深部极近距离煤层群开采底抽巷层位布置研究

郭明功 ，李延河 ，宋大钊 ，杨 港 ，邱黎明 ,3 ，杨 乘

（1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467100；2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；3.炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室，河南 平顶山 467002；4.贵州盘江煤电集团技术研究院有限公司，贵州 贵阳 550000）

煤炭是我国主体能源，随着浅部煤炭资源的不断枯竭，越来越多的矿井向深部转移[1-4]。深部开采高地应力、高地温、高瓦斯压力以及强扰动的“四高一扰动”复杂开采地质条件[5-7]极易引发煤与瓦斯突出和强冲击矿压等复合动力灾害，严重制约了煤矿安全高效生产[8]。单一的走向顺层钻孔预抽瓦斯[7,9-10]或保护层开采抽采卸压瓦斯[11-12]的治理效果已经不能满足掘采工作面卸压消突的需求。在深部极近相邻煤层工作面底板位置布置底抽巷对瓦斯治理是消除深部高瓦斯突出煤层群突出危险性的1 种有效举措[13-16]，底抽巷的掘进能打破上覆煤层的初始状态，产生局部的卸压，有利于煤层中瓦斯的解吸。

近年来，学者们围绕底抽巷的卸压与抽采效果开展了较多的研究。蒋先统[17]展开了浅埋复合关键层工作面底抽巷布置研究；李永恩等[18]通过数值模拟与理论分析对深部承压水上底抽巷围岩破坏规律及合理位置进行了研究；程志恒[19]对底抽巷钻孔设计和封孔深度进行了研究；刘志伟等[15]基于底板滑移线场理论，采用数值模拟计算底板破坏深度，确定了底抽巷的合理层位；杨随木[13]采用FLAC3D软件兼顾防变形破坏和防治水探讨了底抽巷的合理布置层位；张建国等[7,10]开发了穿层钻孔高压旋转水射流割缝增透防突技术，提高了瓦斯抽采效率；XU 等[20]分析了低抽巷不同尺寸及层位下煤层的应力分布及变形特征，发现煤层卸压区域随底抽巷掘进呈“条带状”分布；学者们在利用底抽巷治理煤层瓦斯方面进行了大量研究[14,21-22]，取得了显著的成果。影响煤层卸压效果最为主要的因素是底抽巷的布置层位，目前对于底板瓦斯抽放巷的设计主要是基于经验进行的，缺乏底抽巷布置的效果考察。特别是深部极近距离煤层群开采的条件下，底抽巷的布置层位对上伏煤层的卸压效果的研究较为缺乏。

为此，以平煤八矿深部极近距离煤层群工作面开采为研究背景，通过FLAC3D模拟研究了底抽巷不同布置层位下巷道围岩塑性分布状态的变化、上覆已15和己16-17煤层的应力分布及变形特征；在兼顾安全性及经济性的条件下确定了底抽巷最优的布置层位，并在平煤八矿已15-21050 工作面对瓦斯的治理效果进行了现场验证；研究结果为深部极近距离煤层群开采底抽巷最优层位布置提供了理论依据，对于提高矿井瓦斯灾害治理技术水平具有重要意义。

1 巷道采动卸压与煤体渗透率演化模型

采动应力对煤体的渗透率变化起着重要作用，由达西定律可知，流体流速与其所受到的压力梯度成正相关性[23]，即：

式中：v为煤体内瓦斯的流速，m/s；Q为面积为S的介质单位时间内通过的流量，m3/s；S为介质的横截面积，m2；K为渗透系数，m/s；J为水力坡度；dh为沿流动方向的水头差，m；ds为水头差对应的流程，m。

考虑到煤是1 种多孔介质，应将多孔介质的物性影响与流体的性质影响分开，因此得到了修正后的流体流速。

对于煤层的渗透率，中外学者已经建立了多种演化模型。大部分模型均在单轴应变假设下，基于气固耦合作用下瓦斯运移渗透率演化模型进行了计算[23]。

式中：k0为煤层原始渗透率，m2； σ0为初始地应力，MPa； σ为采动应力，MPa；p为煤层瓦斯压力，MPa；p0为初始瓦斯压力，MPa；M为约束轴向模量，取3.6 GPa； ϕf为煤体初始孔隙率；E为煤的体积模量，取2 GPa； εl为极限吸附膨胀变形量；pL为吸附常数的倒数，MPa。

