李廣培，賈江濤，程海燕，郭長亮，王子龍，王向東

(1.平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責任公司， 安徽 淮南 232001； 2.華晉焦煤有限責任公司， 山西 呂梁 033300)

目前，我國國有煤礦大多是瓦斯礦井煤層群開采，且瓦斯突出災害的發(fā)生次數(shù)為世界之最，對近三年全國發(fā)生瓦斯事故的統(tǒng)計，2017年發(fā)生瓦斯事故25起，死亡103人；2018年發(fā)生瓦斯事故18起，死亡62人;2019年發(fā)生瓦斯事故27起、死亡118人，其中煤與瓦斯突出類事故死亡39人，占事故死亡人數(shù)的 33%[1-2]. 由此可見，瓦斯事故仍是防范和遏制重特大事故的重點。防治煤與瓦斯突出是具有煤與瓦斯突出危險性礦井的關鍵基礎之一。煤與瓦斯突出防治技術中，開采保護層仍然是預防煤和瓦斯突出最有效、最可靠、最經濟的措施，即在煤層群中首先選擇安全可靠的煤層開采，進而使被保護煤層原始應力場、裂隙場發(fā)生變化，造成上下煤巖層膨脹變形、松動卸壓，增加煤層透氣性，形成應力降低區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和卸壓解析瓦斯流動通道及瓦斯富集區(qū)，同時，借助鄰近層瓦斯抽采實現(xiàn)被保護層的煤與瓦斯突出的控制[3-6]. 以沙曲一礦煤與瓦斯突出煤層群瓦斯災害防治為研究對象，通過采取無煤柱沿空留巷的連續(xù)卸壓開采方式，對(3+4)#煤層的突出危險性進行控制，同時對其工程實施效果進行驗證分析。

1 試驗礦區(qū)概況

沙曲一礦二采區(qū)試驗區(qū)開采2#煤保護層，其中2201工作面為二采區(qū)首個沿煤層傾向布置的保護層工作面，南面為2#煤未開拓區(qū)，東面為回風大巷，北面為2202工作面，西面為未開拓區(qū)；2201工作面2#煤層厚度平均1.0 m,下距(3+4)#煤層平均13.95 m；(3+4)#煤層平均厚度為4.12 m，下距5#煤層4.03 m，5#煤平均厚度為3.6 m. 2#煤瓦斯含量12.1 m3/t、瓦斯壓力1.85 MPa，(3+4)#煤瓦斯含量14.59 m3/t、瓦斯壓力2.15 MPa，5#煤瓦斯含量15.42 m3/t、瓦斯壓力2.4 MPa. 2#、(3+4)#和5#煤均是突出煤層、均具有煤塵爆炸危險性，其中2#、5#煤層為Ⅱ類自燃煤層，(3+4)#煤層為Ⅲ類不易自燃煤層。

被保護層(3+4)#煤4209膠帶巷位于2201軌道巷正下方，西面與4208回風巷間隔約20 m煤柱；4209軌道巷位于2202軌道巷西面平距約60 m正下方。4209工作面已開始安全回采。2#煤保護層工作面和被保護層4209工作面布置圖見圖1.

圖1 2#煤保護層工作面和被保護層4209工作面布置圖

2 保護層開采卸壓理論

由于采動后頂?shù)装迕簬r層運動規(guī)律和破壞條件不同，造成下伏煤巖層內的裂隙沒有上覆煤巖層內的裂隙發(fā)育充分。上保護層開采對底板的影響范圍和影響程度與煤層傾角、開采深度、煤巖體的物理力學性質及層間是否存在厚硬巖層等關系較大。隨著與開采層距離的加大，巖層移動變形減弱，采動影響也逐漸減弱。通常情況下，底板下一定范圍內的煤巖體，當作用在其上的支承壓力達到或超過其臨界值時，煤巖體中將產生塑性變形，形成塑性區(qū)；當支承壓力達到導致部分巖體完全破壞的最大載荷時，支承壓力作用區(qū)域周圍的巖體塑性區(qū)將連成一片，致使采空區(qū)內底板向上隆起，已發(fā)生塑性變形的巖體向采空區(qū)內移動，并且形成一個連續(xù)的滑移面,此時底板煤巖體遭受的采動破壞最為嚴重[7-8].

