超遠距離下組煤層超前開采覆巖應(yīng)力及裂隙演化規(guī)律研究

摘要：為探究平煤股份八礦超遠距離下組煤層超前開采對上覆煤巖層的影響，采用相似材料模擬實驗分析超遠距離下組煤層超前開采上覆煤巖層裂隙及應(yīng)力演化規(guī)律，并進行現(xiàn)場驗證。研究結(jié)果表明：超遠距離下組煤層超前開采條件下，隨工作面推進，上覆煤巖層裂隙率呈先上升后平穩(wěn)的趨勢，當工作面從187 m推進至272 m，裂隙發(fā)育最快；超遠距離下組煤層超前開采對上覆煤巖層有卸壓效果，但與常規(guī)情況下相比卸壓滯后距離較大；上覆巖層卸壓比戊組煤層大；通過現(xiàn)場驗證發(fā)現(xiàn)，隨工作面推進，礦壓呈先上升再下降后穩(wěn)定的趨勢，并將工作面區(qū)域分為未干擾區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、卸壓區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。研究結(jié)論可為平煤礦區(qū)遠距離下組煤層超前開采、上組煤層工作面瓦斯防治和采區(qū)工作面采掘部署提供參考。

關(guān)鍵詞：超遠距離；相似材料模擬；應(yīng)力演化；卸壓效果

中圖分類號：TD323 文獻標志碼：A 文章編號：1008-0562（2024）02-0143-07

0 引言

隨著煤炭資源的開采，埋深逐漸增加，出現(xiàn)了超出遠距離煤層群所定義的煤層群，以往適用于遠距離煤層群的上保護層開采卸壓方法不適用于此種情況。而埋深的增加增大了瓦斯治理難度，保護層開采是滲透率改性解決瓦斯突出的有效手段。

鄧兆睿等采用數(shù)值模擬方法研究了近距離煤層群半煤巖上保護層開采卸壓增透效應(yīng)，得出了上保護層工作面開采卸壓機理。王欽明通過現(xiàn)場實驗研究了近距離多煤層保護層回采工作面的瓦斯涌出規(guī)律，提出了立體式瓦斯綜合治理技術(shù)。程國建通過數(shù)值模擬研究了中遠距離上保護層開采被保護層卸壓瓦斯流動滯后的時空規(guī)律，解決了傳統(tǒng)被保護層鉆孔超前保護層采煤工作面施工卸壓抽采存在的問題。李茹等采用COMSOL4.2多物理場數(shù)值模擬軟件對中遠距離下保護層開采瓦斯運移進行了分析，發(fā)現(xiàn)中遠距離條件下保護層開采對被保護層具有卸壓作用。宋衛(wèi)華等運用相似材料模擬方法，研究了平頂山十礦近距離下保護層開采后上覆巖層的移動規(guī)律和己15-16煤層的卸壓效果，認為保護層開采后，己煤層的走向區(qū)域滿足煤層卸壓瓦斯的抽采要求。任中華等開展沿煤層傾向開采的相似模擬實驗，探究了平煤股份八礦多煤層遠距離上保護層重疊開采，認為丁組煤層開采對己組煤層的卸壓保護效果甚微，但留設(shè)煤柱使己組煤層產(chǎn)生附加應(yīng)力。劉鯉粽綜合運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等手段，研究了遠距離下保護層開采上覆巖層卸壓效果及被保護層煤體膨脹變形規(guī)律，結(jié)果表明，卸壓效果隨與工作面垂直距離增加而降低，被保護層膨脹率穩(wěn)定在4‰左右。

以往的研究主要針對中遠距離煤層保護層開采對被保護層的影響，對于超遠距離煤層群下保護層開采的研究較少。平煤股份八礦己組煤層與戊組煤層相距170 m，超出了保護層一般定義的界限，無法直接采用保護層開采理論指導(dǎo)現(xiàn)場實踐。本文以平煤股份八礦為研究對象，通過相似材料模擬實驗探究超遠距離下覆己組煤層超前開采過程上覆戊組煤層的應(yīng)力場及裂隙場的演化規(guī)律，以期為超遠距離煤層群瓦斯治理提供指導(dǎo)。

1 工程概況

平煤股份八礦的主采煤層包括丁5.6、戊9.10、己15和己16-17 4個煤層，煤層間距較遠，平煤股份八礦己組、戊組煤層層間距約為170 m，戊9.10煤層實測最大瓦斯壓力為2.5 MPa，最大瓦斯含量為16 m3/t。目前己15-21030工作面超前于戊9.10-21070工作面回采，兩工作面垂直投影相互交叉。己is-21030工作面推進過程中，上覆戊9.10-21070工作面風(fēng)巷出現(xiàn)變形回縮等現(xiàn)象，表明己組煤層開采對戊組煤層存在一定的影響。戊組煤層布置3個工作面，戊9.10-21030、戊9.10-21050工作面開采已結(jié)束，戊9.io-21070工作面尚未開采，己is-21030工作面處于開采階段，見圖1。

