劉宜平，朱恒忠，殷帥峰

(1.安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 宿州 234000；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；3.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 三河 065201)

煤與瓦斯突出礦井開采過程中，瓦斯爆炸、瓦斯突出等災(zāi)害嚴(yán)重威脅礦井安全高效生產(chǎn)[1]。瓦斯抽放、松動爆破、水力壓裂和煤層注水等防治瓦斯災(zāi)害的措施已經(jīng)得到了大范圍推廣應(yīng)用[2-5]。保護(hù)層開采作為防治瓦斯突出的措施之一，尤其適用于煤層群開采。為阻隔采空區(qū)積水、保護(hù)建筑物和地表重要基礎(chǔ)設(shè)施，有些工作面開采時(shí)必須留設(shè)煤柱。煤柱留設(shè)會造成應(yīng)力集中并引起集中應(yīng)力的傳播，極易形成應(yīng)力集中區(qū)，誘發(fā)瓦斯突出[6，7]。以往學(xué)者綜合運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬等手段就煤柱穩(wěn)定性、煤柱強(qiáng)度、煤柱尺寸設(shè)計(jì)及失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了大量研究。針對保護(hù)層開采，學(xué)者們從煤巖體變形、瓦斯?jié)B流、裂隙發(fā)育等視角詳細(xì)探究了保護(hù)層開采后的卸壓效果[8-12]。然而，目前關(guān)于留設(shè)煤柱對被保護(hù)層開采時(shí)應(yīng)力分布影響的有關(guān)成果鮮有報(bào)道。留設(shè)煤柱直接影響到被保護(hù)層的保護(hù)范圍劃分、保護(hù)效果考察及防突措施的針對性選擇。本文重點(diǎn)運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法，采用應(yīng)變軟化模型，系統(tǒng)研究被保護(hù)層開采過程中支承壓力的動態(tài)變化規(guī)律、應(yīng)力重分布規(guī)律，以期為煤柱影響的被保護(hù)層保護(hù)范圍劃定及針對性防突措施提供理論依據(jù)。

1 工程背景

1801工作面位于良村煤礦西段，主采C8煤，工作面走向長約248m，傾向長225m，埋深為235～460m。該區(qū)域地址構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度為1.85～2.10m，平均為2.02m。C8煤層上距C5煤層的距離約為23.55m，下距C12煤層的距離約為16.48m。C8煤層頂板為細(xì)砂巖，底板為粘土巖。根據(jù)C5、C8、C12煤層的突出鑒定結(jié)果，C8煤層突出危險(xiǎn)性最大。因此將C5與C12煤層作為C8煤層的保護(hù)層，采用上行式開采，先開采C12煤層、其次C8煤層、最后C5煤層。但由于1801工作面下覆C12煤層在開采過程中為滿足巷道部署需求，留設(shè)了18#上山保護(hù)煤柱，使得1801工作面部分區(qū)域未受保護(hù)，重點(diǎn)考察此C12煤層上山保護(hù)煤柱對1801工作面開采時(shí)的應(yīng)力分布特征，用于指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

2 數(shù)值模型的建立

采掘擾動會誘發(fā)煤巖體變形和自身強(qiáng)度的降低。煤巖體在破壞之前經(jīng)歷了應(yīng)變軟化階段，可定義為一種彈塑性體。前人研究經(jīng)表明，采用應(yīng)變軟化模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果更符合現(xiàn)場實(shí)際[13-15]。以1801工作面為原型，模型長360m、寬260m、高150m，共劃分65520個(gè)網(wǎng)格和70596個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型四周固定水平位移、底部固定垂直位移，如圖1所示。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。其中煤層C12、C8、C7和C5的厚度分別為1.3m、2m、1m和1.5m。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 被保護(hù)層開采過程中的支承壓力動態(tài)變化

