(shí)，底板巖體開(kāi)裂，發(fā)生塑性變形破壞，但其縱向受到壓縮，變形受限，故沿橫向發(fā)生膨脹變形。橫向膨脹的底板巖體向內(nèi)擠壓過(guò)渡區(qū)和被動(dòng)區(qū)巖體，將應(yīng)力傳遞至該區(qū)域，該區(qū)域頂部為采空區(qū)垮落巖體及部分充填體，應(yīng)力較小，故采空區(qū)底板巖體在縱向發(fā)生膨脹變形，產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。底板塑性破壞范圍理論分析如圖5所示。

圖5 底板塑性破壞范圍

采空區(qū)內(nèi)底板巖體沿水平方向的最大破壞長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其底板巖體產(chǎn)生了不同程度的塑性破壞。底板巖體最大塑性破壞深度計(jì)算公式如下[16，17]：

(1)

式中，hmax為底板巖體最大塑性破壞深度，m；φ0為底板巖體內(nèi)摩擦角，取40°；x0為開(kāi)采工作面前方煤壁屈服寬度，取8.5m。

將上述白龍山煤礦首采面地質(zhì)參數(shù)帶入圖5及式(1)中可得底板巖體最大塑性破壞深度為19.98m，大于C2與C3之間煤層間距16.68m。C2煤厚1.68m，若全采不充填，將導(dǎo)致下部被保護(hù)煤層開(kāi)采時(shí)其頂?shù)装迤扑?，且影響本層保護(hù)層的安全開(kāi)采，需根據(jù)底板發(fā)育深度合理設(shè)計(jì)充填量。

3.2 保護(hù)層原位充填厚度設(shè)計(jì)

基于上述保護(hù)層開(kāi)采底板破壞深度計(jì)算模型，可得出工作面長(zhǎng)度分別為160m與235m時(shí)，不同保護(hù)層等價(jià)采高條件與底板巖體最大塑性破壞深度關(guān)系如圖6所示。

圖6 C2煤層采高與底板破壞深度關(guān)系

根據(jù)白龍山煤礦實(shí)際層位條件中保護(hù)層與被保護(hù)層間距，設(shè)計(jì)C2保護(hù)層等價(jià)開(kāi)采高度。如圖所示，C2與C3煤層間距16.37m，得出該條件下C2保護(hù)層首采面(工作面長(zhǎng)度為160m)等價(jià)最小采厚為1.36m，小于C2保護(hù)層煤層厚度1.68m，此條件下存在充填空間。在C2煤層充分開(kāi)采條件下，對(duì)充填高度進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)平均充填高度為0.32m左右即可。由于充填厚度較薄，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可通過(guò)調(diào)控矸石等固廢破碎粒徑來(lái)滿足工程需求。

3.3 保護(hù)層充填矸石量核算

對(duì)白龍山煤礦101采區(qū)工作面出矸量和1010201工作面最大回填矸石量進(jìn)行匯總估算，比較保護(hù)層原位充填工作面矸石供需關(guān)系。

近兩年中，101采區(qū)工作面出矸量約為10.8萬(wàn)t?；谇捌?010201工作面平均充填高度的計(jì)算，可合計(jì)得出1010201工作面最大矸石回填量為3.6萬(wàn)t，具體參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)比可知，井下產(chǎn)出矸石可滿足1010201工作面的矸石回填需求，后期101采區(qū)仍需對(duì)1010203、1010205等工作面進(jìn)行保護(hù)層原位充填開(kāi)采，消耗井下矸石，可實(shí)現(xiàn)井下矸石不升井充填。

4 保護(hù)層原位充填瓦斯解放效果分析

基于白龍山煤礦的具體地質(zhì)參數(shù)，借助FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)被保護(hù)層底板裂隙破壞深度、卸壓效果、膨脹率等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，綜合評(píng)價(jià)保護(hù)層原位充填開(kāi)采效果。

4.1 保護(hù)層底板巖層破壞效果

對(duì)保護(hù)層工作面不同推進(jìn)距離進(jìn)行模擬，保護(hù)層工作面不同推進(jìn)距離時(shí)保護(hù)層底板破壞深度及被保護(hù)層塑性區(qū)如圖7所示。

圖7 底板破壞深度及塑性區(qū)分布

根據(jù)模擬結(jié)果，分析其底板破壞深度及最大垂直位移隨工作面推進(jìn)距離的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 底板破壞深度及最大垂直位移隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

由圖8可知：①保護(hù)層C2工作面等價(jià)采高1.32m，與被保護(hù)層C3間距為16.37m時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，底板底鼓呈現(xiàn)出緩慢變形、劇烈變形、緩慢變形的變化規(guī)律；②隨工作面的推進(jìn)，被保護(hù)層最大垂直位移由8mm逐漸增大，當(dāng)工作面推進(jìn)了250m時(shí)，其最大垂直位移約為18mm，隨后穩(wěn)定在19mm左右；③底板破壞深度隨工作面推進(jìn)呈逐步上升趨勢(shì)，并且推進(jìn)前期變化快，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，后續(xù)底板破碎深度基本穩(wěn)定在17.5m左右。

