深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯抽采时效性

王　伟,程远平,袁　亮,陈荣柱,王海锋,杜　凯

(1.中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏 徐州　221116;2.中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州　221116;3.平顶山天安煤业股份有限公司 五矿，河南 平顶山　467000;4.山东能源枣庄矿业(集团)有限责任公司 柴里煤矿,山东 枣庄　277519)



深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯抽采时效性

王伟1,2,程远平1,2,袁亮1,2,陈荣柱3,王海锋1,2,杜凯4

(1.中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,江苏 徐州221116;2.中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州221116;3.平顶山天安煤业股份有限公司 五矿，河南 平顶山467000;4.山东能源枣庄矿业(集团)有限责任公司 柴里煤矿,山东 枣庄277519)

摘要:为解决深部近距离上保护层开采被保护层大量卸压瓦斯通过底板裂隙涌向首层采煤工作面极易造成瓦斯超限的问题，以平顶山天安煤业股份有限公司五矿为研究背景，采用理论分析、实验室实验、现场考察以及离散元数值模拟的手段，研究了深部近距离上保护层开采底板煤岩层裂隙瓦斯通道演化规律及下被保护层卸压瓦斯抽采时效性。研究表明：回采方向上底板煤岩层可分为原始应力区、卸压增透区和重新压实区，卸压增透区内煤体膨胀变形量大渗透率高，卸压瓦斯解吸扩散，底板采动裂隙使被保护层与采煤工作面贯通形成裂隙瓦斯通道。时间尺度上，卸压增透区的形成与上保护层回采到基本顶来压垮落时间段相对应，采动裂隙瓦斯通道伴随基本顶的破断垮落逐渐重新压实消失，卸压增透区范围在基本顶初次垮落前达最大值，回采推进期间与基本顶来压步距正相关。重新压实区域内煤岩层经历应力加载、卸荷、重新加载后可能出现损伤破坏，卸压瓦斯大量解吸引起煤体收缩变形，部分煤岩体受力比其原始应力更大出现压缩变形。卸压增透区是卸压瓦斯产生及运移的主要空间，也是进行卸压瓦斯拦截及抽采的高效区，瓦斯抽采工程需考虑采动裂隙演化的空间和时间效应。

关键词:近距离上保护层；裂隙瓦斯通道；卸压增透区；瓦斯抽采时效性；三维离散元

我国含煤地层以侏罗纪和石炭二叠纪为主，且多以煤层群条件赋存，受多期地质构造活动影响地质条件复杂、煤层强度和渗透率低，开采深度逐年增加，深部高地应力和瓦斯压力致使煤岩动力及瓦斯灾害更加严重[1-2]。保护层开采[3]是区域性瓦斯治理最有效的方法，位于突出煤层上方垂间距小于10 m的为近距离上保护层。近距离保护层开采主要面临采掘防突、瓦斯浓度超限、诱发被保护层突出等问题，保护层回采过程中大量被保护层卸压瓦斯通过底板裂隙瓦斯通道涌入极易造成瓦斯浓度超限，采用瓦斯抽采措施拦截被保护层卸压瓦斯是非常有效及必要的[4-7]。

受采动影响上保护层底板煤岩层可以分为底臌裂隙带和底臌变形带[8]，在底臌裂隙带内主要是随岩层起鼓破裂产生的离层裂隙和岩层破断产生的竖向穿层裂隙[9]。俞启香等[10]从卸压瓦斯流动观点将采空区上方煤岩层横向上分为：初始卸压增透增流带、卸压充分高透高流带和地压恢复减透减流带。张勇等[11]将工作面前方煤岩体瓦斯通道分为孤立通道区、张裂破坏区、剪切破坏区及支承压力峰值后破坏区。齐庆新等[12]认为在瓦斯运移和抽采中，导致瓦斯大量穿行于煤层群层间的是自由扩散尺度的贯穿型裂隙。国内外学者对近距离保护层开采条件下底板煤岩层裂隙及渗透率变化进行了大量研究并取得了许多有益成果。王家臣等[13]提出上保护层开采后沿推进方向被保护层应力状态呈减小-增加-恒定的“W”形分布。翟成[14]根据采场底板煤岩体应力重新分布情况，将底板分为压缩区、过渡区、膨胀区和重新压实区。张勇等[15]采用数值模拟的方法分析了近距离煤层群开采底板不同分区裂隙张开、扩展规律。季文博等[16]采用SF6气体示踪技术对近距离被保护卸压煤体透气性变化规律进行实测研究。王海锋等[17]开展了近距离上保护层开采工作面瓦斯涌出规律研究，并对瓦斯抽采参数进行优化。但是关于深部近距离上保护层底板岩层裂隙瓦斯通道演化规律，以及下被保护层煤体卸压瓦斯抽采时效性的研究几乎没有。

