远距离下保护层开采保护范围扩界研究

2014-01-15孙金华郭厚洋

华北科技学院学报 2014年1期

余陶，卢平，孙金华，郭厚洋

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥 230026；2. 安徽建筑大学安全工程系，安徽合肥 230022)

0 引言

长期实践证明开采保护层是十分有效的区域性防突措施，保护范围的合理划定对矿井安全高效生产具有重要意义[1]。目前，防突规定沿用的前苏联的卸压角数据较为保守，确定的有效保护范围与矿井实际沉降区域有一定出入，保护范围存在扩界的空间[2]。保护层开采的相关研究主要集中在保护效果指标考察，所确定的保护范围与防突规定相比变化不大，所用的考察方法须施工岩巷和较多的穿层钻孔，且考察结果易受环境影响误差较大，不利于确定真实的保护范围[3-5]。本文针对张集煤矿远距离下保护层开采，设计被保护层煤巷考察扩界范围，并监测巷高变化，综合确定有效保护范围。

1 试验区概况

试验地点位于东二11-2采区1311(1)工作面，工作面走向长约890 m，倾斜长约240 m，11-2煤层厚度0.4～4.3 m，平均2.82 m。煤层倾角3°～8°，平均5°。上覆13-1煤层厚度2.1～5.58 m，平均3.9 m。煤层倾角2°～7°，平均4°，与11-2煤层平均间距86.5 m，如图1所示。

图1 11-2煤与13-1煤层位剖面图

13-1煤层为煤与瓦斯突出煤层，原始瓦斯压力1.1 MPa，瓦斯含量5.5 m3/t，透气性系数为0.067(m2/(MPa2·d))，透气性较低，属于难抽放煤层。因此，采用开采保护层区域性防突措施，首采无突出危险的11-2煤层作为保护层。

2 被保护层应力与位移变化数值模拟

应用FLAC3D软件模拟1311(1)工作面回采期间上覆13-1煤层的应力与位移变化规律。所建模型的高度到13煤顶板，定义平行煤层回采方向即走向为x轴，垂直煤层走向方向为y轴，铅直方向为z轴。模型尺寸为x=500 m，y=400 m，z=200 m，模型四周边界x、y方向位移约束，z方向自由，底部z=0为全约束边界，顶部z=200不约束，为自由边界，加载上覆岩层重力载荷。由于张集矿11-2煤初次来压步距为30 m～40 m之间，工作面回采从模型的x=50 m处开切眼开始推进，采取分步开挖方式，每10 m一步，分别模拟推进50 m、100 m、150 m、200 m、275、350 m六个阶段。在模拟开挖过程中对13-1煤层顶板沿走向竖向应力和位移进行了监测，如图2所示，监测点设在工作面中央。

图2 13-1煤层顶板沿走向竖向应力和位移随工作面推进变化

13-1煤层顶板沿倾向方向上的竖向应力和位移进行了监测，如图3所示，监测点设在x=180 m。

图3 13-1煤层顶板沿倾向竖向应力和位移随工作面推进变化

数值模拟结果表明：随着工作面的不断推进，13-1煤在走向和倾向方向上的卸压区域均不断扩大，且工作面中部对应区域卸压充分；开切眼及工作面对应区域均会出现应力集中现象。13-1煤在倾向方向上受到的应力不均匀，自中部向两边逐渐减小，竖向位移自中部向两巷侧的位移逐渐减小，形成不均匀沉降，卸压范围扩大，卸压角可达90°。

3 保护范围扩界分析

基于11-2煤回采对13-1煤卸压范围的数值模拟，结合潘谢矿区11-2煤保护层开采相似模拟试验[6](如图4)可知：顶板断裂角为45°～50°，该角度范围内为冒落区，煤体充分卸压；50°～90°楔形卸压膨胀区，卸压瓦斯富集；90°～110°为压缩变形区，煤体支撑应力增大，局部应力集中，如图5所示。因此，存在扩界卸压区在保护层法向投影至理论卸压角范围，理论卸压角范围内为充分卸压区。

图4 11-2煤保护层开采相似模拟试验[7]