瓦斯抽采中煤体中的游离瓦斯主要以渗流的形式向钻孔运移，假设不考虑钻孔对周围煤体的扰动作用，计算煤体内卸压瓦斯涌向钻孔的运移速度。联立式(2)、式(3)，并进行简化，由此得到式（4）：

通过实验室实验和查阅相关统计资料得到的平顶山矿区己15煤层渗透率演化模型各参数见表1。

表1 渗透率演化模型各参数值Table 1 Parameter values of permeability evolution model

根据平煤矿区己15 煤层的实际条件，设初始应力值为20 MPa，瓦斯压力为1.3 MPa。根据式(3)与式(4)可知，应力集中区煤体应力升高1 MPa 较初始应力区煤体在裂隙率上最大降低约2.87%，渗透率最大降低约10.82%；卸压区煤体应力降低1 MPa 较初始应力区煤体在裂隙率上最大升高约3.54%，渗透率最大升高约2.32%。

2 数值模型

2.1 工程背景

平煤八矿位于平顶山煤田的东部，矿井核定产能为405 万t/a，矿井主采煤层为丁5.6、戊9.10、己15、己16-17 煤层。目前二水平己一采区为矿井主采采区，己一采区己15、己16-17埋藏较深，开采深度为-800～-1 000 m，属于深部开采煤层，且两煤层相距极近，中间仅夹有1 层砂质泥岩。

研究的工作面为己15-21050 工作面，该工作面区段标高-715～-840 m，煤平均厚度3.5 m，煤层平均倾角12°。该工作面属于深部煤层工作面开采，煤层瓦斯压力2.4 MPa，瓦斯含量12 m3/t，工作面瓦斯压力高，瓦斯含量大，突出危险性高，瓦斯问题是制约该工作面安全高效生产的主要难题。为消除工作面煤与瓦斯突出危险性，该工作面在掘进期间采用底抽巷布置穿层钻孔预抽机巷、风巷条带和工作面瓦斯，以保障掘进期间生产安全。底抽巷联合抽采示意图如图1。

图1 底抽巷联合抽采示意图Fig.1 Schematic diagram of combined drainage of bottom drainage roadway

2.2 数值模型

数值模型及开采设置如图2，模型模拟设置的主要煤岩层的力学特性参数见表2。

图2 数值模型及开采设置Fig.2 Numerical model and mining setup

表2 主要煤岩层的力学特性参数Table 2 Mechanical property parameters of main coal strata

数值模型根据己15-21050 工作面的实际地质柱状图建立，模型倾角设置为12°，模型尺寸x×y×z=100 m×400 m×111 m。模型使用摩尔-库伦准则，顶部根据实际埋深施加20 MPa 的等效载荷补偿上覆岩层的压力，在x方向施加初始应力为26 MPa 的最大水平应力，在y方向施加初始应力为10 MPa 的最小水平应力。最下部使用固定边界固定节点在空间内的移动，其余面均使用滚支边界，边界上的节点只可沿边界做二维的滚动。

2.3 数值模拟方案

模型在己15和己16-17煤层中布置监测线，初始计算平衡后，设置底抽巷开挖。底抽巷开挖位置位于己16-17 煤层下方岩层，设置底抽巷顶板与上方己16-17煤层之间的净岩距离（下文简称为净岩距离）共6 组，分别为3、5、8、10、12、15 m，根据以往研究和现场经验，巷道断面尺寸根据矿井的实际条件设置为5 m（净宽）×3 m（净高）。为消除模型边界的影响，每组在距离模型边界100 m 处开始开挖，每次沿走向开挖5 m 模拟巷道掘进过程，每组共开挖200 m。通过计算及数据后处理，分析底抽巷不同布置层位下巷道围岩塑性分布状态的变化、上覆已15 和己16-17 煤层的应力分布及变形特征。

