近距离倾斜煤层群上保护层开采对沿空留巷的影响研究

王海瑞

（晋能控股煤业集团 马道头煤业有限公司，山西 大同 037003）

保护层开采技术最早在我国东北、西南等高瓦斯矿区进行应用，该技术对于被保护煤层瓦斯治理具有很好的控制效果，常被应用于防治煤与瓦斯突出、实现煤层卸压增透及高效瓦斯抽采等方面[1-4]。国内外学者针对保护层开采技术进行了大量的研究工作，但大多侧重于保护层开采后对于被保护煤层的卸压增透性影响，以及后续的瓦斯抽放工艺方面，而关于上保护层开采所形成的侧向支承应力对于被保护工作面采掘空间围岩应力环境的扰动影响研究甚少[5-7]。

近距离煤层群条件下，上保护层开采后遗留煤柱体的存在将会对被保护煤层的采掘造成严重影响，尤其对于被保护层工作面两侧平巷围岩的应力扰动影响较大。当煤层存在一定的倾角时，上保护层开采后沿倾向方向在上、下两侧遗留煤柱体底板内所形成的应力扰动存在较大的差异性，这将导致被保护层工作面两侧平巷围岩受力情况与水平煤层条件差异性较大[8-9]。当被保护层工作面采用沿空留巷工艺时，考虑到沿空侧巷道采用充填墙体护巷，巷道围岩应力环境更加复杂，因此对于上保护层工作面的布置合理性要求也进一步提升。

为此，结合崔家寨高瓦斯煤矿1112 工作面的具体地质条件，通过理论计算分析了上保护层工作面在原有布置方式下对于倾斜煤层底板的应力扰动影响，并通过数值模拟对于上保护层工作面的布置方式进行了优化研究，进而在1114 接续工作面内进行了工业性试验。现场矿压监测结果表明上保护层工作面优化后的布置方式对于1114 工作面下侧沿空巷道围岩变形起到了良好的控制效果，明显改善了巷道围岩的应力环境，为类似近距离倾斜煤层群条件上保护层合理设计提供了指导依据。

1 工程地质概况

1.1 工作面地质概况

崔家寨高瓦斯煤矿目前正在开采井田范围内的南翼采区，其主采煤层为2#煤层。南翼采区内2#煤层水平标高为＋922～＋958 m，地面标高为＋1 285～＋1 312 m，平均埋深超过360 m。2#煤层可采厚度为2.6～3.8 m，平均可采厚度为3.2 m，煤层倾角变化范围为15°～24°，平均煤层倾角为20°，属于缓倾斜中厚煤层开采条件。该矿井绝对瓦斯涌出量为126.4 m3/min，属于高瓦斯矿井。2#煤层上方存在厚度为0.9～1.7 m的1#煤层，其平均厚度为1.5 m，1#煤层的倾角变化范围与2#煤层相似，变化范围为13°～23°，平均煤层倾角为19°。2#煤层与其上方1#煤层之间垂直间距在6.2～12.6 m 之间变化，平均垂直间距Lm为10.3 m，属于近距离煤层群开采。

考虑到2#煤层埋深较大以及煤体内积聚有较多的瓦斯气体，因此采用先行开采其上方的1#煤层对其进行卸压增透预处理，进而为后续2#煤层的安全高效开采起到防治效果。1112 工作面沿倾向方向宽190 m，其上方的保护层工作面沿倾向方向宽120 m，且1112 工作面的轨道平巷侧采用沿空留巷的开采工艺，所留设的护巷充填墙体宽度为2.5 m。1112 工作面平剖面布置示意图如图1。

图1 1112 工作面平剖面布置示意图Fig.1 Plane and section layout of 1112 working face

1.2 巷道矿压显现情况

上保护层的开采虽然能够起到减轻1112 工作面受瓦斯灾害影响的风险程度，但位置布置不合理时也会严重影响到1112 工作面两侧平巷的围岩应力环境，造成1112 工作面回采期间两侧平巷矿压显现剧烈、支护困难等问题。围岩表面变形破坏情况如图2，1112 轨道平巷矿压观测情况如图3。