平顶山天安煤业股份有限公司五矿(以下简称“平煤五矿”)为煤与瓦斯突出矿井，自1989年共发生煤与瓦斯突出事故13次，其中2002年8月突出煤体123 t，涌出瓦斯9 800 m3。己15煤瓦斯含量相对较低，可作为己17煤的上保护层，煤层间距为3.3～17 m，属近距离上保护层开采，保护层开采后己17煤瓦斯含量可降低72%～79%[18]，消突效果好。随采掘深度加深煤岩瓦斯动力灾害日趋严重，首采层回采过程中大量己17煤卸压瓦斯涌入易造成瓦斯超限隐患，已成为上保护层开采的技术瓶颈。本文以平煤五矿深部近距离己组煤层群开采为背景，采用实验室实验、现场实测以及三维离散元数值模拟的手段，重点研究了深部近距离上保护层底板裂隙瓦斯通道演化规律，以及下被保护层煤体卸压瓦斯抽采时效性。

1矿井地质背景及瓦斯涌出分析

1.1矿井地质背景

图1　平煤五矿采掘平面图及己15-32020采煤工作面综合柱状图Fig.1　Extraction engineering plan of 5th Mine and stratigraphic column of J15-32020 working face

平煤五矿位于河南平顶山矿区中部(图1(a))，主体位于锅底山断层两侧，缓倾斜单斜构造，采用单一走向长臂后退式回采法，全部自然垮落法管理顶板。矿井煤与瓦斯资源丰富，瓦斯地质储量为660 Mm3，属于大型储量规模。己15-32020采煤工作面是三水平首采工作面，同时也是己17-32020采煤工作面的上保护层采煤工作面，埋深905～1 004 m，倾向采长190 m，走向长1 330 m。该采煤工作面煤系地层综合柱状图如图1(b)所示，己15煤均厚1.5 m，与下伏己17煤平均间距6.0 m，煤层结构较简单多呈块状、粒状、间或有鳞片状，易碎为粉末，透气性系数为0.012 16 m2/(MPa2·d)，原始瓦斯压力 0.9 MPa，瓦斯含量7.5 m3/t，底板岩层主要为砂质泥岩和细粒砂岩，原始透气性差，直接顶为泥岩与砂质泥岩互层，基本顶为中-粗粒砂岩。己17-32020采煤

工作面煤层瓦斯压力 2.7 MPa，瓦斯含量23.0 m3/t。

1.2煤体瓦斯基础参数测定

煤体基础参数测定所用煤样取自己15-32020和己17-23190采煤工作面，结果见表1，己15煤样挥发分为23.99%，最大镜质组反射率为1.121 8%，中变质肥煤，玻璃光泽，内生裂隙发育；己17煤样挥发分为26.9%，最大镜质组反射率为1.167 6%，中变质烟煤-焦煤，玻璃光泽，焦渣强度大，内生裂隙发育。煤体孔裂隙采用压汞法测定，均以吸附态的微孔(<10 nm)和小孔(10～100 nm)为主，所占比例超过80%。

表1　平煤五矿代表性煤样基础参数测定汇总

1.3近距离上保护层开采瓦斯涌出

采用分源预测法[19]对己15煤采煤工作面瓦斯涌出情况进行分析，己15-32020采煤工作面瓦斯涌出预测结果见表2，采动影响范围内主要邻近层为己14煤和己17煤，其中己14煤较薄且多以煤线形式出现故不予考虑。采煤工作面相对瓦斯涌出量为56.03 m3/t，本煤层涌出量为6.75 m3/t，邻近层涌出量为49.28 m3/t，涌出瓦斯绝大部分来自下伏己17煤层，比例约为87.95%。