3 底抽巷采动效应模拟结果

3.1 不同垂距下煤层塑性区演化特征

模拟过程中，分别输出净岩距离3、5、8、10、12、15 m，开挖200 m 时地层的塑性区分布状态剖面图如图3，巷道围岩不同破坏类型塑性区面积如图4。

图3 不同净岩距离下煤岩层的塑性状态剖面云图Fig.3 Plastic state profile diagrams of coal strata at different net rock distances

图4 巷道围岩不同破坏类型塑性区面积Fig.4 Plastic zone area of roadway surrounding rock with different failure types

由图3 可知，净岩距离为3、5 m 时，底抽巷的掘进会引起正上方的己16-17煤层煤体发生塑性破坏，该区域煤体卸压较为充分，裂隙充分沟通，对于瓦斯抽采有利，该区域己15 煤层煤体发生弹性变形，但未造成煤体破坏。但在底抽巷布置于该位置时，净岩层中未发生塑性破坏的岩层分别为2、4 m，掘进过程中与煤层间较容易产生裂隙沟通，且发生揭煤的危险性较大。当净岩距离在8 m 以上时，己15、己16-17煤层未发生塑性破坏，底抽巷围岩破坏较为严重。由于深部煤层应力环境水平构造应力大于垂向重力，因此底抽巷的顶底板区域破坏较两帮更为严重，但是净岩层中未发生塑性破坏的岩层均在5 m 以上。

由图4 可知，底抽巷掘进巷道围岩的塑性破坏有剪切破坏和拉张破坏2 种形式，以剪切破坏为主，且塑性破坏区的面积随着净岩距离的增大总体上呈现增大的趋势；当净岩距离在8、12 m时，受实际地层不同岩性的影响，底抽巷的底板和顶板位置产生了塑性拉张破坏，底抽巷掘进引起的扰动范围扩大，底抽巷的顶底板和两帮受破坏的范围变大，可能会增加巷道支护的难度及后期维护的成本。

3.2 不同垂距下煤层垂向应力

模拟过程中，分别输出净岩距离3、5、8、10、12、15 m 时，地层及己16-17、己15 煤层垂向应力分布状态云图如图5。

图5 不同净岩距离下煤岩层应力状态剖面云图Fig.5 Coal rock stress state profile diagrams at different net rock distances

由图5 可知，当净岩距离为3 m 时，底抽巷顶板上方的煤岩体产生卸压，卸压区域一直延伸到己15煤层，底抽巷两帮岩体产生了强烈的应力集中现象，应力集中系数最高达到1.8 左右，在倾向方向上具有差异性，巷道两侧埋深越大，应力集中程度越高；随着净岩距离不断增加，底抽巷顶板上方的煤岩体产生的卸压区域先增大后减小，净岩距离为10 m 时断面产生的卸压区域最大，而巷道两侧的应力集中程度相对降低，产生应力集中的区域面积增大。

不同净岩距离下，底抽巷掘进200 m 时己16-17煤层的应力状态云图如图6。

图6 己16-17 煤层应力云图Fig.6 Stress diagrams of Ⅵ16-17 coal seam

由图6 可知，当净岩距离为3 m 时，底抽巷上方己16-17 煤层的卸压程度较大，底抽巷中部区域垂向应力最低达到16.2 MPa，卸压区域沿倾向方向上的卸压区域基本不变，己16-17煤层在巷道两帮埋深高的一侧产生了应力集中区；随着净岩距离不断增加，在倾向方向上，底抽巷中部的卸压程度逐渐下降，但是卸压范围呈现先增大后减小的趋势，当净岩距离为10 m 时，己16-17 煤层在走向方向上产生的卸压区域最大，此后随着净岩距离不断增大，己16-17煤层卸压范围又开始缩小。

