表土层厚度对地面瓦斯钻孔稳定性影响研究＊

赵国贞 马占国 龚 鹏 王 坤 蒋众喜

（1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏省徐州市，221116）

表土层厚度对地面瓦斯钻孔稳定性影响研究＊

赵国贞1，2马占国1，2龚 鹏1，2王 坤2蒋众喜2

（1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏省徐州市，221116）

针对淮南矿区煤矿11-2煤层覆岩物理力学特性，利用ANSYS软件中死活单元技术与材料非线性分析方法，模拟在不同表土层厚度下覆岩的水平变形情况，研究表土层厚度对瓦斯抽采钻孔稳定性的影响。研究结果表明，不同表土层厚度下，覆岩水平变形 “O”形圈现象明显，并表现出明显的对称性，Ⅰ测线和Ⅲ测线变形错动明显，呈现趋势对称，梯度差值不对称；Ⅱ测线表土层变形平缓；随表土层厚度增加，覆岩水平位移最大变形位置明显由地表、表土层底部向表土层下部基岩转移，基岩梯度变化区间个数明显减少，梯度差值增大；工作面中部Ⅱ测线位置不容易剪断，但中部的破碎岩体易被压实，后期抽气效率不高。

瓦斯抽采 表土层厚度 覆岩 水平位移 数值模拟 死活单元

煤和瓦斯共采问题是采矿工程中普遍关注的热点问题，如何在保障煤矿安全开采的前提下，对瓦斯进行有效稳定的抽采成为研究的重点。在地面打设瓦斯抽放井是瓦斯抽采的一种行之有效的途径，与此同时，煤矿采动影响下，地面瓦斯钻孔的稳定性直接影响瓦斯抽放的安全性和可靠性，从而影响到矿井的正常生产。煤层群开采条件下，当保护层开采后，被保护层得到卸压，围岩应力状态、围岩结构和瓦斯动力参数发生显著变化，而影响各参数变化和瓦斯抽采钻孔稳定性的主要因素之一便是表土层厚度。表土层厚度的改变，直接影响着围岩应力场和位移场，因此，伴随采深逐渐增加，诸多矿区针对自身地质特征展开了关于影响瓦斯抽采钻孔稳定性的研究。

本文通过ANSYS数值模拟的方法研究了不同表土层厚度下，覆岩水平变形对瓦斯抽采钻孔稳定性的影响，总结表土层厚度变化和瓦斯抽采钻孔变形规律。研究不仅对钻孔打设位置及抽采钻孔参数的确定具有指导作用，而且对煤与瓦斯安全共采具有重要意义。

1 模型建立

研究以淮南矿区煤矿11-2煤层为原型。井田煤系地层被第四系表土层覆盖，表土层厚230～500 m。工作面走向长2801 m，倾斜长250 m，该阶段回风巷标高-790～-680 m，地面标高＋23～＋24 m，煤层厚度1.97～2.99 m，平均2.53 m。结合覆岩的物理力学特性，以煤层综合柱状图为依据，在对网格单元优化的基础上建立力学分析模型，模型中测线布置如图1所示。

图1 模型测线布置图

图1中工作面长度为240 m，模拟工作面正上方表土层厚度为300～500 m，并在模拟过程中设3条测线，分别为距离工作面端头10 m、100 m、198 m处。利用ANSYS软件中死活单元技术、材料非线性分析方法，模拟煤矿开采工作面围岩的应力与变形，分析在不同表土层厚度 （300 m、400 m、500 m）下，覆岩的应力分布特征、破坏场特征及岩层移动规律，研究表土层厚度变化对瓦斯抽采钻孔稳定性的影响。

2 表土层厚度对钻孔稳定性影响

表土层为地表土层，其厚度受地质构造及地形影响严重，内部结构复杂，厚度参差不齐，随着煤炭开采深度增加，表土层厚度对煤矿开采的直接影响为工作面载荷负担，同时其多变的地质构造对钻孔的稳定性也有非常大的影响。

2.1 300 m厚表土层覆岩变形规律

当表土层厚300 m，瓦斯抽放钻孔深度为550 m时，在采动影响下，根据工作面不同推进距离，利用ANSYS软件中死活单元技术研究覆岩水平变形规律。

（1）当采场推进至60 m时，工作面采空区前、后覆岩内部都出现很小的水平变形，滞后影响角约为46°。

（2）当采场推进至100 m时，采空区前、后方覆岩的水平变形范围快速增大；受超前压力影响，工作面前方岩体的水平变形范围较大，但变形量较小。

（3）当采场推进至140 m时，采空区后方覆岩上部表土层变形范围局部快速增大，在切眼偏后约60 m处正上方的表土层内产生了一个变形核区；超前工作面10 m范围内表土层受超前压力影响出现不对称的水平位移。

（4）当采场推进至180 m时，采空区前后方上部基岩部分呈现基本对称的水平变形，边界移动影响角约为45°，采空区中偏后方的表土层出现梯度水平位移。

（5）当采场推进至220 m时，采空区中后方上部表土层内水平位移明显大于工作面上方的表土层，而采空区中后方基岩部分的水平位移却比工作面上方的小，边界移动影响角约为44°。