在考虑己17煤层瓦斯含量(Wc1)单变量条件下其与己15煤采煤工作面瓦斯涌出量(q)成近似线性关系见式(1)，如图2所示，首采层采煤工作面瓦斯涌出量随己17煤瓦斯含量的降低而大幅下降，降为11.0 m3/t时，采煤工作面瓦斯涌出量降低到27.8 m3/t，降幅约为一半。

表2　平煤五矿首采层工作面瓦斯涌出量预测

(1)

式中，k1，k2，k3为与回采条件相关的常数；m和M为采煤工作面煤厚和采高；mi为第i个邻近煤层厚度；W0i和Wci为第i个邻近煤层原始和残存瓦斯含量；ηi为第i个邻近煤层瓦斯排放率；W0和Wc为己15煤原始和残存瓦斯含量；W01和Wc1为己17煤原始和残存瓦斯含量；η为己17煤瓦斯排放率；m1为己17煤厚。

图2　首采层采煤工作面瓦斯涌出与己17煤瓦斯含量关系Fig.2　Relationship between the gas emission of prior working face and gas content of J17 coal

2近距离保护层底板采动裂隙瓦斯通道演化

2.1煤体瓦斯赋存及底板采动裂隙瓦斯流动

根据双重孔隙介质模型[20]，煤体中裂隙将煤切割为基质单元体，煤基质中瓦斯运移以浓度梯度推动的Fick扩散为主[21]，煤基质内吸附瓦斯经过脱附、基质扩散向裂隙系统运移。煤储层中瓦斯以吸附态和游离态赋存，绝大多数吸附在煤基质微孔[22-23]，煤体瓦斯吸附等温线表现为IUPAC所划分的Ⅰ型等温吸附线[24]，即Langmuir形式，孔裂隙特性直接关系到煤体中瓦斯的吸附/解吸特性及其运移规律。煤层渗透率是煤体瓦斯流动难易程度的标志，主要受平均主应力和孔隙压力控制[23]，深部煤层地应力主导有效应力的变化直接或间接的控制着渗透率[25-26]。底板裂隙岩体由含有孔隙的岩块和分割岩块的裂隙组成，裂隙系统是瓦斯流动的主要通道，流动遵循压力梯度推动的Darcy定律[27]，单裂隙流量与裂隙宽度为三次方的关系[28]。

2.2底板采动裂隙深度及区域形态

受采动影响煤系地层原有平衡状态破坏，采场周围支承压力向底板内部传递引起底板煤岩层鼓起形成破坏性裂隙，底板煤岩层塑性区可认为是最大裂隙带深度[29]，采用塑性力学中滑移线场理论计算塑性破坏区边界[30]，由式(2)得出底板最大底臌裂隙带深度hs约22.5 m。

(2)

式中，H为埋深，m；φ为底板岩层厚度加权平均内摩擦角，(°)。

上保护层顶板采动覆岩分为垮落带、裂隙带和弯曲沉降带，依据《三下采煤规程》规定[31]对于采厚小于3.0 m的缓倾角煤层导水裂隙带(垮落带与裂隙带之和)最大高度hd采用式(3)计算约48.4 m，∑M为采煤厚度。

(3)

上保护层顶板覆岩垮落带和裂隙带范围内，基本顶岩层(中粗粒砂岩)厚度较大且整体较为坚硬，均厚15 m，抗压强度110 MPa，抗拉强度11.0 MPa。根据关键层理论[32]，基本顶岩层对采场范围内煤岩层运移起主要控制作用，底板岩层在基本顶垮落后逐渐重新压实，恢复到原始应力状态，底板采动裂隙闭合。近距离上保护层采动顶底板影响范围及关键层控制如图3所示，底臌裂隙带内煤岩层向采空区膨胀开裂，贯穿型裂隙发育充分，底板裂隙深度大于煤层间距，即形成贯穿型裂隙沟通被保护层与保护层回采空间，构成了瓦斯流动通道，致使被保护层大量卸压瓦斯可涌入回采空间。

图3　近距离上保护层采动顶底板影响范围及关键层控制分析Fig.3　Mining influenced region in the floor and roof and the controlling effect of the key strata in short-distance upper protective seam extraction

