上保护层开采遗留煤柱对保护效果的影响

肖 健，陈学习，毕瑞卿

（1.华北科技学院安全监管学院，河北 三河 065201；2.华北科技学院培训中心，河北 三河 065201）

矿井深部开采时煤与瓦斯突出和冲击地压是制约煤矿安全高效开采的主要灾害之一，保护层开采是瓦斯治理和冲击地压防治的有效手段[1-3]。在保护层开采过程中，因隔离采空区、护巷等原因需要留设煤柱，保护层开采遗留煤柱影响区的保护效果对防突、防冲措施的选择、安全高效采掘都有着重要意义[4-7]。煤柱影响区的瓦斯赋存规律和应力环境与煤柱尺寸、煤层埋深、层间距密切相关。煤柱尺寸较大时，能够长时间保持稳定，上覆煤岩层形成的集中应力不足以使煤柱完全破坏，会造成影响区应力集中、瓦斯释放困难等现象，有时还可能存在潜在的危险[8-12]。煤柱尺寸较小时，在原岩应力的作用下，煤柱整体处于塑性破坏状态，在邻近工作面回采后发生失稳破坏对被保护层保护效果较好[5,13-16]。保护层与被保护层层间距大于26 m 时，被保护层的三维应力将不再受遗留煤柱的影响[17]。目前对残余煤柱影响区实际的瓦斯赋存释放效果和应力环境进行研究较少。为此，以平煤四矿己15 保护层的己15-23140工作面和己15-23160 工作面之间遗留的小煤柱和下部被保护的己16.17 煤层的己16.17-23140 工作面和己16.17-23160 工作面为研究对象；首先通过数值模拟分析煤柱受采动影响的应力和位移变化，然后现场探测煤柱现存形态和煤柱影响区瓦斯含量、钻屑量测试；由测试结果分析煤柱影响区瓦斯赋存规律和应力环境，为平煤四矿己16.17-31060 工作面煤柱影响区灾害治理提供指导和依据。

1 工程概况

平煤四矿主要开采丁、戊、己和庚组煤层，其中己组煤包括己14、己15 和己16.17 煤层，己14 煤层基本不可采，己15 煤层和己16-17 煤层为主采煤层。

本次主要研究对象为己15 煤层遗留的区段煤柱及其在己16.17 煤层形成的煤柱影响区。煤柱影响区根据现行标准提供的参考卸压角划定，煤层倾角8.0°时深部和浅部卸压角均为75°[18]（图1 剖面图中黄色区域），研究对象平面位置关系和剖面位置关系如图1。

图1 研究对象位置关系图Fig.1 Location diagram of the research object

煤柱1 下方已掘进己16.17-23160 风巷，煤柱影响区已基本不存在，本次主要考虑煤柱2 形成的煤柱影响区。研究范围内己15、己16.17 煤层平均厚度分别为1.6、3.5 m，平均倾角均为8.0°。己15 煤层直接底为泥岩厚度约2.0 m，基本底为砂质泥岩厚度约6.0 m，直接顶为砂岩厚度约6.0 m，基本顶为中粗粒砂岩，厚度约15.0 m。己15 煤层遗留煤柱两侧和两煤柱之间的巷道均沿己15 煤层顶板掘进，巷道宽度均为5.0 m，煤柱宽度均为4.0 m，工作面倾斜长175.0 m。己16.17煤层直接顶、直接底和基本底均为粉砂质泥岩，直接顶平均厚度6.0 m，伪顶和基本顶均为泥岩厚度分别为1.0 m 和2.0 m。己16.17-23140 工作面倾斜长190.0 m，己16.17-23140 机巷与己16.17-23160 风巷中对中10 m 布置，巷道和煤柱宽度均为5.0 m，与上部己15 煤层平均间距9.0 m。该位置己16.17 煤层埋深约910.0 m，工作面原始煤层瓦斯含量4.66～7.68 m3/t。

2 数值分析

2.1 模型建立

以己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面及己16.17-23160 风巷为原型，建立FLAC3D数值模拟模型如图2。数值模拟中使用的各煤岩层、煤层力学参数见表1。

图2 模型图Fig.2 Numerical simulation model diagram

表1 数值模型煤岩参数统计表Table 1 Statistical table of coal and rock parameters of numerical model

模型长度（x 方向）为810.0 m、宽度（y 方向）为600.0 m、高度（z 方向）为328.9 m，己15 煤层厚度1.6 m，己16.17 煤层厚度3.5 m，煤层倾角均为8.0°，由x轴0 点向x 轴正方向倾斜。开挖区域与模型边界的距离：x、y 轴正、负方向分别均为200.0 m，z 轴正、负方向最小边界均为80.0 m。材料本构模型为摩尔库伦，为提高建模效率和运算速率，将距离较远的煤岩层合并，同一岩性参数保持一致。

