俯伪斜下保护层开采保护效果现场考察与数值模拟

改造者：魏 伟 王宏图，2 舒 才 施 峰

为了研究俯伪斜下保护层开采后的保护效果，对兴隆煤矿俯伪斜下保护层开采被保护层的瓦斯压力和瓦斯含量进行了现场考察，并采用COMSOL Multiphysics 数值模拟软件对保护层开采后顶板法向膨胀变形量进行了数值计算。结果表明，俯伪斜下保护层开采后，被保护层保护范围内的最大残余瓦斯压力为0.25MPa，最大残余瓦斯含量为5.7147 m3/t，均小于《防突规定》的临界值；数值模拟的沿被保护层倾向上边界的卸压角为98°，下边界的卸压角为68°，大于《防突规定》划定的保护范围。因此，俯伪斜下保护层开采对被保护层的保护效果显著，能有效消除被保护层的突出危险。

大量研究表明开采保护层是最有效和最经济的区域防突措施。《煤矿安全规程》规定，矿井首次开采保护层时，必须进行保护效果和保护范围的考察。根据《防突规定》第51 条，保护层的保护效果检验主要采用残余瓦斯压力、残余瓦斯含量、顶板位移量等方法。为了研究俯伪斜下保护层开采对被保护层的保护效果，本文通过对南桐矿区兴隆煤矿俯伪斜下保护层开采后被保护层残余瓦斯压力、残余瓦斯含量现场测定，并采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对下保护层开采引起被保护层的膨胀变形量进行数值模拟计算，综合分析了俯伪斜下保护层开采的保护效果。

试验矿井概况

南桐矿区兴隆煤矿为新建矿井，现主要开采4#煤层和6#煤层，平均厚度分别为2.84 m 和0.93 m，层间间距为27.9 m，倾角为42°。矿井4#和6# 煤层均具有突出危险性，选择突出危险性较小的6#煤层作为下保护层开采，4#煤层为被保护层。6#煤层保护层工作面采用俯伪斜布置，伪斜角为30º。根据《防治煤与瓦斯突出规定》，矿井保护层工作面沿倾斜上、下山方向的卸压角分别按90º、65º划定；走向卸压角按50º划定。

现场论证试验设计

考察钻孔布置

矿井在被保护层4# 煤层验证区域上边界+327m～+350 m 采取了预抽煤层瓦斯区域防突措施，同时走向边界不具备现场考察条件，因此本次现场验证只考察4#被保护层倾斜下边界。验证钻孔均布置在矿井的原有巷道内，选择位于被保护层4#煤层和保护层6#煤层之间的+300 m“1601S”抽放巷和+250 m“1601S”抽放巷内布置测压钻孔。本次试验设计JS1～JS8 共八个钻孔，实际施工JS3～JS8 六个钻孔，钻孔布置见图1。所打钻孔的方位均为垂直于煤层走向的正方位，并穿过煤层进入顶板1.0 m。

测压及封孔

根据此次现场条件，瓦斯压力的现场测定选择被动式测压法。瓦斯检验钻孔施钻结束后便立即进行封孔。封孔方式采用马丽散和水泥石膏浆机械封孔相结合的封孔方法。封孔结束24h 内安装压力表，记录压力的变化规律。

现场测试结果

被保护层残余瓦斯压力测定

大量实践表明，在防治煤与瓦斯突出和验证保护层开采后被保护层的保护效果中，瓦斯压力是现场考察的最基本、最可靠的参数之一。在本次被保护层瓦斯压力测定过程中，JS6 和JS7 钻孔压力表损坏，未能测到有效压力值，其他压力表的测试结果如表1 所示。

图1 测压钻孔布置图

表1 被保护层4#煤层残余瓦斯压力

表2 煤岩的物理力学参数

通过布置在被保护层4#煤层中的测压钻孔，可以得出4#煤层的瓦斯压力随保护层开采的变化规律（如图2）。从图2 可以看出，俯伪斜下保护层6#煤层工作面推过后被保护层4#煤层的卸压效果非常明显，最终测得的被保护层最大残余瓦斯压力值小于临界值0.74 MPa，因此依据《防突规定》划定的下边界保护范围安全可靠。