4.2 采場(chǎng)卸壓效果

對(duì)保護(hù)層工作面不同推進(jìn)距離進(jìn)行模擬，被保護(hù)層垂直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離的變化如圖9所示。

圖9 被保護(hù)層垂直應(yīng)力分布

分析模擬結(jié)果，得到保護(hù)層工作面不同推進(jìn)距離下，被保護(hù)層不同位置應(yīng)力變化曲線及其被保護(hù)層應(yīng)力變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 被保護(hù)層應(yīng)力變化曲線

分析圖10可知：①保護(hù)層工作面由開(kāi)切眼處開(kāi)始推進(jìn)，開(kāi)采后，工作面開(kāi)切眼處和工作面推進(jìn)前方將同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，此時(shí)底板巖體承受兩應(yīng)力集中的共同作用，隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，兩應(yīng)力集中區(qū)距離增大，共同作用不斷減弱；②保護(hù)層工作面持續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)頂板懸露面積不斷擴(kuò)大，工作面推進(jìn)前端的應(yīng)力集中程度加劇，后趨于常數(shù)，應(yīng)力集中區(qū)的范圍不斷向頂?shù)装迳钐幯由欤貏e是沿底板擴(kuò)展，造成底板巖體產(chǎn)生裂隙，發(fā)生塑性破壞；③保護(hù)層工作面持續(xù)推進(jìn)，對(duì)應(yīng)被保護(hù)層工作面前下方的垂直應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)同樣先加大，后趨于定值。

4.3 被保護(hù)層膨脹增透效果

保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中，被保護(hù)層原巖應(yīng)力持續(xù)降低，并伴隨出現(xiàn)裂隙發(fā)育及膨脹變形，促使被保護(hù)層中的瓦斯形成解吸—擴(kuò)散—滲流的變化過(guò)程。其中，被保護(hù)層卸壓區(qū)的膨脹變形量和應(yīng)力釋放率決定著卸壓煤巖體增透效果。在被保護(hù)層C3的頂、底板的法線方向上，工作面沿走向中部剖面垂直應(yīng)力變化布置測(cè)點(diǎn)，每間隔5m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)在保護(hù)層開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程中的位移及應(yīng)力變化情況，并計(jì)算保護(hù)層開(kāi)采前后被保護(hù)層沿法線方向上的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離和應(yīng)力變化量，以此表征被保護(hù)層的膨脹率及應(yīng)力釋放率的變化情況，如圖11、圖12所示。

圖11 被保護(hù)層膨脹變形率變化曲線

圖12 被保護(hù)層應(yīng)力卸壓率變化曲線

依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，膨脹變形量一般按指數(shù)形式的規(guī)律變化，被保護(hù)層膨脹變形率大于0.3%，說(shuō)明開(kāi)采保護(hù)層有效。

分析圖11、圖12可知：①保護(hù)層工作面開(kāi)采及不斷推進(jìn)促使被保護(hù)層卸壓區(qū)域發(fā)生膨脹變形，推進(jìn)50m時(shí)仍未充分變形。當(dāng)工作面進(jìn)一步推進(jìn)，被保護(hù)層軸向膨脹變形率不斷加大，達(dá)到0.3%，并隨著開(kāi)采推進(jìn)，被保護(hù)層膨脹進(jìn)一步加劇，被保護(hù)層瓦斯充分釋放；②從被保護(hù)層應(yīng)力釋放率變化曲線可看出，隨工作面推進(jìn)，被保護(hù)層工作面應(yīng)力發(fā)生釋放，減小后再增加，被保護(hù)層應(yīng)力釋放率達(dá)86%，即該開(kāi)采厚度條件下，被保護(hù)層應(yīng)力得到充分釋放；綜上所述，針對(duì)白龍山煤礦具體地質(zhì)條件，以C2為保護(hù)層進(jìn)行開(kāi)采，可使C3被保護(hù)層內(nèi)吸附瓦斯解放，達(dá)到最佳卸壓增放效果。

5 結(jié) 論

1)針對(duì)白龍山煤礦工程概況，闡述了保護(hù)層原位充填針對(duì)近距離煤層群瓦斯卸壓開(kāi)采的原理及適應(yīng)性，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了保護(hù)層原位充填開(kāi)采設(shè)計(jì)流程。

2)結(jié)合白龍山煤礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，遵循保護(hù)層層位設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)首采面主采C2煤層為保護(hù)層，其下部C3煤層為被保護(hù)層，并對(duì)保護(hù)層生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3)理論研究其上保護(hù)層全部開(kāi)采的底板裂隙發(fā)育情況，確定最小采厚及等效采高，得到白龍山煤礦保護(hù)層原位充填開(kāi)采技術(shù)中關(guān)鍵參數(shù)的初步設(shè)計(jì)結(jié)果，通過(guò)數(shù)值模擬及工程實(shí)踐驗(yàn)證被保護(hù)層卸壓效果。

4)以C2保護(hù)層開(kāi)采解放C3被保護(hù)層為例進(jìn)行研究，形成一套完整的適用于近距離煤層群瓦斯卸壓?jiǎn)栴}的保護(hù)層原位充填開(kāi)采方法，為實(shí)現(xiàn)煤層群逐層卸壓奠定基礎(chǔ)。