远距离下保护层开采上覆被保护层卸压效应研究

杨润全

（国投新集能源股份有限公司，安徽省淮南市，232001）

远距离下保护层开采上覆被保护层卸压效应研究

杨润全

（国投新集能源股份有限公司，安徽省淮南市，232001）

利用FLAC3D数值模拟软件对淮南矿区新集一矿远距离下保护层回采时上覆被保护层应力分布和膨胀变形规律进行了研究。结果表明，下保护层回采后可使远距离被保护层得到充分卸压，通过卸压应力反算出卸压保护角为60～64.5°，被保护层膨胀变形量最大为26.82 mm，此时膨胀变形率为5.96‰，膨胀变形为抽采被保护层瓦斯创造了条件。

远程下保护层开采 被保护层 膨胀变形率 应力分布 卸压效应

保护层开采的目的是使被保护煤层得到充分卸压，释放煤层中的弹性能，增大煤层透气性能，以便于被保护煤层瓦斯解吸和流动，从而降低突出煤层瓦斯内能，宏观表现为瓦斯压力下降。所以远距离保护层回采后岩层移动卸压将是人工抽放被保护层瓦斯的重点。本文以FLAC3D数值模拟为研究方法，对远距离下保护层开采过程中上覆被保护层通过卸压效应消除煤与瓦斯突出进行研究。

1 工程地质条件

淮南矿区新集一矿B11煤层1115（1）工作面倾斜长220 m，走向长2596.3 m，标高－765.8～－656.2 m，B11煤层平均厚度2.59 m，瓦斯含量为3～6 m3/t，倾角平均5°，工作面瓦斯相对和绝对涌出量分别为5.5 m3/t、8.2 m3/min，瓦斯放散初速度Δp＝3～6 mm Hg，煤的坚固性系数f＝0.51～0.72，属于低瓦斯煤层。C13煤层平均厚度4.5 m，实测瓦斯压力2.6 MPa，瓦斯放散初速度Δp＝3～5 mm Hg，煤的坚固性系数f＝0.5～0.68，属于强突出危险性煤层。B11煤层上距C13煤层70～84 m，属远距离下保护层开采。

2 数值模型的建立与结果分析

2.1 数值模型

采用FLAC3D数值模拟软件对下保护层开采过程中的围岩应力分布特征和被保护层膨胀变形规律进行模拟研究。模型整个计算区域范围为400 m×400 m×160 m，共划分为64000个单元和69741个节点。利用分步开挖的方式分别对下保护层1115（1）工作面回采至50 m、100 m、150 m和200 m时的被保护层膨胀移动规律和上覆煤岩体的应力分布特征进行研究。

计算模型采用位移边界条件，底部边界采用约束竖向位移，上部边界采用自由边界，前后左右边界采用水平位移约束。

2.2 计算结果分析

2.2.1 保护层回采过程中上覆煤岩体应力演化规律

根据计算结果，下保护层B11煤层1115（1）工作面推至50 m、100 m、150 m及200 m时，上覆围岩应力分布情况如下：

（1）保护层工作面推至50 m时，最大应力值在工作面煤壁前方和切眼后方附近煤体，为30 MPa。此时被保护的C13煤层受采动影响程度较小，卸压不明显，说明保护层卸压未全部扩展到C13煤层所在位置。

（2）保护层工作面回采至100 m时，在采空区上部一定区域形成基本对称的应力降低区，在垂直方向以50～70°向上覆煤岩体发展。在保护层工作面切眼后方和工作面煤壁前方上部的C13煤受采动影响形成一定的应力集中，出现了应力升高和降低区。

（3）随着保护层工作面推进长度的增加，卸压范围逐渐增大，卸压高度也在继续增大，被保护C13煤层取得显著的卸压效果。随着采空区逐渐被压实，被保护层卸压后应力呈现明显的“马鞍形”分布。工作面切眼后方和工作面煤壁前方最大集中应力趋于稳定，基本在36.7 MPa左右。C13煤层的对应位置处也出现了较明显的应力集中，最大值为24 MPa，是原岩应力的1.6倍。

图1 C13煤层应力随1115（1）工作面推进分布特征

为了更加深入地研究保护层工作面推进至不同距离时，被保护煤层应力分布特征，在工作面推进过程中监测了被保护C13煤层的应力数据，如图1所示。

（1）保护层工作面推至50 m时，与采空区对应C13煤层在50 m范围内应力在11.8～12.6 MPa。此时被保护层应力降低和集中都不明显，卸压效果不显著。

（2）1115（1）工作面推进至100 m时，对应的C13煤层在100 m范围内应力值在8.22～11.8 MPa，其中切眼前方30～70 m范围应力值在8.22～9.12之间，充分说明保护层工作面开采致使被保护层卸压效果逐渐显著。此时相应位置被保护层应力集中现象不明显。

（3）保护层工作面推至200 m时，切眼前方65 m范围内被保护层应力值在6.61～8.68 MPa之间。同时切眼前方65～130 m范围采空区被重新压实的缘故，应力有所恢复（小于13.7 MPa原岩应力），但其仍保持较高的卸压程度。切眼前方130～200 m范围内应力值在6.6～7.85 MPa，此时被保护层已经充分卸压。另外还可以看出，在工作面切眼前方40 m和160 m处卸压程度达到最大，沿工作面走向有效的卸压距离为120 m。根据地质条件可反算出卸压保护角为60～64.5°。

2.2.2 被保护层位移演化规律

为了研究保护层1115（1）工作面推至50 m、100 m、150 m、200 m时上覆煤岩层围岩移动变形规律。在工作面推进过程中分别提取C13煤层上、下部边缘的变形数据，处理后得出C13煤层膨胀变形如图2所示（正值说明发生膨胀变形，负值说明受压缩）。