被保护层残余瓦斯含量测定

煤层瓦斯含量测定可分间接测定法和直接测定法两种，鉴于现场条件，本次测定采用直接法来测定被保护层4#煤层的残余瓦斯含量，在4#煤层的保护范围内共取样22 个，经过测定，取样点残余瓦斯含量介于2.7972 m3/t 和5.7147 m3/t 之间，最大残余瓦斯含量小于《防突规定》的临界值8 m3/t，因此，考察区域内残余瓦斯含量达到《防突规定》的要求，有效地消除了被保护层的突出危险。

被保护层保护范围数值模拟

模型的建立

图2 被保护层4#煤层的瓦斯压力变化规律

数值模拟采用COMSOL Multiphysics 软件模拟6#保护层开采后被保护层4#煤层的保护范围。假设开采区域沿煤层倾向的每一个横截面煤岩体的物理力学性质、瓦斯性质参数和围岩应力状态等都是一致的，则可取沿工作面走向上的单位厚度剖面为平面计算模型，为尽量消除模型边界效应的影响，建立如图3 所示的几何模型，模型尺寸为280 m×252 m（长×高），下保护层工作面垂高100 m，斜长149.5 m。

数值计算的基本参数

数值计算模型中，保护层6#煤层、被保护层4#煤层和顶底板岩层的物理力学特性参数见表2 所示。由于保护层6#煤层与被保护层4#煤层之间由几层不同厚度的钙质、粉砂质页岩和灰岩组成，因此，可采用按厚度加权平均的方法求其近似的力学参数，以便于模型的计算。

模型的边界条件

考察区域煤层平均埋深300 m，模型上边界为岩层自重均布载荷，大小为7.5 MPa，边界条件为自由边界；模型的右边界、左边界和下边界位移条件为X 和Y 方向的位移约束，为滚支边界。

数值模拟结果及分析

（1）被保护层4#煤层倾向总位移规律。图4 为保护层6#煤层开采后被保护层4#煤层沿倾向的总位移分布规律。由图4 可以看出保护层开采后，原煤层顶底板周围的煤岩层开始向已形成的采空区进行膨胀、移动和变形，采空区中部区域的顶板岩层位移达到了最大值。

图3 数值计算模型

图4 被保护层4#煤层倾向位移云图

图5 被保护层4#煤层沿倾向的法向变形

图6 被保护层4#煤层的保护范围

（2）被保护层4#煤层保护范围分析。根据《防突规定》，当被保护层的法向膨胀变形大于3‰时，被保护层能得到有效保 护。图5 为下保护层6#煤层开采后，被保护层4#煤层沿倾向的法向变形规律。由图可知，在距保护层6#煤层采空区下 边界垂高28 m～124 m 的范围内，被保护层4#煤层的法向变形量ε0 ≥3‰，对应被保护层的上边界卸压角为98º，下边界卸压角为68º（如图6），此保护范围大于矿井依据《防突规定》划定的4#煤层的保护范围。数值模拟结果表明，矿井基于《防突规定》划定的4#煤层保护范围安全、可靠。

结语

（1）根据现场考察结果，被保护层验证区域的瓦斯压力随着保护层的开采下降明显，残余瓦斯压力和参与瓦斯含量均小于《防突规定》的临界值，说明考察区域已经得到充分保护，有效消除了被保护层4#煤层的突出危险。

（2）采用数值模拟得到了俯伪斜下保护层沿倾上、下边界的卸压角分别为68°和98°，大于按照《防突规定》所划定的保护范围，因此现场划定的保护范围安全、可靠。

（3）采用数值模拟得到的俯伪斜下保护层的顶底板岩层的变形、卸压规律与现场具有一致性，数值模拟的结果可靠。