3底板裂隙瓦斯通道演化及卸压瓦斯抽采时效性

3.1近距离上保护层开采离散元数值模型

离散单元法是由Cundall[33]提出的模拟岩土体非连续变形的数值方法，是研究煤岩层裂隙发育及膨

胀变形的有利工具。采掘工程使采场煤岩体产生复杂节理裂隙和变形块体，在形态和结构上呈现出强烈的不连续性、开放性和耗散性[34]。近距离上保护层底板采动裂隙演化的模拟采用ITASCA公司的三维离散元程序3DEC[35]，其结构面可以滑动和张开，允许有限位移和离散体转动脱离，计算过程中可以自动判别块体之间可能出现的新接触关系[36-37]。根据己15-32020采煤工作面煤岩层地质赋存条件构建模型及其边界条件(图4)，走向长度和垂向高度分别为200 m和101.1 m，两侧考虑50 m影响边界，为简化计算倾向设置为3 m，开切眼位于左侧，地层倾角较小简化为水平模拟。模型底部为固定边界，四周为滚轮边界，侧向应力按照侧压系数进行赋值，考虑到煤岩层岩性及深部高地应力开采条件侧压系数取值1.0[38-39]，上方未模拟892 m岩层按等效载荷P=∑ρgh=22.3MPa代替。模型块体部分选用Elastic-isotonic模型材料，节理面选用Contact-Coulomb模型，己15和己17煤及其顶底板岩层块体及节理面物理力学参数通过实验室实验获取，其他岩层参数参考以往该矿井数值模拟情况和3DEC Manual中相近岩体参数数据库[35,40]，并结合Mohammad N[41]在数值模型参数选取经验，见表3。

3.2底板煤岩层裂隙瓦斯通道演化过程分析

上保护层采煤工作面回采初期底板煤岩层采动裂隙演化情况如图5所示，结合图6中底板底臌变形量数据可知，采煤工作面推进6 m时，在回采区间中部位置底板逐渐鼓起，底板煤岩层开始有明显裂隙出现；随着采煤工作面逐渐推进(8 m)底臌变形量逐渐增大，底板煤岩层中裂隙扩展张开度增加，大量新生裂隙形成并向底板深处扩展，层间裂隙将回采空间与下被保护煤层沟通，伴随直接顶的逐渐垮落，鼓起的底板与顶板层间距减小；在采煤工作面推进到12 m左右，鼓起的底板与垮落的直接顶逐渐接触，对底臌变形起到一定限制作用但并没有明显压实效果，底板裂隙在走向上继续扩展，顶板岩层裂隙扩展到基本顶并在低位基本顶层位产生层间裂隙；采煤工作面推进到18 m左右，鼓起底板与直接顶大面积接触，回采区间中部垂向底臌变形量达极限最大值，形成走向8 m左右峰值区间，顶板裂隙继续向低位基本顶扩展，基本顶和直接顶岩层之间逐渐出现离层。

图5　近距离上保护层开采初期顶底板采动裂隙演化Fig.5　Evolution of mining-induced floor fracture in preliminary extraction

图6　近距离上保护层推进过程中底板岩层底臌变形量Fig.6　Heave deformation value of the floor with the advancing of the protective seam

图7　近距离上保护层推进过程中重新压实区域逐渐出现并扩展Fig.7　Generation and development of the re-compacted region in the short-distance upper protective seam extraction

随着上保护层采煤工作面持续推进底板煤岩层中逐渐出现重新压实区域(图7)，采煤工作面推进到24 m左右，顶板裂隙在基本顶中持续扩展促使其逐渐弯曲下沉，伴随基本顶下沉压迫直接顶继续垮落压实，底板岩层鼓起变形量开始出现缩小趋势，在采煤工作面中部逐渐出现重新压实区，基本顶裂隙进一步向上扩展到高位基本顶；采煤工作面推进到36 m左右，基本顶大量裂隙生成并扩展，逐渐垮落，在采煤工作面中部底板煤层出现明显重新压实区；采煤工作面推进到52 m时，采煤工作面中部底板煤岩层进一步压实，重新压实区域扩展迅速，基本顶出现多段垮断，中段基本顶被上覆岩层压实，裂隙减少。