将模型表面分为east、west、south、north、top 和bottom 共6 个面，采用加速度对模型边界条件进行设置：①设置条件top 为自由边界，同时根据煤层埋深和上覆岩层密度，施加20.0 MPa 的上覆岩层原岩应力；②其余5 个面设置加速度为0，即固定边界。模型分4 步开挖：①开挖己15-23140 工作面；②开挖己15-23160 联络巷和己15-23160 工作面；③开挖己16.17-23140 工作面；④开挖己16.17-23160 风巷。

2.2 数值模拟结果及分析

开启大变形条件下模拟分析，在y=300 的煤柱两侧共设置6 个监测点（a0、a1、a2、b0、b1、b2）对z 方向、x 方向位移变化进行监测记录，监测点固定在煤柱网格节点上。开挖过程中历史数据记录间隔为100 步，位移变化如图3。

图3 位移变化图Fig.3 Displacement change diagrams

1）煤柱2 在其x 轴负方向的己15-23140 采动影响下煤柱网格点向z 轴负方向和x 轴正方向移动。节点所在位置越高z 方向的位移量越大，煤柱上壁z方向的位移量比下壁更大，最大位移量为62 mm；x方向的位移量各个监测点基本一致，数值上在37 mm 上下波动。

2）在己15-23160 采动影响下：①节点仍向z 轴负方向移动，不同网格点移动规律与己15-23140 开挖时相同，但在位移增量上有较大差别，最大位移增量为172 mm 是己15-23140 开挖时的近3 倍，最大累计位移量为234 mm；②x 方向位移在煤柱两侧煤壁出现完全不同的变化，上壁向x 轴负方向移动位置越低的监测点位移量越大，最大位移增量为77 mm，最大累计位移量为40 mm；③下壁向x 轴正方向移动不同高度的监测点位移变化规律与左侧一致，最大位移增量为109 mm，累计位移量为146 mm。

3）在己16.17-23140 采掘和己16.17-23160 风巷掘进影响下，煤壁两侧节点位移沿己15-23160 掘进时的增长趋势继续增加，z 轴负方向、x 轴正、负方向最大累计位移量分别为289、55、156 mm。

4）由图3（c）、图3（d）可知，整体位移量较大的是己15-23140 及己16.17-23140 工作面之间的岩层。其余位置已采空的工作面z 轴方向位移为底板向正方向移动、顶板向负方向移动，x 轴方向底板基本无变化，己15-23140 顶板向负方向移动，己15-23160 顶板向正方向移动。

综合分析可知，己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面及己16.17-23160 风巷的采掘活动均对煤柱2 的位移有影响，其中己15-23160 工作面的影响最为显著。开挖结束后模拟煤柱由原来的规则平行四边形被压缩成上下两端相对窄、中部相对宽的不规则圆柱面，实际的煤柱可能已经发生失稳破坏。

2.3 现场探测

现场煤柱是否破坏需进一步进行煤柱形态的现场验证。在井下己16.17-2160 风巷布置2 组探煤钻孔，探测点位置如图4，煤柱探测结果如图5。

图4 钻孔平面布置图Fig.4 Drilling layout plan

图5 煤柱探测结果Fig.5 Coal pillar detection results

由图5 可知，原始高度为1.6 m 的煤柱1 和煤柱2 均已失稳坍塌。煤柱2 原始位置处2 个探测点探得的残余煤柱高度均为0.59 m，略高于邻近位置的残余煤柱高度，煤柱高度最小损失比达63%。

3 残余煤柱影响区现场测试

3.1 测试指标和测试方案

1）测试指标。煤层残余瓦斯含量是受人的活动影响效果的重要指标，钻屑量是煤体所处应力环境的有效指标，2 个指标测试过程操作简单、易获取准确数据[19-21]。因此将煤层残余瓦斯含量和钻屑量作为煤层瓦斯释放效果和应力环境的表征参数。

2）测试方案。己16.17-23160 风巷-1 基点以里66.0 m 为测试工作的起点，每间隔45.0 m 施工1 个长度20.0 m，倾角-8.0°的顺层钻孔，共施工6 个，沿己16.17-23160 风巷累计测试长度为225.0 m。每个钻孔从第2.0 m 开始每间隔1.0 m 取1 次测试样品，进行煤层残余瓦斯含量和钻屑量测试。