魏西克(A.S.Vesic)通過大量的壓模試驗及現(xiàn)場實際經驗提出了產生塑性滑移巖土層極限承載力的綜合計算公式[9]. 根據(jù)沙曲一礦二采區(qū)2201工作面的具體地質條件，通過對現(xiàn)場實際底板巖體應力分布規(guī)律研究，依據(jù)魏西克提出的塑性滑移時巖土層極限承載力的綜合計算方法得出的底板巖體采動破壞深度，較符合現(xiàn)場實際底板破壞規(guī)律。該工作面底板巖體破壞深度理論計算模型見圖2.

xa—煤柱屈服區(qū)的長度 L1—底板巖體最大破壞深度距工作面端部的水平距離 L2—采空區(qū)內底板破壞區(qū)沿水平方向的最大長度 φ0—巖體的內摩擦角h—巖體的最大破壞深度

根據(jù)滑移線場理論在極限狀態(tài)下底板塑性區(qū)的解析方法，確定圖2中極限塑性區(qū)的幾何尺寸，得出煤體邊緣支承壓力作用下底板巖體內極限塑性破壞區(qū)的最大破壞深度h.

h=[xacosφ0/2cos(π/4+φ0/2)]e(π/4+φ0/2)tanφ0

(1)

取xa=14 m,φ0=35°，代入式(1)可得，2#煤層開采對底板造成的破壞深度為26.57 m，大于2#煤層與其下煤層的層間距(2#煤層與(3+4)#煤層和5#煤層間距分別為13.95 m、22.1 m)，導致其下的(3+4)#煤層和5#煤層發(fā)生破壞，滲透系數(shù)提高。通過底板順層或穿層鉆孔可有效抽采下伏煤層中賦存的瓦斯，即2#煤層作為保護層開采是可取的。

3 數(shù)值分析

由于礦井地質構造、地應力狀態(tài)、采礦方法、結構面構造等存在差異性，因此圍巖的破壞過程十分復雜，理論解析和現(xiàn)場實測等仍存在不足，不易從繁雜的理論推導和離散性很高的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)中獲得規(guī)律性。而計算機數(shù)值模擬技術能夠彌補理論分析和現(xiàn)場實測的不足。FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua，即連續(xù)介質快速拉格朗日分析)是一種基于拉格朗日差分法的一種顯式有限差分程序，利用差分格式按時步積分求解。它與離散元法相似，但克服了離散元法的缺陷，吸收了有限元法適用于各種材料模型及邊界條件的非規(guī)則區(qū)域連續(xù)問題解的優(yōu)點。

3.1 力學模型

FLAC3D中莫爾庫侖模型表示在σ1、σ2、σ3主應力空間中，對應的應變分量ε1、ε2、ε3.根據(jù)虎克定律，破壞準則在(σ1，σ3)面，原理見圖3.

圖3 FLAC3D 莫爾庫侖準則示意圖

破壞包絡線f(σ1，σ3)=0，在A到B上由莫爾庫倫準則fs=0定義：

(2)

Nφ=1+sinφ/1-sinφ

(3)

在B到C上由拉伸破壞準則ft=0定義:

ft=σ3-σt

(4)

式中：

φ—摩擦角，(°)；

c—黏聚力，MPa；

σt—抗拉強度，MPa.

由圖3可見，材料的抗拉強度不能超過fs=0和σ1=σ3交點對應的σ3值，因此抗拉強度的最大值為：

(5)

3.2 模擬結果及分析

在摩爾-庫倫模型中,定義煤巖層的彈性體積模量(bulk)、內聚力(cohesion)、內摩擦角(friction)、彈性剪切模量(shear)和抗拉強度(tension)等物理力學參數(shù)，在參數(shù)賦值時采取簡化措施，即各煤巖層各向同性且屬性均勻，見表1.

表1 模擬巖石力學參數(shù)表

分別模擬上保護層2#煤工作面推進30 m、60 m、90 m、120 m、150 m，觀測線設在(3+4)#煤中部。2#煤工作面開采過程中(3+4)#煤垂直位移變化規(guī)律見圖4.

圖4 下保護(3+4)#煤層垂直位移變化曲線圖

隨著工作面不斷推移，(3+4)#煤垂直位置曲線，也隨著不斷地向前移動演化，呈現(xiàn)“W”字形，最大升量達到86 mm，發(fā)生在采空區(qū)底板中部，最大下沉量為39 mm. 隨著工作面不斷推進，上保護工作面采空區(qū)的面積不斷增大，(3+4)#煤垂直位移量和范圍也逐漸增大，受采動影響范圍逐漸增大。

4 工程實踐

4.1 抽采被保護層卸壓瓦斯

保護層開采能使突出危險煤層的應力-形變狀態(tài)和瓦斯動力狀態(tài)發(fā)生改變，使被保護層卸壓，釋放煤層的彈性潛能，增大煤層的透氣性，有利于被保護層的瓦斯流動、解吸，從而減少煤層含量，以降低煤層瓦斯內能，達到預防煤與瓦斯突出的目的[3]. 根據(jù)保護層開采卸壓理論和滑移線場理論在極限狀態(tài)下底板塑性區(qū)的解析方法分析，保護層開采后，工作面底板受采動影響產生破壞，松動卸壓，裂隙場發(fā)生變化，逐漸演化形成裂隙區(qū)。采空區(qū)下部裂隙區(qū)內存在瓦斯富集區(qū)域，見圖5.