膨胀变形量是考察被保护层卸压效果检验的主要指标，一般认为膨胀变形量大于0.3%则卸压增透效果较好[42]。下被保护层煤体膨胀变形量如图8所示，最大膨胀变形量在推进12 m左右到达，与顶底板裂隙发育情况相对应，之后鼓起底板与直接顶垮落岩层相接触，限制了底板煤岩层进一步鼓起。下被保护层煤体膨胀变形区域沿走向继续扩展，在基本顶初次垮落之前达到极限长度，受基本顶活动控制作用明显，极限长度大约与基本顶初次垮落步距相当，基本顶初次垮落步距最大约为周期垮落步距2倍，故在采煤工作面推进达到基本顶初次垮落步距之前，底板煤岩层达到最大卸压效果。此外，在采煤工作面开切眼煤柱影响下长期存在一段卸压区域，与张金才等[29]研究结论相符。

3.3底板煤岩层破坏区域划分及卸压瓦斯抽采时效性

采煤工作面推进100 m结束时采场顶底板采动裂隙发育情况如图9所示，停采线附近顶底板裂隙大量发育，在回采方向上底板煤岩层可分为原始应力区、高强度卸压增透区和重新压实区，高强度卸压增透区内被保护层煤体卸压膨胀变形量大，大量离层及穿层裂隙生成扩展，底板岩层贯穿型裂隙发育使被保护层煤体与采煤工作面贯通，成为被保护层大量卸压瓦斯涌入首采煤工作面的主要裂隙瓦斯通道。高强度卸压增透区长度为15 m左右，约为初采期间形成卸压长度的1/2，与基本顶周期来压步距长度相近。

图8　近距离上保护层推进过程中下被保护层煤体膨胀变形量Fig.8　Swelling value of the protected coal seam with the advancing of the protective seam

图9　近距离上保护层开采底板煤岩层区域划分Fig.9　Regional division of the floor rock and coal when advanced 100 m

图10　深度近距离上保护层开采底板煤岩层卸压增透区形成及卸压瓦斯流动示意Fig.10　Schematic diagram of the pressure relived & permeability enhanced region and relief gas migration

深部近距离上保护层开采底板煤岩层卸压增透区形成及卸压瓦斯流动如图10所示，底板煤岩层卸压底臌(膨胀)变形情况受基本顶控制作用，上保护层开采厚度远远小于基本顶岩层厚度，根据铰接岩梁理论[8]，基本顶来压破断垮落过程中岩块间相互铰合作用明显，故高强度卸压增透区域长度略大于基本顶垮落步距。受上保护层采动影响被保护层区域地应力降低，煤体卸压膨胀，节理、裂隙扩展张开，孔隙率增加，渗透率提高，大量吸附瓦斯解吸扩散，孔隙压力下降使渗透率进一步增加。被保护层卸压瓦斯在煤基质微孔中解吸并以扩散的形式从煤体中流到周围的孔裂隙中；然后以渗流的形式沿采动底板裂隙渗流进入保护层工作面，采动底板裂隙成为卸压瓦斯流动的主要通道，卸压瓦斯向保护层采煤工作面的涌入情况取决于层间岩层的裂隙特征及发育程度[17]，导致瓦斯大量穿行于煤层间岩层的是贯穿型裂隙[12]。在时间尺度上，从上保护层回采到基本顶来压垮落时间段与底板煤岩层高效卸压增透区的形成时间区间相对应，称为近距离上保护层开采高强度卸压增透时效性，是进行卸压瓦斯高效拦截抽采最优时间段。在采动过程产生的高强度卸压增透区内下被保护层煤体膨胀变形量大，渗透率增加，大量卸压瓦斯解吸并沿层间裂隙向底板裂隙流动；底板岩层网状裂隙发育，使被保护层与采煤工作面贯通，形成裂隙瓦斯通道。高强度卸压增透区内底板煤岩层中瓦斯浓度大，流动性好，是卸压瓦斯抽采的高效区域，瓦斯抽采措施的布置需要同时考虑采动裂隙演化的空间和时间效应。

回采区间中部存在大面积重新压实区，结合图7和图8中底板煤岩层底臌(膨胀)变形情况，中部区间内部分煤岩层底臌变形量可出现负值，说明该区域内煤岩体受力比其原始应力更大，经历应力加载、卸荷、重新加载后出现损伤破坏情况，实际生产过程中下被保护层卸压后大量吸附瓦斯解吸，孔隙压力降低，煤基质解吸发生收缩变形，故底板煤岩层被重新压实程度更大。