3.2 测试结果

煤柱1 的煤柱影响区内，己16.17-23160 风巷已完成掘进，煤柱影响区已经基本不存在，本次测试主要考虑煤柱2 的煤柱影响区瓦斯赋存规律和应力环境。因己16.17-23160 风巷是己16.17-23160 工作面的最浅部位，所以选择原始瓦斯含量测试结果区间的最小值作为研究范围的煤层原始瓦斯含量。共计测试60 个残余煤层瓦斯含量和60 个钻屑量，绘制煤层瓦斯含量测试结果如图6，钻屑量测试结果如图7。

图6 瓦斯含量测试结果图Fig.6 Gas content test result graph

图7 钻屑量测试结果图Fig.7 Test result of cuttings amount

由图6 可知，煤层残余瓦斯含量测试结果中，6个测点的变化趋势基本一致，总体呈现先上升，后下降的趋势，从测值变化可细分为3 个阶段。

1）8 m 之前测值缓慢上升，说明煤柱2 在这个距离内的影响较为微弱，巷道的影响向煤柱影响区扩展，煤体瓦斯由于瓦斯梯度的存在向巷道空间主动转移，转移的距离越远需克服的阻力越大。

2）8～14 m 测值基本呈现对称分布，是整个煤层残余瓦斯含量测值结果的峰值区间，位于己15 煤层遗留煤柱2 的下方，说明受上部残余煤柱应力传递的影响，瓦斯释放相对比邻近风巷和参考保护区的煤体更困难。

3）14～16 m 测值缓慢下降，16 m 处取样位置已进入根据参考卸压角划定的参考保护区内，保护区内同一测点测值保持基本不变，且处于较低水平，说明参考保护区内有良好的卸压保护效果。平均值曲线10～12 m 之间是测试平均值曲线的峰值区间，可能有高于现有测值的煤层残余瓦斯含量，但根据10 m 处和12 m 处的及较远取样点的测值变化规律，10～12 m 之间存在的较大测值与10 m 处和12 m 处测值不会存在较大变化。瓦斯释放率曲线由测试深度2～10 m 不断降低，12～14 m 瓦斯释放率升高，15 m 以后瓦斯释放率基本保持不变，稳定在1.90 m3/t左右。总体来说，己15 煤层残余煤柱2 对己16.17 煤层瓦斯释放有一定影响，但整个影响区内测试的最大残余瓦斯含量仅为2.63 m3/t，并未形成瓦斯异常高值区，仅是原始煤柱下方煤柱影响区中心的瓦斯释放效果比邻近区域稍差一些，瓦斯释放率仍保持在50%以上，残余煤柱影响区的煤层瓦斯同样得到较好的释放。

由图7 可知，钻屑量变化规律与残余瓦斯含量变化规律相同，且同一测试深度测值区间较为稳定，没有出现异常值，说明同一取样深度所处的应力环境基本一致。从己16.17-23160 风巷下帮2 m 处煤体钻屑量测值至10 m 处测值一直处于逐步上升的阶段，说明煤柱影响区应力环境从己16.17-23160 风巷下帮煤壁开始至煤柱2 下方应力逐渐升高。10～14 m测值快速下降，说明从煤柱2 开始至参考保护区应力逐渐减低。15 m 以后同一测点测值基本稳定，不同测点同测试深度的钻屑量差异也较小，说明理论保护范围内应力环境基本一致。平均值拟合曲线极值与残余瓦斯含量极值出现在同一区间，但不存在突变的可能。整个取样测试范围内，存在测值的不同程度变化，说明残余煤柱2 对煤柱影响区起到了一定的应力传递作用。但得到的测值所在区间为2.2～3.7 kg/m，距离给定的突出危险临界值6.0 kg/m 有着较大差距[18]，说明残余煤柱2 在下方的己16.17 煤层煤柱影响区未形成明显的应力集中。

综合图6 和图7 分析可知，残余煤柱2 的影响区己16.17 煤层残余瓦斯含量与钻屑量极值点所在区间一致，说明应力环境能够影响瓦斯的转移和释放，但由于残余煤柱对应力的传递较弱，煤柱影响区未形成明显的应力集中区、瓦斯释放率处于较高水平。

4 结 论

1）己15-23140、己15-23160、己16.17-23140 工作面和己16.17-23160 风巷的采动均对己15-23160 联络巷下帮遗留煤柱2 压缩变形位移量有影响，其中影响最为显著的是己15-23160 工作面，z 负、x 负、x 正方向最大累计位移量分别为0.289、0.055、0.156 m。

2）煤柱2 破坏后最大残余高度为0.59 m，损失高度1.01 m，损失比达63%。

3）煤柱2 影响区残余瓦斯含量和钻屑量随取样深度呈现先增后降再平稳的趋势，残余瓦斯含量和钻屑量均远低于有突出危险的临界指标，瓦斯释放率高于50%，煤柱影响区无明显应力集中形成且瓦斯释放效果较好，遗留4 m 煤柱对被保护层保护效果有连续性。