图2 被保护层膨胀变形量随保护层工作面推进变化规律

（1）保护层工作面推至50 m时，被保护煤层变形受采动影响较小，膨胀变形量较小，最大值仅为2.80 mm，相对厚度为4.5 m的C13煤膨胀变形率为0.62‰。

（2）随着工作面推进至100 m时，被保护C13煤层膨胀变形量逐渐增大，最大值为22.65 mm，膨胀变形率为5‰；随着工作面的继续推进，被保护层膨胀变形率也逐渐增大，推至150 m时，最大膨胀变形为26.82 mm，膨胀变形率为5.96‰。

（3）工作面推过150 m以后，后方采空区围岩逐渐恢复至接近原岩应力，使得被保护层膨胀变形曲线呈两头高中间低的马鞍形，中间区域其膨胀变形趋于稳定，如工作面切眼前方55～150 m范围内膨胀变形量保持在16.8～24 mm范围。当工作面推至200 m时，被保护的C13煤的最大膨胀点在工作面切眼前方55 m和150 m处，最大膨胀量分别为24.3 mm和24.9 mm，其膨胀变形率分别为5.4‰和5.53‰。可以看出B11保护层开采后使被保护C13煤层得到卸压，释放了煤层的弹性能，增强了煤层透气性，便于被保护煤层瓦斯解吸和流动，从而降低突出煤层瓦斯内能，因属于远距离保护层，应配合人工抽放被保护层瓦斯，将瓦斯压力、含量降至安全范围，这样才能最大限度地消除煤与瓦斯突出危险性。

3 工程实例

保护层开采后，被保护层的应力变形状态、煤结构和瓦斯动力参数发生显著变化，从发生变化的时间、空间看，卸压作用最先出现，近距离保护层开采卸压过程甚至在保护层工作面前方10～20 m处开始，中远距离一般在工作面后方，当膨胀变形速度加快时，瓦斯动力参数才发生显著变化。

在层间距离较远、中间有坚硬岩层的情况下，突出煤层卸压，被保护煤层透气性增加，保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采可以强化防突效果，且瓦斯抽、排作用效果是不可逆的。

在上述的工程条件下，采取先开采下部瓦斯含量低的B11煤层，以保护上覆C13煤层。同时，在保护层工作面回采的过程中，工作面采用Y型通风方式，并结合上向钻孔的综合瓦斯治理措施，另外，还对卸压后的残余瓦斯压力、煤层变形量等进行了研究。

（1）瓦斯压力。实际测定被保护C13煤层原始瓦斯压力为2.6 MPa，随着保护层工作面的回采，测压钻孔瓦斯压力逐渐降低，岩层稳定后测压钻孔测得残余瓦斯压力最大为0.45 MPa。

（2）被保护煤层透气性系数。采动影响前被保护层C13煤层透气性系数为0.03625 m2/（MPa2·d）；保护层工作面回采后，C13煤层透气性系数增长为51.0235 m2/（MPa2·d），增加了1407倍。

（3）被保护煤层变形量。经现场考察，受到远距离保护层工作面采动的影响，C13煤层膨胀变形量最大值为85 mm，且长时间维持不变，这为长期抽采被保护层瓦斯提供充足时间。

4 结论

（1）保护层工作面推进距离较短时，远距离的被保护层受采动影响小，卸压不明显；推进距离增大至200 m时，工作面切眼前方40 m和160 m处卸压程度达到最大，有效的卸压区域沿工作面走向距离为120 m，反算出卸压保护角为60～64.5°。

（2）随着保护层工作面推进，被保护煤层膨胀变形量逐渐增大，推至200 m时膨胀变形曲线呈马鞍形，工作面切眼前方55～150 m范围内膨胀变形量保持在16.8～24 mm之间。

（3）保护层工作面回采后，被保护层透气性系数增加了1407倍，被保护层得到了有效卸压，最终实现突出危险工作面的安全回采。

［1］ 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2005

［2］ 袁亮.低透气性煤层群瓦斯抽采理论与技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2004

［3］ 杨威.保护层卸压开采时空演化规律的数值模拟［J］.煤矿安全，2011（5）

［4］ 涂敏，缪协兴，黄乃斌.远程下保护层开采被保护煤层变形规律研究［J］.采矿与安全工程学报，2006（3）

［5］ 石必明，俞启香，周世宁.保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟［J］.中国矿业大学学报，2004（3）

［6］ 熊祖强，王文，李化敏.远程保护层开采上覆煤岩层移动规律［J］.中国煤炭，2009（7）

［7］ 郭锋，郝天轩.远程下保护层开采被保护层防突技术研究［J］.中国煤炭，2012（8）

On overlying protected layer pressure relief effectiveness during remote protective layer mining

Yang Runquan
（SDIC Xinji Energy Co.，Ltd.，Huainan，Anhui 232001，China）

The FLAC3D numerical simulation software is used to study the stress distribution and expansion deformation law of the overlying protected layer during the remote lower protective layer mining in some coal mine of Huainan Colliery.The results show that，the remote protected layer can fully relieve pressure after the lower protective layer mining；with the relief stress，it is inverse－calculated out that the relief protection angle is 60 to 64.5°；the maximum amount of expansion deformation of the protected layer is 26.82mm，with the expansion deformation rate of 5.96‰，and the expansion deformation creates conditions for gas extraction in the protected layer.

remote lower protective layer mining，protected layer，expansion deformation rate，stress distribution，relief effectiveness

TD323

A

杨润全（1959－），男，陕西人，大学本科，从事煤矿技术管理工作，现任新集公司技术咨询委员会副主任兼设计院院长。

（责任编辑 张毅玲）