4近距离被保护层卸压瓦斯抽采

平煤五矿己17煤原始渗透率低，与己15煤层间岩

层致密透气性差，未采动情况下难以实现有效抽采。瓦斯治理工程应充分考虑底板煤岩层采动裂隙演化的空间和时间效应，与底板煤岩层有效卸压时空区域紧密配合，将瓦斯抽采钻孔预先布置到己17煤层或底板岩层中，保证瓦斯治理的时间和空间，以便在其卸压增透时效段内进行高效瓦斯抽采，协调采掘接替计划与瓦斯治理工程，实现有效卸压瓦斯拦截的同时消突被保护层突出危险性。

4.1斜交穿层卸压瓦斯拦截钻孔瓦斯抽采及效果考察

己15-23230采煤工作面埋深876 m，与己17煤平均层间距8 m，采用斜交穿层卸压瓦斯拦截钻孔和本煤层顺层钻孔联合抽采方法如图11所示，在机巷和风巷分别施工顺层预抽长钻孔，同时施工与煤层夹角约为10°的斜交穿层卸压瓦斯拦截钻孔，以穿透己17煤为准，抽采拦截下被保护层煤层卸压瓦斯的涌入。

图11　斜交穿层卸压瓦斯拦截钻孔瓦斯抽采措施Fig.11　Gas drainage measure by slant across relief gas intercept boreholes

图12　己15-23230回采过程中瓦斯体积分数及消突效果检验指标Fig.12　Gas concentration and regional verification index of J15-23230 working face

己15-23230采煤工作面2014年3月开始回采至6月共推进263.4 m，推进过程中采煤工作面瓦斯涌出情况及消突校验指标如图12所示，风排瓦斯量变化范围为3.79～10.64 m3/min，最大瓦斯涌出初速度q值为2.5 L/min，最大钻屑量s值为3.2 L/m，均不超标。己15-23230采煤工作面范围内瓦斯含量为7.45 m3/t，瓦斯总量为260.8万m3，可解吸量为190.8万m3。顺层钻孔抽采瓦斯183.4万m3，其中风巷和机巷顺层钻孔分别抽采118.9和64.5万m3；斜交穿层卸压瓦斯拦截钻孔预抽瓦斯总量为123.6万m3，其中风巷和机巷斜交钻孔抽采28.5和95.1万m3。斜交穿层卸压瓦斯拦截钻孔可以有效拦截下被保护层卸压涌出瓦斯，对顺层瓦斯钻孔抽采起到补充作用。

4.2近距离上保护层开采瓦斯治理规划

充分利用近距离上保护层开采特点及优势，协调采掘接替计划与瓦斯治理工程，采用倾向错位递进掩护瓦斯抽采方法如图13所示，己15煤采煤工作面在倾向上内错30 m，使得己17煤机巷恰好位于己15煤采煤工作面回采在倾向上形成的高效卸压增透区内，己15煤回采过程可同时实现己17煤机巷瓦斯消突。在己17煤机巷倾向布置顺层瓦斯钻孔预抽己15煤采煤工作面下伏被保护层煤体瓦斯，走向上保证顺层钻孔超前于己15煤采煤工作面50 m左右，保证其在可随回采深度进一步增加，己15煤逐渐升级为突出煤层，此时可采用底(顶)板岩巷穿层预抽煤层瓦斯措施(图14)，如底板岩巷大面积穿层钻孔预抽、底板岩层穿层钻孔条带结合顺层预抽等。

以有效抽采己17煤卸压增透区瓦斯，从而防止己15煤采煤工作面瓦斯超限。

图13　倾向错位递进掩护式瓦斯抽采技术方案Fig.13　Tendency dislocation and progressive cover gas drainage technology

图14　底(顶)板穿层钻孔瓦斯抽采技术模式Fig.14　Gas drainage technology of crossing borehole in the floor (roof) roadway

5结论

深部近距离上保护层回采过程中，大量被保护层卸压瓦斯通过底板裂隙涌向首采煤工作面极易造成瓦斯超限，瓦斯治理工程应充分考虑底板煤岩层采动裂隙演化的空间和时间效应。

(1)在回采方向上底板煤岩层可分为原始应力区、高强度卸压增透区和重新压实区。高强度卸压增透区内煤体膨胀变形量大，渗透率高，煤基质内吸附瓦斯经过脱附、基质扩散向煤体裂隙系统运移，并沿层间裂隙向底板裂隙流动，底板岩层贯通裂隙成为卸压瓦斯涌入首采煤工作面的通道。