净岩距离3、5、8、10、12、15 m，开挖50、100、150、200 m 时，己16-17煤层的走向方向上和倾向方向上的垂向应力曲线如图7。

图7 己16-17 煤层应力曲线Fig.7 Stress curves of Ⅵ16-17 coal seam

由图7（a）可知，当净岩距离为3 m 时，随着底抽巷的不断掘进，己16-17煤层的产生卸压的范围不断增大，底抽巷掘进至200 m 时，走向方向上己16-17煤层最小垂向应力为17.34 MPa，与初始地应力21.6 MPa 相比，降低了24.42%；当净岩距离越来越大时，己16-17煤层的卸压程度呈现降低的趋势，同一掘进距离下卸压范围逐渐缩小；但是当净岩距离为8 m 和10 m 时，己16-17 煤层的卸压效果基本相同，造成这种现象的主要原因是不同岩层岩石性质所带来的卸压效果不同。

由图7（b）可知，当净岩距离为3 m 时，煤层倾向方向的垂向应力最低为17.18 MPa，卸压程度为25.7%，在底抽巷两帮上方，己16-17煤层产生了应力集中，最高垂向应力为22.13 MPa，应力集中系数为1.25；当净岩距离不断增大时，己16-17煤层的卸压程度不断降低，己15煤层的最大卸压程度分别为25.7%、14.5%、8.3%、7.6%、6.2%和3.5%。

不同净岩距离下，底抽巷掘进200 m 时己16-17煤层的应力状态云图如图8。

图8 己15 煤层应力云图Fig.8 Stress diagrams of Ⅵ16-17 coal seam

由图8 可知，净岩距离为3 m 时，底抽巷掘进引起己15 煤层的卸压效果最好，己15 煤层垂向应力最低达到20.14 MPa。随着底抽巷顶板与己15煤层的净岩距离不断增加，在倾向方向上，底抽巷中部的卸压程度逐渐下降，但是卸压范围呈现先增大后减小的趋势，当净岩距离为10 m 时，己15煤层在走向方向上产生的卸压区域最大，此后又开始缩小；当净岩距离为15 m 时，底抽巷掘进200 m后，己15煤层在始采点的位置才开始出现明显的卸压，但是卸压范围极小，几乎可以忽略不计。

不同净岩距离下开挖50、100、150、200 m 时，己15煤层的走向方向和倾上的垂向应力曲线如图9。

图9 己15 煤层应力曲线Fig.9 Stress curves of Ⅵ15 coal seam

由图9（a）可知，当净岩距离为3 m 时，开挖200 m 时，走向方向上己15 煤层最小垂向应力为20.14 MPa，较原始地应力降低了6.8%；当净岩距离越来越大时，己15煤层的卸压程度逐渐降低，同一掘进距离下卸压范围逐渐缩小，煤层卸压出现滞后的现象。底抽巷的净岩距离为8 m 和10 m 时，己15煤层的卸压效果基本相同。

由图9（b）可知，当净岩距离为3 m 时，煤层在倾向方向上的垂向应力最低为20.1 MPa，卸压程度为6.9%，在底抽巷两帮上方的垂向应力相较于原始地应力略有升高，但幅度较小，基本可以忽略不计；当净岩距离不断增大时，己15煤层的卸压程度不断降低，己15 煤层的最大卸压程度分别为6.9%、5.6%、4.7%、4.6%、3.8%和2.3%。

综上，净岩距离为3、5 m 时底抽巷上方煤层受到采动影响可以分为卸压区、应力集中区和原岩应力区；净岩距离为8 m 以上时，上方煤层受到采动影响可以分为卸压区和原岩应力区。

3.3 不同垂距下煤层膨胀变形量

己16-17 煤层膨胀变形量演化曲线如图10。

图10 己16-17 煤层膨胀变形量演化曲线Fig.10 Evolution curves of Ⅵ16-17 coal seam expansion deformation

由图10（a）可知，走向方向上净岩距离为3 m左右时，底抽巷掘进会释放卸压空间，己16-17 煤层在走向方向上卸压后产生膨胀变形，走向中部的位置相对膨胀变形量在3‰左右，随着底抽巷的不断掘进，己16-17 煤层产生的卸压区域越来越大，在底抽巷掘进迎头后50 m 区间内未充分卸压膨胀变形量略小于底抽巷走向中部位置；而在底抽巷始采点后方后和迎头前方，由于应力集中，己16-17 煤层煤体发生了压缩变形，压缩变形量在0.5‰左右。随着净岩距离不断增大，己16-17 煤层的最大膨胀变形量在逐渐降低，最大膨胀变形量分别为3.08‰、1.83‰、1.44‰、1.29‰、0.79‰和0.46‰。