2 超遠距離下組煤層超前開采相似模擬實驗

2.1 模型參數(shù)與材料選取

相似材料模擬實驗臺尺寸為2 850 mmx300 mm×1 650 mm，依據(jù)研究對象的現(xiàn)場工況，根據(jù)相似原理，確定幾何相似比為1：170，根據(jù)幾何相似比與時間相似比之間的關(guān)系確定時間相似比為1：13，容重相似比為1：1.5，最終確定應(yīng)力相似比為1：255。模擬采高為實際生產(chǎn)采高與幾何常數(shù)之比，己15煤層實際厚度為4.4 m，幾何常數(shù)為170，模擬采高為2.6 cm，每日安排兩班生產(chǎn)，一班檢修，確定模型開挖速度為2 cm/次，實際生產(chǎn)每班8h，模擬開采時間間隔為36 min，近似將時間間隔設(shè)為40 min。結(jié)合文獻[12]的數(shù)據(jù)，確定分層數(shù)、分層厚度和配比號，原巖和模型材料力學(xué)參數(shù)見表1。

相似材料模型見圖2。

依據(jù)上覆巖層自重應(yīng)力場，采用應(yīng)力相似常數(shù)折算得到模擬應(yīng)力[13-14]，相當于質(zhì)量為523 kg的模型材料。對超出模型高度的上覆煤巖層采取等效載荷加載方法施加應(yīng)力。模擬材料以石英砂為骨料，以石膏、石灰為黏結(jié)劑，用云母片模擬巖層分層面和節(jié)理裂隙等弱面。

2.2 實驗方案

在兩組煤層之間布置4組應(yīng)力測點，應(yīng)力測點布置見圖3，監(jiān)測點說明見表2。每次模型開挖前后拍攝照片，用于記錄覆巖裂隙演化。

為還原現(xiàn)場采空區(qū)實際情況，在戊9.10-21050工作面開挖完畢的基礎(chǔ)上，待模型穩(wěn)定后，開挖己15-21030工作面。模型己15-21030煤層右側(cè)預(yù)留34 cm煤柱，左側(cè)預(yù)留10 cm煤柱，依據(jù)時間相似比從右向左循環(huán)開采己15-21030工作面，開采總長度為255 cm，實際原型長度為433.5 m。模型開采步距為2 cm，為方便說明實驗結(jié)果，以下均以原型尺寸來描述。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 覆巖裂隙時空演化規(guī)律

根據(jù)己組回采覆巖垮落結(jié)構(gòu)的照片數(shù)據(jù)，通過PCAS軟件對其裂隙演化進行分析。煤層開采覆巖垮落的二值化灰度裂隙見圖4。

統(tǒng)計模型中巖體裂隙的條數(shù)、總長度、平均寬度以及裂隙率，得到裂隙參數(shù)隨工作面推進的變化曲線，見圖5。隨著己組工作面推進，形成的采空區(qū)不斷增大，垮落的覆巖在采區(qū)上方逐漸堆積，上覆巖層裂隙條數(shù)、裂隙總長度和裂隙率3個指標變化趨勢一致，呈上升趨勢，而裂隙平均寬度隨工作面推進呈下降趨勢。當覆巖離層發(fā)育至模型頂部邊界后，覆巖裂隙閉合，裂隙條數(shù)、裂隙總長度和裂隙率3個指標呈平緩趨勢。當工作面從120 m推進至187 m，采動導(dǎo)致裂隙條數(shù)、裂隙總長度和裂隙率緩慢上升，而裂隙平均寬度下降，裂隙以萌生為主。當工作面從187 m推進至300 m，裂隙發(fā)育迅速，裂隙條數(shù)從30增長至171，增長了4.7倍，裂隙總長度增長了3.5倍，裂隙率從9.3×10-3增長至21×10-3，此過程裂隙以貫通和擴張為主。工作面從300 m推進至430 m，裂隙閉合速度與裂隙發(fā)育速度達到平衡，裂隙條數(shù)、裂隙總長度和裂隙率趨于穩(wěn)定，裂隙率穩(wěn)定在21×10-3左右，此過程裂隙主要以閉合、壓實和新裂隙的產(chǎn)生為主。

在整個開采過程中，覆巖裂隙的層位高度逐漸增加，工作面開采至300 m時，裂隙層位擴展至85 m；工作面開采至340 m時，裂隙層位達到極限值129.2 m。裂隙指標的變化表明超遠距離下組煤層開采覆巖裂隙發(fā)育具有極限性，而裂隙層位發(fā)育高度影響上組煤層卸壓效果。

