远距离采动影响下被保护层开采机理分析

申志勇 苏静 蒋兴义 李久錇 欧一昌 王晓双

摘要：保护层开采是指开采煤层群的情况下，首选无突出危险或突出危险较小的煤层来开采，利用其产生的采动影响，来降低或消除有突出危险煤层的危险性的开采方式。远距离保护层开采后，顶底板岩层向采空区方向移动和变形，应力重新分布，在卸压保护范围内，被保护层应力降低，在垂直应力和水平应力的共同作用下产生离层裂隙和穿层裂隙，为瓦斯涌出提供了通道，同时卸压使得被保护层的透气性增大，若结合合理的被保护层瓦斯抽采技术，预抽被保护层卸压瓦斯，大大降低被保护层的瓦斯压力和含量，从而实现高瓦斯被保护层的卸压防突。

关键词：远距离;保护层;卸压开采;瓦斯治理

0引言

目前，我国国有煤矿大多是瓦斯矿井煤层群开采，且高瓦斯矿井占50%以上，其中300多对矿井为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯突出灾害的发生次数为世界之最。现有的瓦斯矿井主要特点是开采深度大、瓦斯压力大、瓦斯含量高，具有低透气性、可压密性和易流变性“三性”特征。我国大部分的高瓦斯矿区都为低透气煤层，以淮南矿区为例，煤层透气性系数仅为0.001～0.008 m2/（MPa2·d），煤层瓦斯不易在采前预抽，但在采掘过程中煤层瓦斯的放散量大、放散速度快，在一定条件下易发生煤与瓦斯突出，且突出规模大，有的矿井煤与瓦斯突出甚至超过1万t，瓦斯涌出或煤与瓦斯突出控制不当将可能导致瓦斯爆炸事故的发生，从而造成更大的灾难。低透气性煤层，致使煤层瓦斯抽采的效果较差。开采实践表明，保护层开采仍然是最有效、最经济的煤与瓦斯突出和冲击地压等动力灾害区域性防治措施。通过保护层开采技术可实现邻近煤层的卸压增透，从而提高被保护层瓦斯抽采的效果。

1工程概况

某典型矿区矿井原设计能力60万t/年，服务年限100年，1993～1997年矿井进行改扩建，设计生产能力120万吨/年，服务年限46年。由于改扩建时没有对主斜井（箕斗提升）进行改造，主提升能力没有达到120万吨/年的扩建要求，2006年矿井核定生产能力为90万t/年。大河边煤矿于1966年1月设计，1966年3月破土动工，采用斜井多水平开拓、采区上山大联合、区段集中巷的联合布置方式，主斜井、副斜井、回风斜井及区段集运大巷均布置在煤系底板的一次喷发玄武岩内。现开采标高为+1300m～+1376m，+1376m标高以上已全部回采完毕。矿井现有1个综采工作面，2个半煤岩掘进工作面，掘进工作面均为炮掘工作面。

S1303工作面为13号煤层的综采工作面，位于南采区S+1317新回风石门以南，工作面上限标高+1391m，下限标高+1312m，南以切眼为界，北以预计停采线为界。S1303工作面上覆S1101、S1101中工作面采空区，工作面距采空区法向距离4m，上区段为S1301、S1301中工作面采空区，工作面地面对应位置为段家岩往东350～1200m，地面为表土不厚的顺向坡堆积物。工作面距地表垂深560～645m。S1303工作面位于南采区S+1317新回风石门以南，工作面上限标高+1391m，下限标高+1312m，南以切眼为界，北以预计停采线为界。S1303工作面布置示意图如图1所示。

2远距离下保护层开采基本理论

保护层开采是指开采煤层群的情况下，首选无突出危险或突出危险较小的煤层来开采，利用其产生的采动影响，来降低或消除有突出危险煤层的危险性的开采方式。1）按保护层与被保护层的空间关系来划分，可分为上保护层和下保护层，处于竖直方向的上方且用来保护其下部煤层的叫上保护层，反之为下保护层;2）依据护层与被保护层的层间距离的差异来划分，当两者的层间距满足条件10m时为近距离保护层、层间距符合10m<h≤50m条件时为中距离保护层、当层间距离h>50m时称远程保护层。随着煤炭工业的不断发展和对保护层开采理论和应用技术研究的重视，国内外专家学者己经对保护层开采的卸压机理、卸压保护范围的划分等已经有了一定的认识。

下保护层开采后，顶底板岩层向采空区方向移动和变形，应力重新分布，在卸压保护范围内，被保护层应力降低，在垂直应力和水平应力的共同作用下产生离层裂隙和穿层裂隙，为瓦斯涌出提供了通道，同时卸压使得被保护层的透气性增大，若结合合理的被保护层瓦斯抽采技术，预抽被保护层卸压瓦斯，大大降低被保护层的瓦斯压力和含量，从而实现高瓦斯被保护层的卸压防突。保护层开采采动影响卸压因素变化顺序为：开采保护层一煤和围岩层移动一被保护煤层产生卸压效应（地应力降低、煤层膨胀变形、煤岩层裂隙发育）一煤层透气性增加、煤层吸附瓦斯开始解吸一煤巖层瓦斯运移能力增高一抽放瓦斯浓度、抽采钻孔内的瓦斯气体流量大幅增高一被保护煤层的残余瓦斯压力明显下降一卸压煤层瓦斯气体的含量大大减少一煤体的强度得到显著提高一地应力再度下降。保护层开采被保护层卸压防突的技术原理如图2所示。