表土层厚300 m时，3条测线测得覆岩水平位移如图2所示。

图2 表土层厚300 m时覆岩水平位移

由图2可知，当表土层厚300 m时，随着工作面的推进，由于受到剪切力的作用，各测线都产生了一定的水平位移。

2.2 400 m厚表土层覆岩变形规律

当表土层厚400 m，瓦斯抽放钻孔深度为650 m时，在采动影响下，根据工作面不同推进距离，利用ANSYS软件中死活单元技术研究覆岩水平变形规律。

（1）当采场推进至60 m、100 m时，覆岩表现出与300 m表土层相似的特征。

（2）当采场推进至140 m时，切眼偏后方70 m处产生变形核区，但位置滞后300 m厚表土层10 m。

（3）当采场推进至180 m时，采空区前后方上部基岩同样部分呈现出基本对称的水平变形，边界移动影响角稍有增加，约为46°，呈梯度的水平位移仍出现在采空区中后方。

（4）当采场推进至220 m时，采空区中后方60 m处上部表土层的水平位移比工作面上方的大，基岩部分的水平位移呈现出采空区中后方比工作面上方的小的特征，边界移动影响角稳定在46°。

表土层厚400 m时，3条测线测得覆岩水平位移如图3所示。

由图3可知，表土层厚400 m时3条测线整体表现出与表土层厚300 m时不同的变化趋势。

（1）Ⅰ测线水平位移区段错动明显，同样表现出明显的梯度变化，但最大位移出现在表土层下部318 m处，值为37.0 mm，地表处的位移值为27.1 mm，表土层区间内，同样伴随表土层深度增加水平位移呈现低降高升的曲线变形；在表土层下部基岩段和围岩段表现出较表土层厚300 m时更明显的小范围区间性梯度变化，其区间水平位移峰值最大值分别为 （445 m，36.1 mm）、 （508 m，3.0 mm）、（572 m，19.5 mm），谷值最大值分别为 （447 m，-11.4 mm）、（540 m，-3.8 mm），峰值与谷值最大梯度差值为47.5 mm，峰值与谷值较表土层厚300 m时波动明显，增大16.4%。

（2）Ⅱ测线水平位移整体变形平稳，梯度变化较小，表土层内水平位移最大变形出现在地表8.3 mm；基岩内部变形平稳，仅有小范围波动，其区间水平位移峰值最大值分别为 （477 m，1.5 mm）、（541 m，0.7 mm），谷值最大值分别为（445 m，-6.6 mm）、（508 m，-1.8 mm）、（572 m，-8.6 mm），区间内峰值和谷值的最大梯度差值为10.1 mm，较Ⅰ测线减少78.7%。

图3 表土层400 m时覆岩水平位移

（3）Ⅲ测线表现出与Ⅰ测线相对称的梯度变化规律，其最大位移出现在地表下部318 m处，值为37.6 mm，高于Ⅰ测线；在表土层下部基岩段和围岩段表现出小范围的区间性梯度变化，其区间水平位移峰值最大值分别为 （477 m，10.1 mm）、（541 m，4.0 mm），谷值最大值分别为 （445 m，-36.7 mm）、（509 m，-4.5 mm）、（572 m，-19.1 mm），峰值与谷值最大梯度差值为46.8 mm，整条测线的最大差值为47.6 mm。

（4）对比表土层厚300 m时的3条测线，表土层厚400 m时，Ⅰ测线梯度差值明显增大，对瓦斯钻孔的影响更加明显；Ⅱ测线与Ⅲ测线变化并不明显，但表土层厚度的增加导致梯度变化区间减少，小范围内位移变化剧烈，由此可以推断为表土层载荷增大导致瓦斯钻孔在小范围内将承受剧烈冲击，不利于钻孔稳定。

2.3 500 m厚表土层覆岩变形规律

当表土层厚500 m，瓦斯抽放钻孔深度为750 m时，在采动影响下，根据工作面不同推进距离，利用ANSYS软件中死活单元技术研究覆岩水平变形规律。

（1）当采场推进至60 m时，滞后影响角约为40°。

（2）当采场推进至100 m时，切眼偏后约60 m位置便产生了一个变形核区，早于表土层厚300 m、400 m时约40 m。

（3）当采场推进至180 m时，采空区前后方上部基岩部分不再呈现对称的水平变形，边界移动影响角继续增大为55°，采空区中后方的厚表土层出现梯度水平位移。

（4）当采场推进至220 m时，表土层的水平位移表现出采空区中后方40 m处比工作面上方的大，比400 m时提前了20 m；基岩部分的水平位移呈现采空区中偏后方比工作面上方的小，边界移动影响角仍稳定为46°。

表土层厚500 m时，3条测线测得覆岩水平位移如图4所示。

图4 表土层厚500 m时覆岩水平位移

由图4可知，表土层水平位移最大变形位置明显向表土层下部基岩推移，由地表、表土层底部转移到表土层下部基岩，同时，基岩梯度变化区间个数明显减少，梯度差值变化更加剧烈。