模型測點應(yīng)力變化曲線見圖6。測點A1、A2距開切眼的距離分別為198.9 m、239.7 m。己15-21030工作面未推進至測點A1時，垮落層位未達到A組測點高度，A、B組測點應(yīng)力無大幅度波動，戊組煤層采空區(qū)進一步壓實，應(yīng)力向戊組煤層采空區(qū)偏移，左側(cè)煤柱的測點C1、C2應(yīng)力緩慢下降。工作面推過測點A1，到達測點A2前，覆巖發(fā)生大范圍垮落，己15-21030工作面采空區(qū)上方覆巖下沉，應(yīng)力向工作面一側(cè)集中，測點A3、B2、B3、B4、C4和D組測點應(yīng)力增大。工作面推過測點A2，覆巖再次發(fā)生大范圍垮落，采空區(qū)上方測點應(yīng)力減小，工作面推進至340 m左右應(yīng)力達到最小。工作面繼續(xù)向前推進，垮落覆巖壓實，采空區(qū)上方各測點應(yīng)力增大，垮落覆巖層位向上發(fā)育，工作面前方D組測點和測點B3、B4出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著工作面推進，各測點應(yīng)力依次減小。開采結(jié)束，A組測點所在層位的原始應(yīng)力為20.97 MPa，測點A2、A3分別卸壓31.5%、60.6%，測點A3卸壓滯后21.5 m。B組測點所在層位原始應(yīng)力為19.9 MPa，測點B2、B3、B4穩(wěn)定后分別卸壓40.2%、26.6%、15.0%，B3卸壓滯后距離在30～45 m。

測點C3、C4動態(tài)卸壓，卸壓滯后距離為115～135 m，卸壓過程中應(yīng)力最小值分別為-4.7 MPa、-2.7 MPa。測點D1在工作面開采至421 m時開始卸壓，穩(wěn)定后卸壓12.2%。戊組煤層原始應(yīng)力為16.25 MPa，滯后距離為35～50 m。測點D2、D3、D4、D5在工作面開采結(jié)束后卸壓，穩(wěn)定后分別卸壓4.1%、7.0%、4.g%、12.3%。

結(jié)合覆巖裂隙時空演化規(guī)律的分析，超遠距離下組煤層開采，采高為4.4 m，隨著覆巖層位增高，卸壓效果明顯下降，卸壓滯后距離逐漸增大，超遠距離下組煤層開采，裂隙未能到達上組煤層，上組煤層處于彎曲下沉帶。開采結(jié)束后，D組應(yīng)力除測點D6外都處于卸壓狀態(tài)，平均卸壓為1.46 MPa，卸壓滯后距離為35～50 m。

4 超遠距離煤層開采實測驗證

根據(jù)己15-21030工作面和戊9.10-21070工作面的相對位置，在戊9.10-21070工作面中間低位巷兩幫（距巷道口278 m處）布設(shè)鉆孔安裝應(yīng)力計，分析隨著己15-21030工作面推進戊組煤層區(qū)域礦壓變化情況。應(yīng)力計鉆孔長為6m，鉆孔角為180，采用YHY60礦用本安型鉆孔應(yīng)力計采集數(shù)據(jù)。通過60d的數(shù)據(jù)觀測得到戊9.10煤層應(yīng)力與己15煤層推進距離的關(guān)系，見圖7。由圖7可以看出，現(xiàn)場測點應(yīng)力變化趨勢與相似模擬戊組煤層應(yīng)力變化趨勢一致。與相似模擬相比，現(xiàn)場戊組煤層應(yīng)力更早達到峰值，卸壓區(qū)的范圍大致相同?，F(xiàn)場由于垮落結(jié)構(gòu)的影響，在卸壓區(qū)，測點應(yīng)力出現(xiàn)波動，隨后測點應(yīng)力繼續(xù)減小，最后測點應(yīng)力穩(wěn)定在11.6 MPa。對比應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力27 MPa，應(yīng)力下降了57.0%。卸壓滯后距離為35～40 m，與相似材料模擬結(jié)果中戊組卸壓滯后工作面距離相符，可以證實超遠距離下組煤層開采戊組煤層有卸壓效果。

5 結(jié)論

（1）相似材料模擬超遠距離下組煤層超前開采，采高為4.4 m，工作面推進至340 m，覆巖裂隙停止向上發(fā)育，裂隙層位發(fā)育高度極限為129.2 m。在裂隙層位高度達到極限時，裂隙指標處于穩(wěn)定狀態(tài)，此過程裂隙主要以閉合、壓實和新裂隙的產(chǎn)生為主。

（2）超遠距離下組煤層超前開采對戊組煤層卸壓有一定影響。隨模型層位增大，卸壓滯后距離增大，卸壓效果減弱，戊組煤層壓力下降了12.3%，戊組煤層處的卸壓滯后距離為35～50 m。

（3）經(jīng)現(xiàn)場驗證，超遠距離下組煤層超前開采對戊組煤層卸壓效果有一定提升作用?，F(xiàn)場測點應(yīng)力變化趨勢與相似材料模擬D組測點一致?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，相比于應(yīng)力集中區(qū)，戊組煤層卸壓57.0%，卸壓滯后距離為35～40 m，與相似材料模擬結(jié)果吻合。

基金項目：遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)科創(chuàng)新團隊資助項目（INTU20TD-11）；遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金計劃項目（2021-KF-13-04）；國 家自然科學(xué)基金面上項目（52074143）