(2)上覆关键岩层(基本顶)对底板煤岩层高强度卸压增透区的形成具有主要控制作用，时间尺度上与上保护层回采后到基本顶来压垮落时间相对应。采动裂隙瓦斯通道随基本顶的破断垮落逐渐重新压实消失，在基本顶初次垮落前高强度卸压增透区区域范围和底臌变形量达到最大值，回采推进期间与基本顶垮落步距相关性较好。

(3)底板重新压实区域内煤岩层经历应力加载、卸除、重新加载后可能出现损伤破坏情况，部分煤岩体受力比其原始应力更大，出现压缩变形。实际生产过程中下被保护层煤体卸压后大量吸附瓦斯解吸，孔隙压力降低，煤基质解吸发生收缩变形，故底板煤岩层被重新压实程度更大。

(4)深部高瓦斯近距离上保护层开采瓦斯抽采措施需考虑底板采动裂隙演化的空间和时间效应。高强度卸压增透区内瓦斯浓度高流动性好，是被保护层卸压瓦斯产生及运移的主要区域，也是进行卸压瓦斯拦截及抽采的高效区，将瓦斯抽采工程与底板煤岩层有效卸压时空区域紧密配合，可有效解决近距离被保护层大量卸压瓦斯涌出造成的安全隐患。

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Floor fracture evolution and relief gas drainage timeliness in deeper underground short-distance upper protective coal seam extraction

WANG Wei1,2,CHENG Yuan-ping1,2,YUAN Liang1,2,CHEN Rong-zhu3,WANG Hai-feng1,2,DU Kai4

(1.NationalEngineeringResearchCenterforCoalGasControl,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.FacultyofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;3.5thMine,PingdingshanTian’anCoalCo.，Ltd.,Pingdingshan467000，China;4.ChailiMine,ShandongEnergy,ZaozhuangMiningGroupCo.,Ltd.,Zaozhuang277519,China)

Abstract:In deeper underground short-distance upper protective seam extraction,substantial amounts of relief gas absorbed in the protected coal seam would influx into the working face of the protective seam through the floor mining-induced fractures,which might cause gas concentration exceeding the statutory limit.This paper takes the 5th Mine of Tianan Coal Co.,Ltd.as a case,and studies the floor fracture evolution and relief gas drainage timeliness in deep underground short-distance upper protective seam extraction,using the methods of theoretical analysis,laboratory test,field survey and 3D distinct element numerical simulation.It concludes that the floor area could be divided into initial stress region,pressure relived and permeability enhanced region (PRPER),and re-compacted region.In the PRPER,the coal permeability enhancements was accompanied with its swelling,the mining-induced floor fracture became fracture gas channel connecting the protected coal seam to the protective working face.On the time scale,the PRPER occurred during the period between the initial extraction and the collapse of main roof.The fracture gas channel re-compacted and disappeared gradually with the collapse of main roof.During the normal excavation,the area of PRPER held a positive correlation with the periodic weighting,and reached its peak when the preliminary extraction proceeded.In the re-compacted region,coal and rock stratum would suffer the stress of loading-unloading-reloading,generating certain damage and failure,and finally contribute to the gas desorption as well as the shrinkage of coal.The PRPER is the primary space that relief gas generates and migrates,and it is thus the target area for highly efficient relief gas drainage.When proceeding gas drainage projects,it is advised to consider the effect of the time-space on the fracture evolution induced by mining.

Key words:short-distance upper protective seam;fracture gas channel;pressure relived & permeability enhanced area;gas drainage timeliness;3 Dimensional distinct element

中图分类号:TD712

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0138-11

作者简介:王伟(1987—),男,山东滨州人，博士研究生。E-mail：cumtsafety_wangwei@163.com。通讯作者：程远平(1962—),男,吉林集安人,教授,博士生导师。Tel：0516-83995759,E-mail：ypc620924@163.com

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201204);国家自然科学基金面上基金资助项目(51374204,51474212)

收稿日期:2015-09-01修回日期:2015-11-12责任编辑:毕永华

王伟,程远平,袁亮，等.深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯抽采时效性[J].煤炭学报,2016,41(1):138-148.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9018

Wang Wei,Cheng Yuanping,Yuan Liang,et al.Floor fracture evolution and relief gas drainage timeliness in deeper underground short-distance upper protective coal seam extraction[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):138-148.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9018