图2 围岩表面变形破坏情况Fig.2 Deformation and failure of surrounding rock surface

图3 1112 轨道平巷矿压观测情况Fig.3 Ground pressure observation of 1112 track entry

由图2（a）可知，1112 轨道平巷顶板岩层较为破碎，工字钢梁受顶板下沉挤压变形严重，局部岩层离层严重造成支护锚杆拉断而失效；1112 轨道平巷实体煤帮（图2（b））煤体多处内鼓严重，造成了帮部锚网兜网严重，说明实体煤帮承载应力较大；1112 轨道平巷底板（图2（c））虽然前期采用C15 混凝土进行了底板硬化处理，但在较高的支承应力作用下依旧发生了严重的底鼓现象，致使硬化处理过的底板出现大范围的裂缝，对巷道正常生产运输造成了一定程度的阻碍作用。

由图3 可知，现场多个测站监测数据的平均值表明，1112 轨道平巷在留巷30 d 后围岩变形趋于稳定，此时1112 轨道平巷顶底板移近量最大值为801 mm，实体煤帮移近量最大值为403 mm，巷道围岩变形收敛严重，对于后续1112 轨道平巷的安全高效服务造成严重阻碍；同时关于护巷充填墙体承载受力监测数据的平均值表明，护巷充填墙体在1112 轨道平巷留巷16 d 时承载能力达到最大值，为13.5 MPa。充填材料标准试件实验室测试的最终抗压强度为15.2 MPa，可见护巷充填墙体的承载受力最大值与最终抗压强度的比值已高达0.89，充填墙体受力环境较差，容易在较高的支承应力作用下发生失稳破坏。

2 上保护层开采影响下底板受力分析

2.1 力学模型

当对倾角为α 的上保护煤层进行开采后，将会在上保护层采空区四周形成侧向支承应力。沿着上保护层工作面倾向方向做横向剖面，将其简化为平面应变模型进行力学分析。可知在上保护层采空区上、下两侧将会形成侧向支承应力，此侧向支承应力的存在将会导致保护层底板内应力环境发生改变。倾角为α 的上保护煤层开采后，上保护层采空区两侧的侧向支承应力分布力学简化模型如图4。

图4 上保护层采空区侧向支承应力简化力学模型Fig.4 Simplified mechanical model of lateral support stress in goaf of upper protective layer

根据图4 可知，上覆岩层在上保护层采空区上、下两侧所形成的侧向支承应力可分解为垂直于煤层的垂向应力和平行于煤层的横向应力，其中垂向应力将会直接对煤层底板产生影响。假设上保护层采空区上侧1#巷道位置处埋深为H1，下侧2#巷道位置处埋深为H2，上覆岩层的平均密度为ρ，上、下两侧侧向支承应力的应力集中系数分别为kb和kd，煤层倾角为α。在上保护层采空区上侧建立mon 坐标系，将上侧的侧向支承应力简化为线性条件，垂向应力由σn1线性增加到上峰值b 点处的σn2，然后再降低至c 点处的原岩应力σn3，其各拐点位置处的应力具体表达如式（1）。

同理，在上保护层采空区下侧建立xoz 坐标系，同样将下侧的侧向支承应力简化为线性条件，垂向应力由σz1线性增加到下峰值d 点处的σz2，然后再降低到e 点处的原岩应力σz3，其各拐点位置处的应力具体表达如式（2）。

由弹性力学理论可知[10-12]，假设煤岩体为均质且各向同性空间半无限平面体，则上保护层采空区两侧所形成的侧向支承应力的微小垂向压力载荷qdu 对煤体中任意一点N（m，n）或者M（x，z）造成的垂向应力影响如式（3）。