（1）Ⅰ测线水平位移区段仍旧表现出明显的梯度变化，但最大位移出现在表土层下部662 m处，位移值为53.4 mm，地表处的位移值为14.8 mm，相比表土层厚300 m时，表土层底部覆岩水平位移明显增大，地表变形明显减小，表土层区间内，同样伴随表土层深度增加水平位移呈现低降高升的曲线变形；在表土层下部基岩段和围岩段表现出较表土层厚400 m时更明显的小范围区间性梯度变化，梯度区间个数明显减少，其区间水平位移峰值最大值为 （662 m，53.4 mm），谷值最大值为（589 m，-30.3 mm），峰值与谷值最大梯度差值为83.7 mm，峰值与谷值较表土层厚300 m时波动明显，增大105.1%。

（2）Ⅱ测线水平位移整体变形平稳，梯度变化较小，表土层内水平位移最大变形出现在表土层底部478.4 m处，值为7.5 mm；基岩内部变形平稳，仅有小范围波动，其区间水平位移峰值最大值为 （589 m，3.3 mm），谷值最大值为 （662 m，-26.2 mm），区间内峰值和谷值的最大梯度差值为29.5 mm，较Ⅰ测线减少64.8%。

（3）Ⅲ测线表现出与Ⅰ测线相对称的梯度变化规律，其最大位移出现在表土层下部基岩662 m处，值为53.0 mm；在表土层下部基岩段和围岩段表现出小范围的区间性梯度变化，其区间水平位移峰值最大值为 （589 m，29.6 mm），谷值最大值为 （662 m，-53.0 mm），峰值与谷值最大梯度差值为82.6 mm，与Ⅰ测线相近。

（4）对比表土层厚300 m、400 m时的3条测线，表土层厚500 m时，受载荷影响，Ⅰ测线梯度差值明显增大，区间个数明显减小，最大水平位移明显向下部基岩转移，对瓦斯钻孔的影响也更加明显。

3 结论

通过模拟不同表土层厚度下覆岩的水平变形情况，得到以下结论：

（1）在不同的表土层厚度下，覆岩水平变形“O”形圈现象明显，并表现出明显的对称性。Ⅰ测线和Ⅲ测线变形错动明显，关于工作面中轴线呈现趋势对称，梯度差值不对称；Ⅱ测线表土层变形平缓，基岩层变化剧烈。

（2）受表土层厚度影响，表土层水平位移最大变形位置明显由地表、表土层底部向表土层下部基岩转移，同时，随表土层厚度增加，基岩梯度变化区间个数明显减少，梯度差值变化更加剧烈。

（3）工作面中部Ⅱ测线位置不容易剪断，但中部的破碎岩体易被压实，后期抽气效率不高；Ⅰ测线和Ⅲ测线水平位移梯度变化明显，覆岩剧烈变动，瓦斯抽放钻孔易被剪断或拉断，Ⅰ测线位于“O”形圈的外边缘，相对稳定、变形梯度较Ⅲ测线小；从长远来看，钻孔位置适宜打在工作面边缘Ⅰ测线位置。

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On impact of thickness of topsoil on stability of ground gas drilling

Zhao Guozhen1，2，Ma Zhanguo1，2，Gong Peng1，2，Wang Kun2，Jiang Zhongxi2
（1.State Key Laboratory for Geomechanics ＆ Deep Underground Engineering，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.School of Mechanics ＆Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Based on the physical and mechanical properties of overlying strata of 11-2 coal seam located in Huainan mining area，the paper researches the impact of the thickness of topsoil on stability of gas drainage boreholes.It uses the birth-death element technology of ANSYS software and the material nonlinear analysis methods to simulate the horizontal deformation of overlying strata with different thickness of topsoil.The results show that O-ring phenomenon of overlying strata is obvious and the horizontal deformation presents obvious symmetry with different thickness of topsoil；ⅠandⅢsurvey lines show the tendency symmetry and gradient difference asymmetry with evident dislocation deformation；however，deformation of topsoil ofⅡsurvey line is gentle；with the increases of topsoil thickness，the maximum horizontal displacement deformation position of overlying strata transfers to the bedrock from the surface and the bottom of topsoil，and the number of gradient interval significantly decreases and gradient difference increases；the position ofⅡsurvey line in middle part of working face is not easy to cut，but the broken rock is easily compacted，so the gas post-extraction is not efficient.

gas drainage，thickness of topsoil，overlying strata，horizontal displacement，numerical simulation，birth-death element

TD325 TD712

A

国家自然科学基金项目 （51074163），国家自然科学基金重点项目 （50834005），江苏省自然科学基金 （BK2009092），中央高校基本科研业务费专项资金资助（2012LWB66），江苏省研究生培养创新工程 （CXZZ12＿0923）

赵国贞 （1985-），男，山东泰安人，博士，从事采动岩体力学与围岩控制理论方面的科研工作。

（责任编辑 张毅玲）