受采掘擾動影響，工作面前方煤巖體的應(yīng)力重新分布。在支承壓力的影響下，工作面煤壁前方的煤巖體將會產(chǎn)生裂隙，進(jìn)而促進(jìn)瓦斯流動[16]。因此，需要探究被保護(hù)層開采過程中的支承壓力動態(tài)變化，為瓦斯防治提供理論依據(jù)。被保護(hù)層在推進(jìn)20m、40m、60m……280m時(shí)的支承壓力變化如圖2所示。保護(hù)層開采后，被保護(hù)層工作面除煤柱影響區(qū)外，整體處于卸壓狀態(tài)。被保護(hù)層工作面前方的支承壓力值很小，但煤柱影響區(qū)的支承壓力值較大。當(dāng)被保護(hù)層工作面推進(jìn)至20m時(shí)，工作面靠近煤壁處的支承壓力值為0.52MPa，煤壁前方5m處的支承壓力達(dá)到1.69MPa，此后工作面煤壁前方25m處的支承壓力值降低至0.2MPa。然而，隨著逐漸遠(yuǎn)離工作面煤壁，支承壓力曲線在煤柱影響區(qū)呈迅速上升態(tài)勢。支承壓力在工作面前方120m處上升至6.74MPa，而后在工作面前方170m處迅速下降至0.14MPa。當(dāng)被保護(hù)層工作面分別推進(jìn)40m、60m和80m時(shí)，支承壓力峰值和影響范圍相應(yīng)地降低和縮小，主要原因是隨著采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，其卸壓區(qū)域也相應(yīng)地?cái)U(kuò)大。

圖2 被保護(hù)層工作面不同推進(jìn)階段時(shí)的支承壓力動態(tài)變化

當(dāng)被保護(hù)層工作面推進(jìn)140m時(shí)，支承壓力迅速上升至9.9MPa(原巖應(yīng)力的1.25倍)。此時(shí)的被保護(hù)層工作面推進(jìn)位置恰好處于煤柱影響區(qū)，支承壓力因受煤柱產(chǎn)生的高集中應(yīng)力影響，支承壓力曲線呈快速上升態(tài)勢。當(dāng)被保護(hù)層工作面推進(jìn)160m時(shí)，支承壓力峰值快速降低至4.5MPa(原巖應(yīng)力的0.56倍)。支承壓力高梯度使得煤巖體更易破裂，進(jìn)而瓦斯更易釋放流動[17]，因此，瓦斯抽放鉆孔應(yīng)在此階段提前布置，防止工作面瓦斯超限。

被保護(hù)層工作面分別推進(jìn)20m、140m、160m和260m時(shí)的支承壓力分布如圖3所示。當(dāng)被保護(hù)層工作面推進(jìn)20m時(shí)，煤壁后方20m范圍內(nèi)的煤巖體處于拉伸狀態(tài)。煤壁前方10m處，支承壓力曲線呈迅速上升態(tài)勢且煤巖體整體處于壓縮狀態(tài)。煤巖體力學(xué)狀態(tài)的迅速改變，會造成大量瓦斯涌出。因而此時(shí)為防止瓦斯積聚超限，應(yīng)采取采空區(qū)瓦斯抽放和工作面加強(qiáng)通風(fēng)等措施。煤壁前方90m處，沿鉛垂方向的支承壓力迅速增大至7.5MPa且應(yīng)力曲線表現(xiàn)為單峰狀態(tài)。而沿水平x方向的支承壓力曲線表現(xiàn)為雙峰狀態(tài)，沿水平y(tǒng)方向的支承壓力曲線卻表現(xiàn)為單峰狀態(tài)。當(dāng)被保護(hù)層工作面分別推進(jìn)140m和160m時(shí)，被保護(hù)層采空區(qū)由于保護(hù)層開采的卸壓效應(yīng)處于卸壓狀態(tài)。然而，被保護(hù)層工作面因受煤柱的影響，煤柱影響區(qū)整體處于高應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 被保護(hù)層工作面分別推進(jìn)20m、140m、160m和260m時(shí)的支承壓力變化

3.2 被保護(hù)層開采過程中的應(yīng)力動態(tài)變化

3.2.1 沿工作面走向方向的應(yīng)力動態(tài)變化

被保護(hù)層工作面開采后，保護(hù)層卸壓利于瓦斯的流動和釋放，但被保護(hù)層工作面留設(shè)了10m煤柱，將重點(diǎn)考察煤柱對被保護(hù)層沿工作面走向方向的應(yīng)力動態(tài)變化。保護(hù)層上方2.5m、8m、11m、15m、17.8m、26m和40m處的監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。保護(hù)層上方不同層位的應(yīng)力變化如圖5所示。被保護(hù)層工作面開采完畢后，除煤柱影響區(qū)表征為應(yīng)力集中狀態(tài)外，采空區(qū)整體處于卸壓狀態(tài)。總體規(guī)律為距離保護(hù)層的層位越高，垂直應(yīng)力越小。當(dāng)層位與保護(hù)層工作面距離為0m時(shí)，煤柱影響區(qū)的應(yīng)力峰值為26MPa(原巖應(yīng)力的1.73倍)；當(dāng)層位與保護(hù)層工作面距離為26m時(shí)，煤柱影響區(qū)的應(yīng)力峰值為6MPa(原巖應(yīng)力的0.83倍)。表明當(dāng)層位與保護(hù)層工作面的距離大于26m時(shí)，被保護(hù)層工作面的應(yīng)力分布基本不受煤柱的影響。這就意味著當(dāng)保護(hù)層與被保護(hù)層的層間距小于26m時(shí)，相關(guān)卸壓措施必須落實(shí)到位。

