上保护层开采卸压效应研究

冯聪

摘  要：为研究上保护层开采邻近煤层卸压效果，以青龙煤矿二采区16和17煤层为研究背景，基于离散元数值模拟手段分析上保护层开采对高瓦斯煤层的裂隙发育和膨胀变形等特征，并通过现场应用验证瓦斯抽采效果。研究表明：基于UDEC模拟上保护层开采，被保护煤层最大膨胀变形区域位于切眼和停采线附近，其最大膨胀变形量为27.9mm和26.1mm，相对煤层膨胀变形率为2.0%和1.86%，远大于0.3%，表明煤层卸压增透效果好；17煤层瓦斯压力下降高达62.5%，残余瓦斯含量低于8m3/t，瓦斯抽采效果较好，以期为类似工况条件的卸压瓦斯治理提供参考。

关 键 词：保护层开采 高瓦斯煤层 卸压效应 研究

采区瓦斯涌出量增大。瓦斯预抽是降低井下瓦斯含量最有效的方法。目前，我国瓦斯抽采效率普遍较低，而保护层开采是提高瓦斯预抽的最有效防治技术。因此，对保护层开采下高瓦斯煤层卸压瓦斯抽采的研究具有十分重要的意义。

许多学者对卸压瓦斯抽采进行了大量的研究。如在实验研究方面，李琰庆等提出“采前、采中、采后”“本煤层、邻近层、采空区”“井下、井上”立体抽采瓦斯技术；程志恒等构建了保护层开采+底抽巷定向钻孔群共采技术；高明忠等分析保护层开采低扰动下煤体裂隙充分发育，可以改善煤层透气性和稳定性利于瓦斯抽采，实现安全高效开采；在理论分析方面，张村等提出工作面推进速度的敏感因子，可作为瓦斯抽采的评价指标；甘林堂等研究表明钻井布置在裂隙区内，可有效提高瓦斯抽采率；王恩元等综合分析了保护层开采技术研究现状，指出针对不同条件下的保护层技术进行合理规划，依然是我国现有区域防突措施的首要途径。杨科等根据现场瓦斯数据反演，指出关键层的破断对采动裂隙发育和被保护层瓦斯涌出起控制作用。在数值模拟方面，肖家平等运用数值模拟研究得出工作面采取的垂直布置方法，被保护层卸压效应影响良好；程祥等基于数值模拟研究探讨用软岩作为保护层进行开采，并设计了地面采动井、拦截钻孔、穿层钻孔配合采空区埋管抽采为核心的卸压瓦斯抽采体系；闫浩等利用UDEC模拟分析了上保护层开采下充填控制裂隙瓦斯通道演化规律，并指出当充实率为40%时，不影响瓦斯抽采效果。

综上所述，前人在保护层开采卸压效果以及卸压瓦斯抽采等方面研究成果丰富。笔者基于前人研究的基础上，结合贵州地区青龙湾煤矿实际工程地质条件，结合离散元数值模拟手段研究采动裂隙分布区域和最有抽采参数，据此针对卸压瓦斯提出合理抽采方式，并进行现场应用和效果检验，以期为类似工况条件的卸压瓦斯治理提供参考。

1 保护层开采合理性分析

1.1 工程概况

贵州煤矿地质条件复杂，与其他地区相比具有煤层薄、煤层透气性差、突出煤层多、地质构造复杂等特征。青龙煤矿处高山地区，煤层埋深变化大，地质构造复杂，经鉴定为煤与瓦斯突出煤矿，其二采区下部煤层有16、17、18煤层，其中17煤层瓦斯含量值为7.32m?/t～9.14m?/t，煤层整体偏软，瓦斯含量高、瓦斯压力大，存在煤层抽采、瓦斯区域消突周期长、瓦斯治理工程量大等诸多问题。

21605工作面煤层总体趋势呈南高北低的单斜构造，煤层产状变化较大，21605工作面16煤埋深为200～324m，工作面走向长1550m，倾斜长212m，厚度1.3～3.4m，平均采高2.6m，倾角9°～16°，一般为13°。17煤层距离16煤层3.2～7.3m，平均5.5m。

2 离散元数值模拟研究

以青龙煤矿21605工作面地质条件建立UDEC数值模型（图2），本构模型为摩尔-库仑模型，节理采用节理面接触-库伦滑移准测。设计模型长度为200m，高度为90m，工作面采高2.6m，根据煤岩岩性进行节理划分，约束固定模型边界，同时为了减小左、右边界效应，在两侧各留设有20m煤柱，中间开采长度为120m，每次推进距离20m。各岩层与节理的物理力学参数如表1所示。