由图10（b）可知，倾向方向上净岩距离为3 m左右时，己16-17 煤层在底抽巷中部位置上的膨胀变形程度最高，最大膨胀变形量达到了3.06‰；随着净岩距离不断增加，己16-17 煤层的膨胀变形程度逐渐降低，煤层采动卸压区逐渐增大，己16-17煤层产生膨胀变形的区域分别为巷道中心点两侧-4～3 m、-7～5 m、-13～14 m、-14～15 m、-16～14 m、-17～16 m；净岩距离为3、5 m 时，巷道两侧己16-17煤层因应力集中产生压缩变形，压缩变形范围分别为巷道中心点两侧-15～-6 m、4～11 m、-11～-7 m、5～11 m。

己15煤层膨胀变形量曲线如图11。

图11 己15 煤层膨胀变形量曲线Fig.11 Evolution curves of Ⅵ15 coal seam expansion deformation

由图11（a）可知，走向方向上净岩距离为3 m左右时，己15煤层在走向方向上卸压后产生膨胀变形，走向中部的位置相对膨胀变形量在1.7‰左右，随着底抽巷的不断掘进，己15煤层产生的卸压区域越来越大；在底抽巷始采点后方产生了应力集中，使得己15 煤层煤体发生了压缩变形，压缩变形量在0.3‰左右。随着净岩距离不断增大，己15煤层的最大膨胀变形量在逐渐降低，最大膨胀变形量分别为1.74‰、1.73‰、1.29‰、1.23‰、0.86‰和0.69‰。

由图11（b）可知，倾向方向上净岩距离为5 m左右时，己15煤层在底抽巷中部位置上的膨胀变形程度最高，最大膨胀变形量达到了2.09‰；随着底抽巷与己16-17 煤层间的净岩距离不断增加，己15煤层的膨胀变形程度呈现降低的趋势，而底抽巷掘进引起采动卸压的区域逐渐增加，己15煤层产生膨胀变形的区域分别为巷道中心点两侧-12～11 m、-15～10 m、-16～18 m、-15～18 m、-15～17 m、-15～16 m。

4 底抽巷最优布置层位

4.1 最优层位布置

由前文研究可知从增大煤层卸压效果的角度考虑，底抽巷布置的位置距离煤层越近越好，但是上方煤层在底抽巷两帮位置会产生大面积的应力集中区域，应力集中区使得瓦斯抽采更加困难。不同净岩距离下的倾向方向的卸压效果如图12。

图12 不同净岩距离下的倾向方向的卸压效果Fig.12 Stress relief effect of inclined direction at different net rock distances

由图12 可知，底抽巷距离己16-17煤层越近，倾向方向上产生的卸压范围越小；当净岩距离为3、5 m时，煤层中会产生较大范围的应力集中区，而且由3.1 节可知，当净岩距离为3、5 m 时，底抽巷顶板上方岩层与己16-17 煤层发生大面积的塑性破坏，造成煤层与岩巷之间有裂隙沟通的风险；当净岩距离为12、15 m 时，煤层的卸压效果最弱，己15煤层的最大卸压程度仅为3.8%，最大膨胀变形量仅为0.46‰，在此层位下施工的钻工长度和扩孔密度大大增加，造成极其昂贵的瓦斯治理成本。因此，为达到良好的煤层卸压和瓦斯抽采防突效果并考虑经济因素，距离己16-17煤层8～10 m 为底抽巷最优的布置层位。