对上保护层采空区上、下两侧所形成的侧向支承应力，按照区间范围分别求出ob 段、bc 段、od 段和de 段用u 表示的压应力函数，如式（4）。

式中：S1、S2、S3、S4分别为侧向支承应力相邻两拐点垂直投影点间距离。

在mon 坐标系和xoz 坐标系中，应用式（3）对ob 段、bc 段、od 段和de 段积分并将式（4）代入，可得到上保护层采空区上、下两侧煤层及底板内任意一点的垂向应力，如式（5）。

在已知1#巷道和2#巷道位置处埋深H1和H2、覆岩平均密度ρ、侧向支承应力集中系数kb和kd、侧向支承应力相邻两拐点垂直投影点距离S1～S4大小的情况下，解算式（5）即可绘制出倾角为α 时上保护层采空区上、下两侧煤层及底板内垂向应力等值线云图。

2.2 底板受力分析

以图1 的1112 工作面上保护层为工程背景，取覆岩平均密度ρ 为2.5 t/m3，煤层倾角α 为19°，1#巷道（保护层运输平巷）和2#巷道（保护层轨道平巷）位置处埋深H1和H2、分别为362 m 和392 m，并根据现场工程实测数据得知侧向支承应力集中系数kb和kd分别取值为1.65 和1.05，侧向支承应力相邻两拐点垂直投影点距离S1～S4大小分别为25、20、30、25 m。将具体参数值代入式（5）并利用Matlab 软件[13]解算，绘制出的上保护煤层开采后底板垂向应力演化云图如图5。

图5 上保护煤层开采后底板垂向应力演化云图Fig.5 Diagrams of vertical stress evolution of floor after mining of upper protective coal seam

由图5（a）可知，上保护层采空区下方底板整体应力环境较好，垂向应力∑σn在底板内10.3 m 深度位置处保持在4.0 MPa 以内，远小于应有原岩应力9.3 MPa，说明上保护层采空区对于下方底板应力环境起到明显改良作用，使得此区域底板整体应力值较小；而上侧实体煤底板内10.3 m 深度位置处垂向应力∑σn保持在9.5～10.5 MPa 之间，较应有原岩应力略大，说明上侧实体煤所承载的侧向支承应力对于下方主采2#煤层应力环境的改变影响较小，对于此区域内1112 运输平巷掘巷期间围岩应力环境的影响较小。由图5（b）可知，上保护层采空区下方底板整体应力环境较好，垂向应力∑σn在底板内10.3 m 深度位置处保持在7.5 MPa 以内，小于应有原岩应力10.1 MPa，说明上保护层采空区对于下方底板应力环境起到改善效果，使得此区域底板整体应力值较小；而下侧实体煤底板内10.3 m 深度位置处垂向应力∑σn大于13.5 MPa，较应有原岩应力大，说明上侧实体煤所承载的侧向支承应力对于下方主采2#煤层应力环境的改变影响较大，对于此区域内1112 轨道平巷掘巷及留巷期间围岩应力环境的影响较大，容易造成巷道围岩矿压显现严重，图2 和图3 的1112 轨道平巷现场矿压观测结果也验证了理论计算分析的正确性。

3 上保护层工作面位置优化模拟分析

3.1 三维模型的建立

根据图1 的1112 工作面与其上保护层的相对位置关系，并结合相关地质勘探钻孔柱状图资料，采用FLAC3D软件[14]建立三维模型，所建模型的长×宽×高=450 m×430 m×130 m，模型中1112 工作面沿倾向方向宽为190 m，上保护层工作面沿倾向方向宽为120 m，1112 工作面两侧平巷的长×高=4 200 mm×3 200 mm，其中1112 轨道平巷的护巷充填墙体宽度为2.5 m，模型倾向倾角α 定为20°。三维模型的建立如图6。

图6 三维模型的建立Fig.6 Establishment of a 3D model

对图6 所建立的三维模型四周边界进行水平位移约束，对模型底面边界进行水平和垂直位移约束，同时在模型上表面施加等效均布载荷6.8 MPa。所建立的三维模型整体采用Mohr-Coulomb 本构模型，重力加速度设置为10.0 m/s2，侧压系数λ 值参考矿方地应力测试结果取值为1.3。所建立的三维模型中煤岩层赋值参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

