近距离煤层群下保护层开采效果考察的技术研究*

王小兵 伍厚荣

摘 要：为实现石屏一矿近距离突出危险煤层群安全、高效的开采，基于数值模拟和现场实测方法，分析11025工作面作为保护层开采的可行性。结果表明：被保护层开采后，采空区上覆岩层均受到不同程度的卸压，应力和位移都得到重新分布和释放，主要卸压范围高度在40m左右，走向和倾向卸压角分别为64.0°、67.9°，被保护层C19煤层的钻孔瓦斯流量明显升高，煤层膨胀变形率符合规定要求。

关键词：下保护层；Flac3D；瓦斯流量；膨胀变形率

保护层开采改变了岩层的运动规律和应力分布，卸压范围内上下岩层产生新的裂隙，原生裂隙也将张大延伸，可以充分释放临近煤层的压力、提高煤层透气性和瓦斯抽采率；文献研究保护层开采后上覆岩层采动裂隙的分布规律，提出含瓦斯煤的力学特性及煤岩体的渗透性，文献等运用“传递岩梁”理论对大采高综采工作面上覆岩层破坏类型及其平衡结构进行分析，研究了大采高工作面采空区上覆岩层的破坏结构及规律；笔者将以石屏一矿作为工程研究背景，以C25煤层作为下保护层，在开采近距离煤层群过程中对上覆岩层位移情况、应力分布以及对被保护层C19煤层顶底板膨胀变形情况进行分析，为矿井的安全高效生产提供依据。

1.工程概况

石屏一矿设计年产量为120wt/a，11025-1工作面作为下保护层，其工作面采用全部冒落法管理顶部，走向长度为613m，倾向长度为106m，工作面煤层倾角为9°～12°，平均为16°；区内可采煤层有C13、C14、C15、C19上、C19、C23、C25上、C25煤层，其中C19、C25煤层全区可采，煤层结构简单，厚度变化较小，最大厚度2.4m，最小厚度0.8m，平均厚度1.3m，煤层结构简单，赋存稳定，含，；煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩。

2数值模拟分析

为分析石屏一矿C25煤层作为保护层对C19工作面的影响，利用FLAC3D进行建模，模型共计15层，其推进方向长120m，倾向宽126m，垂高91.3m，模拟煤岩层倾角为16°，沿工作走向两侧各留近10m煤柱，倾向两侧各留近10m煤柱，模型上边界采用应力边界，倾向、走向两侧和底板均设置位移约束为0的固定边界。基于被保护层工作面的实际情况，模型顶部的载荷简化为均匀载荷，上覆岩层所应施加的应力为11MPa。计算中采用弹塑性的本构模型，屈服准则采用摩尔库仑（Mohr-Coulomb）强度准则，建立模型。

2.1被保护层应力变化规律

煤层开采前处于应力平衡状态，采掘开始后上覆岩层的应力会持续动态变化，并一直延续到新的应力平衡位为止。沿着工作面走向方向上，采空区上覆煤岩层应力下降明显，卸压程度随垂高增大而逐渐减弱，卸压效应贯穿整个采空区上覆岩层；在开切眼和采止线附近出现应力高度集中。采空区上方应力降低区域呈对称分布，采空区剖面中部应力下降最为明显；沿工作面倾向方向上，机巷内侧的卸压范围明显大于风巷内侧卸压范围。

2.2被保护层位移变化规律

随着工作面的推进，逐渐被压实的采空区为上浮煤岩层提供了较大的膨胀变形空间，位于采空区的底板煤岩层产生错动从而发生位移变形。

在采空区内部上覆煤岩层位移量较大，随垂高增大而位移量减小，在开切眼和采止线附近位移量较小。采空区上方位移量呈对称分布，采空区中部上方（煤层直接顶）有冒落离层现象；从位移量上可判断保护层开采后对上覆岩层的卸压范围为40m高度左右。