图5 11-2煤开采上覆煤岩各区分布

4 保护范围扩界考察

4.1 考察方法

考察保护范围一般通过顶底板巷道施工穿层钻孔考察，所需施工钻孔较多，长度较长，费时费力，所获得的煤层膨胀变形数据易受环境影响误差较大，不利于确定真实的保护范围。基于现场条件，设计在被保护13-1煤层，投影最小距1311(1)工作面停采线50 m处施工一条煤巷作为考察巷，如图6所示，掘进1118(3)顺槽和1311(3)考察巷回风联巷，构成全负压通风巷道，共施工煤巷约870 m。

施工被保护层煤巷作为考察巷，钻孔施工快捷，离煤层近，膨胀变形考察较为准确，并可结合巷道高度观测综合确定卸压范围。设计考察钻孔13组，每组3个钻孔分别测定瓦斯压力、瓦斯自然排放量和煤层膨胀变形。钻孔布置平面图如图6所示，每组钻孔对应卸压角如表1所示。

表1 每组钻孔对应的卸压角汇总

图6 考察钻孔布置平面图

4.2 煤层膨胀变形率

依据防突规定，以煤层膨胀变形率3‰为指标确定煤层卸压范围，倾向与走向的煤层膨胀变形率如图7所示。

工作面距考察巷60 m～100 m时受超前压力影响，煤层开始发生膨胀变形。倾向(轨顺)煤层变形率：工作面推过考察巷时，81°、86°、90°角的煤层变形率均超过3‰，分别达到13.4‰、7.5‰、4.6‰，而95°、105°角的煤层变形率至工作面推过考察巷88.4 m开始收作时一直小于3‰。因此，倾向(轨顺)卸压角可达90°。

图7 13-1煤层膨胀变形率随工作面推进变化

倾向(运顺)煤层变形率：工作面推过考察巷时，78°、84°角的煤层变形率均超过3‰，分别达到9.75‰、5.25‰，工作面推过考察巷40 m时，90°角的煤层变形率均超过3‰，存在一定滞后性。而95°角的煤层变形率至工作面推过考察巷88.4 m开始收作时一直小于3‰。因此，倾向(运顺)卸压角可达90°。

走向(收作线)煤层变形率：工作面推过考察巷88.4 m开始收作时，60°、73°、90°、105°角的煤层变形率分别达到10.19‰、8.88‰，4.81‰，2.5‰，其中60°、73°、90°角的煤层变形率均超过3‰。因此，走向(收作线)卸压角可达90°。

4.3 巷高变形率

考察巷受超前压力和采后卸压影响发生变形，主要表现为顶板下沉和底板底鼓，直接导致巷道中央的高度不断缩小。观测每组钻孔所对应巷道的巷高变化，保护范围可依据巷高变化更为直观的确定，定义巷高变化值与初始巷高之比为巷高变形率。考察巷为矩形结构，采用锚网支护。工作面推过，巷高剧烈变化期间，为保证通风断面，局部增加木垛加强支护。13-1煤层考察巷巷高变形率随工作面推进变化如图8所示。

结合煤层膨胀变形率，巷道对应煤体处于卸压区域时巷高变化率达到15%～20%。倾向下端煤体卸压效果略差于倾向上端煤体，研究结果与煤层膨胀变形率结果一致。这是由于13-1煤层倾角3～8°，平均约5°，下端煤体矿山压力越大，卸压效果相对滞后。

4.4 瓦斯自然排放量

采用排水法测量钻孔瓦斯自然排放量随工作面推进变化如图9所示，受超前压力影响工作面距考察巷30 m～40 m时瓦斯自然排放量达到最小值，工作面推过考察巷0～30 m达最大值，随后趋于平稳。倾向理论卸压角至90°角的扩界区域瓦斯流量随工作面推进变化较为剧烈，卸压效果较好。

图8 13-1煤层考察巷巷高变形率随工作面推进变化

图9 13-1煤层瓦斯自然排放量随工作面推进变化

4.5 透气性系数

13-1煤层原始瓦斯压力1.1 MPa，瓦斯含量5.5 m3/t，原始透气性系数为0.067(m2/(MPa2·d))，透气性较低，属于难抽放煤层。施工的13组测压孔，受回采超前压力影响，巷道不断变形，导致煤壁漏气，压力下降很快，工作面距考察80 m时，均下降至0。11煤层下保护层开采后，13煤层被保护层卸压，煤层透气性增大。依据瓦斯自然排放量随工作面推进变化，倾向理论卸压角至90°角的扩界区域煤层透气性系数为2.83～6.87(m2/(MPa2·d))，是原始透气性系数的42～101倍，扩界区域卸压效果较好。