图6 三维模型中充填墙体采用应变软化本构模型[15-16]，其体积模量、剪切模量、密度和单轴抗压强度等参数根据实验室标准试件（φ50 mm×100 mm）单轴压缩试验测试而获得，分别取值为1.90 GPa、1.45 GPa、1 100 kg/m3和13.1 MPa。其黏聚力和内摩擦角等参数应用试错法[17-18]获得，即对比标准试件数值模拟和实验室测试的应力－应变曲线，当其两者应力－应变曲线吻合程度较高时，可以得到1组最优的黏聚力和内摩擦角随应变变化的参数值，黏聚力和内摩擦角与应变变化关系表见表2。

表2 黏聚力和内摩擦角与应变变化关系表Table 2 Relationship between cohesion,internal friction angle and strain

3.2 数值模拟结果

根据图6 所建立的三维模型，进行数值模拟运算，模型计算步骤为：①初始原岩应力计算→②掘进保护层运输平巷和轨道平巷→③回采上保护层工作面→④掘进1112 运输平巷和轨道平巷→⑤回采1112 工作面→⑥沿空留巷→⑦回采邻近接续工作面。通过改变上保护层工作面布置位置，分别数值模拟研究了上保护层工作面位于1112 工作面和1112轨道平巷上方时对于1112 工作面采掘空间围岩的应力扰动情况。上保护层工作面2 种不同布置方案如图7。

针对图7（a）和图7（b）2 种不同的上保护层工作面布置方案，分别数值模拟了1112 工作面采掘空间围岩的垂直应力空间演化规律，上保护层工作面位于1112 工作面上方如图8，上保护层工作面位于1112 轨道平巷上方图9。

图7 上保护层工作面两种不同布置方案Fig.7 Two different layout schemes for working face of upper protective layer

图8 上保护层工作面位于1112 工作面上方时围岩垂直应力空间演化Fig.8 Spatial evolution of vertical stress of surrounding rock when the working face of upper protective layer is above the working face 1112

图9 上保护层工作面位于1112 轨道平巷上方时围岩垂直应力空间演化Fig.9 Spatial evolution of vertical stress of surrounding rock when the working face of upper protective layer is located above the 1112 track drift

从图8（a）可知，回采初期阶段1112 工作面未推进至上保护层采空区下方，此时在工作面下端头位置处应力集中程度较大，最大峰值应力为57.3 MPa，且1112 轨道平巷整体围岩应力值较大。从图8（b）可知，当1112 工作面推进至上保护层采空区下方时，此时工作面下端头位置处应力集中程度进一步增大，最大峰值应力为62.5 MPa，且1112 轨道平巷整体围岩应力依旧保持在较大值。综合分析可知，现有上保护层布置方式不能够实现对于工作面下端头煤体以及沿空侧1112 轨道平巷围岩的整体卸压作用，反而还会进一步增加煤岩体的承载应力值，而对于上侧的1112 运输平巷围岩应力值影响较小，这一数模模拟结果与前述现场矿压显现情况以及理论计算分析结果吻合性较高。因此1112 工作面回采期间矿压显现多集中于下侧沿空巷道内，这将导致巷道围岩支护控制困难，且不利于沿空留巷工艺的实施。

从图9（a）可知，回采初期阶段1112 工作面未推进至上保护层采空区下方，此时在工作面下端头位置处应力集中程度较大，最大峰值应力为52.7 MPa，且1112 轨道平巷整体围岩应力值较大。从图9（b）中可知，当1112 工作面推进至上保护层采空区下方时，此时工作面下端头煤体以及沿空侧1112 轨道平巷围岩的整体卸压效果显著，1112 轨道平巷整体围岩应力值较小，而峰值应力最大值位置处于工作面煤体深部。综合分析可知，优化后的上保护层布置方式能够实现对于工作面下端头煤体以及沿空侧1112 轨道平巷围岩的整体卸压作用，有利于下侧沿空巷道围岩支护控制以及沿空留巷工艺的实施，而1112 工作面煤体深部存在的高应力不会对支护强度相对薄弱的1112 轨道平巷造成影响，同时对配备有液压支架高强度支撑的工作面影响也较小。