4.2 煤巷合理布置位置

底抽巷掘进对上覆煤岩层的应力分布，裂隙发育有着很大的影响，不同的布置层位会导致煤层不同的卸压效果和抽采效果。由于以往缺乏相关的研究，平煤矿区底抽巷的布置都是根据经验参数，这种方法在很大程度上无法充分利用底抽巷掘进的采动效应，导致瓦斯的抽采效果差，抽采周期长，甚至抽采无法达标。因此，通过对不同层位下底抽巷的卸压效果对比，综合考虑安全问题和经济成本，得到了深部极近相邻煤层底抽巷最优的层位布置参数为与己16-17煤层保持净岩距离8～10 m。

根据底抽巷掘进上覆煤层应力扰动的特征，确定了上覆煤层巷道布置的合理位置。底抽巷掘进上覆煤层扰动示意图如图13。

图13 底抽巷掘进上覆煤层扰动示意图Fig.13 Disturbance diagram of overlying coal seam tunneling by bottom pumping roadway

由图13 可知，底抽巷掘进后，上覆煤层倾向应力呈现了非均匀的分布状态。底抽巷掘进后，位于其正上方的位置卸压效果最好，该区域煤体充分变形，裂隙沟通程度较高，瓦斯治理较为容易，同时垂向应力相对较低，有利于后期煤巷的支护与维护，是布置煤巷的最佳位置；除此之外，以底抽巷中心点为原点，在两侧-5～17 m 的区间是布置煤巷的第二选择；煤巷布置要避开离底抽巷下山方向-15 m 以外以及上山方向17～40 m 范围的高应力区。

4.3 工程应用

在平煤八矿己15-21050 工作面机巷底抽巷施工过程中，机巷底抽巷顶板与己16-17煤层保持10 m左右的净岩距离。己15-21050 机巷掘进期间，沿机巷底抽巷施工268 组上向穿层钻孔，每个钻场施工10 个钻孔为1 组，钻孔布置方式如图13，封孔后联网抽放控制机巷卸压范围内的混合瓦斯气体。为了考察底抽巷在不同净岩距离下煤层卸压瓦斯预抽效果，选取了煤层褶曲附近的钻场进行瓦斯抽采浓度对比。

根据钻孔记录统计显示，煤层褶曲附近底抽巷与己16-17煤层的净岩距离达到了15 m，将该处钻场与10 m 净岩距离下的瓦斯抽采浓度进行对比。不同底抽巷净岩距离下钻场瓦斯抽采体积分数如图14。

图14 不同底抽巷净岩距离下钻场瓦斯抽采体积分数Fig.14 Gas extraction concentration in drilling field with different distances

由图14 可知，当净岩距离为10 m 时，钻场的平均瓦斯体积分数为28.1%；当净岩距离为15 m 时，钻场的平均瓦斯体积分数下降为17.1%，证明底抽巷在该布置层位下取得了良好的抽采效果。另外，己15-21050 机巷掘进期间的煤与瓦斯突出危险性进行了效果检验，掘进期间煤层残余瓦斯压力为0.37 MPa，煤层残余瓦斯含量为4.27 m3/t，均远远低于临界值0.6 MPa 和6 m3/t。

5 结 语

1）底抽巷与己16-17煤层的净岩距离越近，卸压程度越高。净岩距离为3、5 m 时底抽巷上方煤层受到采动影响可以分为卸压区、应力集中区和原岩应力区净岩距离为8～15 m 时，上方煤层受到采动影响可以分为卸压区和原岩应力区。

2）随着底抽巷与己16-17 煤层的净岩距离不断增加，底抽巷的四周的塑性区面积呈现增大的趋势，平煤矿区较大的水平构造应力导致底抽巷顶底板区域破坏较两帮更为严重；净岩距离越大，上覆煤层产生的卸压区越大，最大膨胀变形量越低，当净岩距离高于10 m 时，卸压区域的面积基本不变。

3）在综合考虑安全性及经济性的条件下，确定了底抽巷最优的布置层位为净岩距离为8～10 m；并根据底抽巷掘进上覆煤层应力扰动的特征，确定了上覆煤巷布置的合理位置。应用结果表明：底抽巷在该层位布置下结合上向穿层钻孔进行瓦斯抽采，能够有效消除深部极近距离煤层群掘进工作面的煤与瓦斯突出危险性，保证了煤巷工作面的安全掘进。