圖4 保護(hù)層上方不同層位的監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

圖5 保護(hù)層上方不同層位的垂直應(yīng)力曲線

保護(hù)層工作面上方2.5m、8m、17.8m和26m處的應(yīng)力變化，如圖6所示。當(dāng)距離保護(hù)層工作面2.5m時(shí)，煤柱影響區(qū)的應(yīng)力曲線表征為單峰形態(tài)，沿x、y和z方向的應(yīng)力峰值分別為原巖應(yīng)力的3.14倍、2.29倍和2.32倍；當(dāng)距離保護(hù)層工作面8m和17.8m時(shí)，沿y和z方向的應(yīng)力曲線依然表征為單峰狀態(tài)，而沿x方向的應(yīng)力由此前的單峰狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰狀態(tài)；當(dāng)距離保護(hù)層工作面8m時(shí)，沿y方向的應(yīng)力峰值降低至1.24MPa。這表明沿y方向的應(yīng)力開始釋放，因?yàn)榇擞绊懸蛩兀咚箤毓ぷ髅鎯A向流動涌出；當(dāng)距離保護(hù)層工作面26m時(shí)，沿x、y和z方向的應(yīng)力集中系數(shù)為0.08、0.54和0.58，表明當(dāng)層間距大于26m時(shí)，被保護(hù)層工作面將完全處于卸壓狀態(tài)，這與上節(jié)分析結(jié)果一致。

圖6 保護(hù)層上方2.5m、8m、17.8m和26m處的應(yīng)力變化曲線

3.2.2 沿工作面傾向方向的應(yīng)力動態(tài)變化

在保護(hù)層工作面上方11m處，沿保護(hù)層工作面傾向，每間隔10m布置1條監(jiān)測線，共計(jì)13條，如圖7所示。保護(hù)層工作面上方11m處的垂直應(yīng)力曲線(沿被保護(hù)層工作面傾向)，如圖7(a)所示。當(dāng)監(jiān)測線距煤柱為0m時(shí)，可知垂直應(yīng)力值為9.17～10.77MPa(原巖應(yīng)力的0.9～1.05倍)沿被保護(hù)層工作面傾向50～70m和190～210m屬于利于瓦斯抽放的應(yīng)力降低區(qū)。瓦斯抽放鉆孔應(yīng)布置在此區(qū)域，以減弱或消除煤層突出危險(xiǎn)性。隨著監(jiān)測線與煤柱的距離不斷增加，垂直應(yīng)力呈逐步降低態(tài)勢。例如，當(dāng)監(jiān)測線與煤柱的距離為10m時(shí)，垂直應(yīng)力為壓應(yīng)力，其值降低至2.28MPa；當(dāng)監(jiān)測線距煤柱的距離為80m時(shí)，垂直應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，最小值為0.21MPa。說明煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)僅局限于局部區(qū)域。

圖7 保護(hù)層上方垂直應(yīng)力分布(沿被保護(hù)層工作面傾向)

保護(hù)層工作面上方不同層位的垂直應(yīng)力分布(沿被保護(hù)層工作面傾向)如圖7(b)所示。垂直應(yīng)力曲線以被保護(hù)層工作面傾向中軸對稱，垂直應(yīng)力隨著層位距煤柱距離的增加而逐漸降低，當(dāng)此距離為0～11m時(shí)，垂直應(yīng)力迅速降低，其值由37.8MPa降低至16.46MPa；當(dāng)此距離為17.8m時(shí)，垂直應(yīng)力接近于原巖應(yīng)力；當(dāng)此距離大于26m時(shí)，此層位的垂直應(yīng)力表現(xiàn)為應(yīng)力卸壓狀態(tài)，其值小于原巖應(yīng)力，有利于瓦斯抽放。通過上述分析，可知大直徑鉆孔、水力壓裂、二氧化碳預(yù)裂爆破等卸壓措施應(yīng)重點(diǎn)在距保護(hù)層上方層位26m以內(nèi)的區(qū)域?qū)嵤?/p>