4 现场工业性应用

现场当1112工作面的接续面即1114 工作面回采期间，将其上保护层工作面按照图7（b）布置于1114 轨道平巷上方，并通过液压支架上的KJ216 顶板动态在线监测系统对1114 工作面回采期间的工作阻力进行监测，同时在1114 轨道平巷内布置测站对围岩变形量进行监测[19-21]。

4.1 液压支架工作阻力监测

随着1114 工作面的回采推进，工作面内液压支架工作阻力监测云图的演化规律如图10。

由图10 可知，随着1114 工作面初始回采推进，当1114 工作面位于上保护层采空区影响范围之外时，工作面内液压支架的工作阻力整体高于24 MPa；随着1114 工作面进一步的回采推进，当1114 工作面位于上保护层采空区影响范围之内时，此时工作面内液压支架的工作阻力在靠近1114 轨道平巷的下侧整体低于12 MPa，而在靠近1112 轨道平巷（沿空留巷）的中、上侧整体高于36 MPa。工作面内液压支架工作阻力监测结果表明1114 轨道平巷（沿空留巷）围岩受上保护层采空区卸压影响，其围岩整体应力环境良好，这与上述数值模拟结果相一致。说明对上保护层工作面布置方案优化调整后，能够有效实现对工作面下侧煤体的整体卸压，进而有益于沿空留巷工艺的实施。

图10 1114 工作面内液压支架工作阻力监测云图Fig.10 Cloud chart of working resistance monitoring of hydraulic support in working face 1114

4.2 1114 轨道平巷围岩矿压观测

1114 工作面回采期间，对超前工作面的1114轨道平巷（沿空留巷）围岩变形量进行观测，分别在上保护层采空区卸压影响范围内、外各布置3 组间隔20 m 的测站，1112 轨道平巷围岩变形监测曲线如图11。

图11 1112 轨道平巷围岩变形监测曲线Fig.11 Deformation monitoring curves of surrounding rock in track entry 1112

由图11 可知，当1114 轨道平巷未受到上保护层采空区卸压影响时，其围岩顶底板收敛量最大为411 mm，两帮移近量最大为379 mm，整体围岩变形较为严重；而当1114 轨道平巷受到上保护层采空区卸压影响时，此时围岩顶底板收敛量最大为147 mm，两帮移近量最大为129 mm，降幅分别高达为64.1%和66.0%。此时巷道围岩整体变形较小，围岩所处应力环境良好，说明对上保护层工作面布置方式优化调整后能够有效实现对1114 轨道平巷围岩的整体卸压效果。

5 结 语

1）理论计算分析了近距离倾斜煤层群上保护煤层开采后底板内受力情况，指出上保护层采空区下方底板整体应力环境较好；上保护层采空区两侧实体煤下方底板受采空区侧向支承应力影响整体应力环境较差，且下侧实体煤下方底板应力值要远高于上侧实体煤下方底板应力值。

2）数值模拟研究指明上保护层工作面位于1112轨道平巷（沿空留巷）上方时能够实现对于1112 工作面下端头侧煤体以及沿空侧1112 轨道平巷围岩的整体卸压作用，有利于下侧沿空巷道围岩支护控制以及沿空留巷工艺的实施。

3）现场于1114 接续工作面回采期间进行了现场工业性试验，结果表明当上保护层工作面位于1114轨道平巷（沿空留巷）上方时，受上保护层采空区卸压保护影响，靠近1114 轨道平巷的下侧工作面内液压支架工作阻力整体较低，且1114 轨道平巷围岩整体变形量较小，说明对上保护层工作面布置方式优化调整后对于被保护煤层的安全高效开采效果显著。