2.1 上保护层开采煤体裂隙发育情况

数值模拟过程中21605工作面每次开挖20m向前推进，图3给出了上保护层开采下被保护层煤体裂隙发育情况。

据图3可知，工作面从20m推进至40m时，17煤层与保护层之间因底鼓引发的层间裂隙出现闭合，17煤层煤体裂隙逐步发育；工作面从40m推进至80m时，顶板破断垮落，17煤层顶板裂隙与保护层底板裂隙贯通，裂隙发育范围持续扩展促使弯曲下沉；工作面从80m推进至140m时，采空区中部出现压实裂隙并呈扩大趋势，其他地区裂隙发育保持原态；工作面从140m推进至160m时，裂隙发育已趋于稳定，煤体受容易受载荷作用逐渐压实，主要产生压实裂隙。综上17煤层在自重力和水平应力的作用下，发生拉伸剪切破坏、下沉、水平运移及垮落压实再次形成平衡状态，其煤层两端裂隙发育范围更广泛。

2.2 上保护层开采煤体竖向膨胀变形规律

为进一步研究被保护层厚度变化与工作面推进距离的关系，在被保护层顶底板选取两条测线，每条测线布置12个测点，观测保护层开采160m后，被保护层厚度变化特征，由图4可知：

当上保护层开采后，17煤层前段测点处膨胀变形逐渐有压实趋势，17煤层中段测点处压缩变化明显，最大压缩变形点位于走向相对位置64m，最大压缩变形值为80mm，相对煤层压缩变形率为5.72%；最大膨胀变化区域为煤层两端，最大膨胀变形量为27.9mm和26.1mm，相对煤层膨胀变形率为2.0%和1.86%，满足《防治煤与瓦斯突出规定》[14]中被保护层最大膨胀变形率大于千分之三的规定，这表明保护层开采下，被保护层卸压增透效果较好。

3 上保护层开采17煤层卸压瓦斯抽采优化设计

3.1 钻孔设计

青龙煤矿17煤层属于高瓦斯低透气性煤层，其瓦斯治理工程应该充分考虑上保护层开采煤岩裂隙特征和钻孔设计方案。根据上述研究，在21605底抽巷两端D13点和D12点处布置两组钻孔，每点布置7个钻孔，每组间距在20m以上，其17-4号钻孔为抽采钻孔，在距抽采钻孔位置间距为1m、2m、3m、4m、5m、6m分别布置测压钻孔，参数选择负压25kPa，直径96mm，如图5所示。

3.2 被保护层卸压瓦斯抽采效果分析

21605底抽巷D13控制点向后50m处的17-4钻孔位置开始抽采，抽采过程中17煤层瓦斯压力和抽采参数随抽采时间变化趋势如图6所示。

由图6可以看出：①17-1、17-7钻孔距17-4抽采钻孔4m外，瓦斯压力变化幅度不大，抽采120d后瓦斯压力分别为0.38和0.3Mpa，均小于煤层原始压力；②17-3、17-5以及17-6钻孔在抽采的前40d，瓦斯压力基本呈线性下降，抽采120d后分别降低了0.25、0.21和0.39Mpa，瓦斯压力下降高达62.5%，瓦斯抽采效果好；③17-7钻孔瓦斯压力平缓降低，最终降低至0.3MPa；综上，17煤层瓦斯卸压效果良好。

3.3 被保护层瓦斯含量测定分析

在所有试验钻孔连孔前，完成17-1到17-7的原始瓦斯含量测定，经过120d瓦斯抽采后，对钻孔附近3个地点煤样进行残余瓦斯含量测定，根据瓦斯含量变化值，由表2可知，编号1、2和3煤样残余瓦斯含量分别为7.2302、6.4670及6.4308m?/t，均小于8m?/t，符合《防治煤与瓦斯突出规定》[14]要求，表明瓦斯抽采效果较好。

4 结论

1） 利用离散元软件UDEC模拟分析了上保护层开采下煤体裂隙发育情况，随着上保护层的开采，17煤层裂隙经历了“新生裂隙→贯通裂隙→压实裂隙”的动态演化过程。17煤层最大膨胀变化区域位于为切眼和停采线附近，最大膨胀变形量为27.9mm和26.1mm，相对煤层膨胀变形率为2.0%和1.86%，远大于0.3%，表明煤层卸压增透效果好。

2） 通过对17煤层瓦斯抽采钻孔进行优化设计，抽采120d后，17煤层瓦斯压力下降高达62.5%，煤层残余瓦斯含量均小于8m?/t，瓦斯抽采效果较好，以期为类似工况条件的卸压瓦斯治理提供参考。

参考文献

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（作者单位：贵州大学矿业学院、复杂地质矿山开采安全技术工程中心、瓦斯灾害防治与煤层气开发研究所）