3.2.3 沿工作面鉛垂方向的應(yīng)力動態(tài)變化

沿工作面鉛垂方向，每間隔5m布置1條監(jiān)測線，共布置9條監(jiān)測線用于考察保護(hù)層工作面留設(shè)30m煤柱時(shí)的垂直應(yīng)力動態(tài)變化。距煤柱中心不同距離處的垂直應(yīng)力曲線(沿工作面鉛垂方向)如圖8所示。當(dāng)距離為0m、5m、10m和15m時(shí)，煤柱影響區(qū)的垂直應(yīng)力分布表征為應(yīng)力集中狀態(tài)，最大值為29MPa；當(dāng)距煤柱中心距離為0～5m時(shí)，煤柱影響區(qū)的垂直應(yīng)力曲線為雙峰狀態(tài)；當(dāng)距煤柱中心距離為10～15m時(shí)，煤柱影響區(qū)的垂直應(yīng)力曲線由雙峰狀態(tài)改變?yōu)閱畏鍫顟B(tài)。與10m和15m比較而言，當(dāng)距煤柱中心距離為0m和5m時(shí)，煤柱影響的應(yīng)力集中區(qū)范圍較廣但峰值相對降低。當(dāng)距煤柱中心距離大于20m時(shí)，煤柱影響區(qū)的垂直應(yīng)力表征為卸壓狀態(tài)；距煤柱中心距離越大，煤柱影響的卸壓區(qū)范圍越廣。

圖8 距煤柱中心不同距離的垂直應(yīng)力曲線(沿工作面鉛垂方向)

由圖8可知，位于原巖應(yīng)力曲線之上的區(qū)域稱之為應(yīng)力升高區(qū)，而位于原巖應(yīng)力曲線下方的區(qū)域稱之為應(yīng)力降低區(qū)。當(dāng)距煤柱中心距離為0m、5m、10m和15m時(shí)，煤柱影響區(qū)的垂直應(yīng)力表征為應(yīng)力集中狀態(tài)，其值遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力。沿鉛垂方向的84～107m(保護(hù)層底板以下12m至頂板之上11m)，此區(qū)域稱之為應(yīng)力完全升高區(qū)；沿鉛垂方向的20～84m(保護(hù)層頂板之上11m至75m)和107～150m(保護(hù)層底板以下12m至55m )，此區(qū)域稱之為應(yīng)力逐步升高區(qū)；沿鉛垂方向的0～20m(保護(hù)層頂板之上75m至95m)，此區(qū)域的垂直應(yīng)力非常接近于原巖應(yīng)力，將其稱之為原巖應(yīng)力區(qū)。當(dāng)距煤柱中心距離為20m、25m、30m、35m和40m時(shí)，垂直應(yīng)力表征為卸壓狀態(tài)。沿鉛垂方向的82～118m(保護(hù)層底板以下23m至頂板之上13m)，將此區(qū)域稱之為應(yīng)力完全降低區(qū)；沿鉛垂方向的20～82m(保護(hù)層頂板之上13m至75m)和118～150m(保護(hù)層底板以下23m至55m)，將此區(qū)域稱之為應(yīng)力逐步降低區(qū)；沿鉛垂方向的0～20m(保護(hù)層頂板之上75m至95m)，此區(qū)域的垂直應(yīng)力非常接近于原巖應(yīng)力，將其稱之為原巖應(yīng)力區(qū)。通過上述分析，瓦斯抽放鉆孔應(yīng)當(dāng)布置于應(yīng)力完全降低區(qū)。

4 工程實(shí)踐

4.1 現(xiàn)場實(shí)測

現(xiàn)場在該礦1801工作面回風(fēng)巷布置了12個(gè)鉆孔，用于測量C8煤層的瓦斯含量、鉆孔流量衰減系數(shù)。鉆孔間距為20m，瓦斯含量測定鉆孔長度大于15m，測量數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)鉆孔布置位置，鉆孔8-5、8-6和8-7布置于煤柱影響區(qū)。由表2可知測定的瓦斯含量最大值為12.4832m3/t、最小值為3.3488m3/t。C12煤層作為被保護(hù)層開采后，1801工作面的瓦斯突出危險(xiǎn)性被消除(除煤柱影響區(qū)之外)。煤柱影響區(qū)內(nèi)的瓦斯含量平均值為10.3482m3/t，同時(shí)在鉆孔8-7取樣過程中，煤體內(nèi)聽見三聲煤炮聲。就鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)而言，鉆孔8-5、8-6和8-7的瓦斯流量衰減系數(shù)平均值為0.0217d-1，遠(yuǎn)小于其他鉆孔的測定值。說明煤柱影響區(qū)仍具有突出危險(xiǎn)性。因此應(yīng)將煤柱影響區(qū)作為重點(diǎn)瓦斯防治區(qū)。