3 保护层采动影响下围岩应力分布特征

已经釆出的煤层在其周围会形成一定范围的开采空间，这时开采空间围岩的原始应力状态重新分布，导致原始应力状态向新的采动应力状态转化。受到地应力的影响，其上覆岩体在跨落后充填到下方的采空区里，此时自然压力拱形成于采空区上方，在进行采的过程中，压力开始向采空区周围的岩层传递，与此同时釆场的围岩也会向采空区移动和变形。

在采面不断向前推进的过程中，若干应力区间形成于保护层开采的层面上：应力增高区、应力降低区和原岩应力区以及应力恢复区。工程实践表明：在不同开采条件条件下，在开采过程中重新分布的应力其变化规律大致相同，同时具有基本一致的空间形态，具体分区如图3所示。

（1）原岩应力区：因处于距离保护层采面前方较远的地方，暂时没有受到其后方的采动影响，各层煤岩体其受力状态可视为原始应力下的受力，在此区间内的煤层瓦斯其动力学参数相对地保持不变。

（2）应力集中区：通常情况下，该区的位置处于回采面后方25m到前方55m远的地方，其最大压力支承点出现在采面前方3～32m的范围内。压力拱在覆岩垮落后伴随着工作面的推进也向前不断延伸，拱脚（支承端）附近的煤岩体相对承受较大的覆岩重量，由此产生了应力集中。煤体在应力集中区被压缩，其中的裂隙、孔隙因为受到压缩而封闭，导致煤层的透气性降低，而煤岩体的应力相对较大，煤与瓦斯的突出危险性增大。

（3）应力降低区（卸压区）：处于此区间内的瓦斯流动性最强，因上覆岩层的大部分压力分摊到其周围的煤岩层和采空区垮落的矸石上，煤体和围岩的应力均开始出现减小的趋势，裂隙在煤体内张开并得到充分地发育，煤岩体的排放瓦斯的能力也不断增大，且煤层的吸附瓦斯不断解吸。通常情况下，卸压效果开始于采煤工作面后方0～25m處，其最大卸压位置则一般出现在采煤工作面后方25～125m的范围内。

应力恢复区：在保护层工作面推过后的釆空区内，距离回采工作面后方较远的地方，其煤岩层仍旧保持一定的膨胀变形，上覆岩层的压力逐渐地过渡到从顶板挎落的矸石上，该区的应力变化逐渐升高并趋于稳定（最终应力一般小于原始应力）。

4 保护层工作面上覆岩体裂隙发育分析

因受到保护层开采的采动影响，两种典型的裂隙此时形成于采场上覆的岩层中：1）竖向裂隙（垂直或斜交于层理面），这类裂隙的产生是由于岩层受到下向的弯曲拉伸，竖向裂隙能够部分或全部地穿透位于其上方和下方的岩体（称为竖向穿层裂隙），层状连续性依然存在于裂隙的两边的岩层中，煤层瓦斯通过这些采动造成的“通道”即可实现层间流动;2）离层裂隙（沿着层理面），在岩层下沉的过程中，因各层岩体的岩性、岩层厚度等的差异，造成各岩层的下沉步调不一致，由此离层裂隙产生于各岩层之间。在保护层的开采过程中，这两类裂隙的分布在相对采面的不同位置、不同高度上呈现出不均勻性，有些岩层之间出现离层现象，有些岩层之间则发生断裂和冒落。通常情况下，离层裂隙位于穿层裂隙之上，而穿层裂隙只存在于特定的高度范围内。

受到保护层开采采动的影响，覆岩分层运动不断发展从而形成了裂隙带，随着工作面的推进裂隙带处于不断的发展中，裂隙带内纵横交错着各种裂隙，大量的穿层裂隙和离层裂隙分布于其中，在卸压瓦斯的运移过程中，这两类裂隙扮演了极为重要的角色，二者在裂隙带内的形状类似于橄榄，称为椭抛带通过对保护层开采引起的覆岩运动规律的研究，钱鸣高在总结前人研究的基础上提出了采场覆岩运动的关键层理论理论指出：煤层在采出之后，覆岩向采空区移动变形的过程中，决定其变形移动速率和幅度的岩层称之为关键层。1）主关键层处在弯曲带内并位于椭抛带的上方时，位于关键层上方的岩层表现为多岩层同步变形，并且和地表沉陷相对应，此时大量离层裂隙出现在裂隙带的上部，而下部破断裂隙较为发育;2）主关键层位于椭抛带内并且贯穿其中时，椭抛带轮廓线呈椭球台状且并不明显，以竖向破断裂隙为主的采动裂隙出现在关键层的下方，而少量的离层裂隙和破断裂隙在关键层的上方微弱发育;3）主关键位于裂隙带时，在主关键层发生断裂的过程中破断裂隙开始形成，并且连通其上部的离层裂隙，形成了瓦斯运移的通道。

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作者简介：申志勇（1998.09-），男，仡佬族，贵州省务川县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

贵州省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202110977113）