3 C19煤层卸压保护范围的确定

3.1卸压保护判定指标

防突规定所指的最大膨胀变形量为垂直于煤层层面方向的变形，对模拟的任意方向的煤层变形值，需按下述公式换算为垂直层面方向的变形。

（1）

式中： 、 分别为垂直煤层方向、任意方向煤层的相对变形量；

为任意方向的仰角，度； 为任意方向的方位角与煤层法线的夹角（即偏角），度； 为煤层倾角，度。

当 为FLAC3d数值计算时Z方向的煤层变形值时，可以换算成如下公式：

（2）

由此，可以通过FLAC3d数值计算得到模型中各个单元Z方向的煤层变形值，然后用式（2）计算得到垂直于煤层层理方向的煤层变形值 ，从而判断计算单元是否在保护范围内。

3.2被保护层卸压范围

在C25下保护层开采数值模拟计算过程中，沿C19煤层走向方向距离机巷60m、72m、84m处布置3监测线，沿C19煤层倾向上山方向距离切眼50m、60m、70m处布置3监测线，监测C19煤層的 、 、 变形值，经计算整理得C19煤层走向和倾向上山方向煤层法向膨胀变形率变化曲线。

采用3‰的膨胀变形率临界指标可以确定C19煤层走向卸压范围为开切眼和采止线内错12m，换算成卸压角均为64°，倾向卸压范围为机巷内错10m左右，风巷内错10m左右，换算成卸压角均为67.9°。

4 现场实测

4.1被保护层瓦斯流量效果考察

在被保护煤层考察巷中设计布置两排共8个钻孔，即沿煤层走向施工4个流量孔，编号为B1～B4，钻孔布置与走向测压考察孔处于同一孔位，方位一致，倾角不同；沿煤层倾向施工4个流量孔，编号为B5～B8，钻孔方位、倾角与倾向测压考察孔基本一致，只是孔位相距约4m。分别测定被保护煤层沿走向和倾向钻孔瓦斯流量随下保护层采面不同距离的变化。

随着保护层的开采，沿走向和倾斜方向的钻孔流量均有增加，但增加幅度并不一致。沿煤层走向的流量孔中，B1、B2、B3、B4增加明显，平均流量值分别均增加了2倍以上，B1、B2的最大流量值分别增大了6倍和4倍；沿煤层倾斜钻孔中，B5、B6孔增加明显，最大流量值分别增加了2倍和6倍，但B7、B8增加值较小。

4.2被保护层顶底板膨胀变形效果考察

煤层变形利用C19煤层瓦斯流量测定钻孔，一孔两用来测定C19煤层变形，采用扩张式基点法测定煤层顶底板相对变形。

随着下C25保护层的开采，C19煤层膨胀变形率逐渐增大，在保护层开20m后，C19煤层变形孔变形比较充分和明显均，相对变形量达到了1%，远远超过《防突规定》上规定被保护层的最大膨胀变形量大于3‰。

5 结论

应用flac3d数值模拟软件，对下保护层开采后上覆岩层的位移及应力分布规律进行了数值模拟，并对其进行了现场实践，得到了一下结论：

（1）数值模拟结果表明，保护层被开采后，其上覆岩层应力得到重新分布，开切眼和采止线附近属于应力集中区，位移量随着高度的增加而减少，主要卸压范围在采空区上方高度为40m左右。

（2）通过数值模拟计算出C19煤层12724工作面走向方向上开切眼和采止线两端卸压胶均为64.0°，倾向方向上机巷内错10m，风巷内错10m，卸压角均为67.9°

（3）现场实践表明，以C25煤层作为保护层开采后，C19煤层的钻孔瓦斯流量有明显增大趋势，在保护层开采到20m以后煤层膨胀变形达到了1%。

参考文献：

[1]程远平，付建华，俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报，2009，26（2）：127-139.

[2] 石必明，俞启香，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，2004，33（3）：259-263.

作者简介：

王小兵，男，1988.2，硕士，主要从事矿井瓦斯灾害防治与瓦斯治理.

*项目名称：石屏一矿C25下保护层开采效果考察研究