表2 C8煤層瓦斯含量和鉆孔流量衰減系數(shù)的實(shí)測結(jié)果

4.2 瓦斯突出防治分區(qū)策略

通過分析煤柱影響下被保護(hù)層應(yīng)力分布特征可知，煤柱對被保護(hù)層的保護(hù)效果產(chǎn)生了重要影響。沿被保護(hù)層工作面走向方向，可被劃分為原巖應(yīng)力區(qū)、卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。沿被保護(hù)層工作面傾向方向，可被分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力逐步升高區(qū)和應(yīng)力完全升高區(qū)，同時(shí)也可被分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力逐步降低區(qū)和應(yīng)力完全降低區(qū)。綜合瓦斯含量測量結(jié)果與應(yīng)力場分布規(guī)律，被保護(hù)層工作面被分為煤柱影響區(qū)、煤柱影響擴(kuò)界區(qū)和卸壓區(qū)。根據(jù)分區(qū)針對此情況，提出了瓦斯突出防治的分區(qū)策略：

1)保護(hù)層開采過程中，確實(shí)需要留設(shè)煤柱時(shí)，需要準(zhǔn)確地在采掘工程平面圖標(biāo)注煤柱的位置。根據(jù)被保護(hù)層與保護(hù)層的層間距和卸壓角，準(zhǔn)確劃分煤柱的影響范圍。同時(shí)根據(jù)瓦斯涌出的動態(tài)變化，及時(shí)劃定和調(diào)整煤柱影響區(qū)范圍。

2)卸壓措施應(yīng)重點(diǎn)在煤柱影響區(qū)實(shí)施，加大卸壓鉆孔和瓦斯抽放鉆孔的密度，以完全消除煤柱對被保護(hù)層的影響；同時(shí)可將水力壓裂和煤層注水等可作為輔助措施，以完全覆蓋煤柱影響區(qū)范圍。瓦斯抽放的穿層鉆孔和順層鉆孔可布置于卸壓區(qū)和應(yīng)力完全降低區(qū)，卸壓措施應(yīng)重點(diǎn)實(shí)施于應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力完全升高區(qū)。

4.3 現(xiàn)場實(shí)踐

依據(jù)瓦斯突出的分區(qū)防治策略，瓦斯抽放和卸壓等措施在該煤礦C12煤層的1801工作面進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施。總體的瓦斯抽放和卸壓措施，如圖9所示。為提高瓦斯抽放效率和增強(qiáng)煤柱影響區(qū)的卸壓效果，網(wǎng)狀穿層鉆孔布置于工作面兩巷。考慮到煤柱留設(shè)形成的未保護(hù)區(qū)，為完全消除煤柱影響區(qū)的突出危險(xiǎn)性，采取密集瓦斯抽放鉆孔和大直徑卸壓鉆孔。為防止瓦斯超限，采用順層鉆孔用于抽放瓦斯。

圖9 1801工作面瓦斯突出防治總體實(shí)施方案

現(xiàn)場鉆孔施工完成后實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)抽放，累計(jì)抽放90余天，抽放瓦斯體積分?jǐn)?shù)為3%～8%，抽放瓦斯流量為0.3～1.2m3/min，累計(jì)抽放瓦斯64805m3。同時(shí)在工作面煤柱影響區(qū)，每隔10m布置1個(gè)預(yù)測鉆孔，預(yù)測指標(biāo)為K1和S值；每間隔20m進(jìn)行殘余瓦斯含量預(yù)測。在采取了上述措施后，煤柱影響區(qū)的瓦斯抽放率達(dá)到了43%，預(yù)測及效果檢驗(yàn)指標(biāo)均不超限，實(shí)現(xiàn)了安全回采。

5 結(jié) 論

1)煤柱顯著影響了被保護(hù)層開采過程中的應(yīng)力分布規(guī)律。保護(hù)層開采后，被保護(hù)層煤柱影響區(qū)中心處的應(yīng)力最為集中，其他區(qū)域處于卸壓狀態(tài)。當(dāng)被保護(hù)層工作面位置處于煤柱影響區(qū)邊緣時(shí)，支承壓力梯度較高，利于瓦斯抽放。

2)距煤柱的層位越遠(yuǎn)，煤柱影響區(qū)的應(yīng)力集中程度越弱。當(dāng)距煤柱的層位大于26m時(shí)，應(yīng)力分布不再受煤柱的影響。提出了瓦斯突出的分區(qū)防治思想并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工作面安全回采。