圖5 底板裂隙發(fā)育及瓦斯富集區(qū)圖

因此，應根據(jù)被保護煤層所處的不同分帶及具體巖層情況，選擇合理的瓦斯抽采方法抽采被保護層卸壓瓦斯。卸壓瓦斯治理應最大程度攔截卸壓瓦斯涌向開采空間，可通過鉆孔和巷道攔截以及采空區(qū)抽采等方法綜合治理卸壓瓦斯。

選擇被保護層4209軌道巷鄰近的4208回風巷布置鉆場，利用定向鉆機向4209、4210工作面方向施工長距離區(qū)域預抽鉆孔，實際共施工19組鉆場，100個(主、分支孔合計137個)鉆孔，累計完成鉆孔進尺36 245 m，4209面鉆孔進尺為29 347 m，具體鉆孔施工情況見圖6. 根據(jù)定向鉆孔實際施工情況，在4208回風巷幫部對空白帶補充施工順層鉆孔，實際施工63個鉆孔，累計完成鉆孔進尺5 292 m.

圖6 開采保護層抽采被保護層卸壓瓦斯布置圖

4.2 被保護層巷道掘進效果檢驗

4209軌道巷和4209膠帶巷掘進效果檢驗。

區(qū)域效果檢驗方法采用殘余瓦斯含量法，利用ZQJC-220型鉆機在巷道正前施工3個取樣鉆孔，使用麻花鉆桿分別在20 m、40 m及孔底處接取煤樣，鉆孔與巷道的夾角一般為-16°、0°、16°，使用沈陽煤科院研制的WP-1型瓦斯含量快速測定儀進行現(xiàn)場測量。效果檢驗統(tǒng)計情況見圖7.

1) 4209軌道巷選用實測每個單元殘余瓦斯含量最大值，共計36個值，在3.5～4.95 m3/t，小于8 m3/t突出危險性臨界值，可見區(qū)域消突效果有效。

2) 4209膠帶巷選用實測每個單元殘余瓦斯含量最大值，共計39個值，在2.13～4.72 m3/t，小于8 m3/t突出危險性臨界值(圖7)，可見區(qū)域消突效果有效。

圖7 4209軌道巷和膠帶巷掘進期間效果檢驗統(tǒng)計情況圖

4.3 被保護層巷道掘進驗證

4209軌道巷、4209膠帶巷和4209切眼驗證保護效果。

突出危險性驗證采用鉆屑指標法，利用WTC型瓦斯突出參數(shù)儀測定K1指標值，利用彈簧稱測定Smax指標值。使用孔徑42 mm的風煤鉆鉆進，孔深8～10 m.

1) 4209軌道巷。驗證檢測點范圍從里程0～1 458.8 m，共進行241個測點最大值，其中K1值最大值在0.02～0.35 mL·(g·min1/2)-1, 鉆屑量S最大值1.2～1.3 kg·m-1，見圖8，9. 由此可見，實際測定K1和S最大值分別小于突出危險的臨界值。

2) 4209膠帶巷。驗證檢測點范圍從里程0～1 392.7 m，共進行225個測點最大值，其中K1值在0.03～0.31 mL·(g·min1/2)-1,鉆屑量S最大值1.2～1.5 kg·m-1，見圖8，9. 由此可見，測定K1和S最大值分別小于突出危險的臨界值。

3) 4209切眼(從4209軌道巷約里程1 456 m南幫開始施工)從里程0～215.4 m，共進行36個測點最大值，其中K1值在0.07～0.21 mL·(g·min1/2)-1,鉆屑量S最大值1.1～1.4 kg·m-1，見圖8，9. 由此可見，測定K1和S最大值分別小于突出危險的臨界值。

圖8 驗證K1最大值統(tǒng)計情況圖

圖9 驗證S最大值統(tǒng)計情況圖

掘進區(qū)域效果檢驗和區(qū)域驗證實測參數(shù)綜合驗證了該次考察結果和結論正確性，目前4209軌道巷、4209膠帶巷和4209切眼區(qū)域遞進抽采條件下保護開采區(qū)域措施已實現(xiàn)安全快速掘進。

4.4 被保護層4209工作面效果檢驗

在工程巷道掘進驗證消突有效后，對被保護層4209工作面本煤層施工了補充抽采鉆孔，并對被保護層4209工作面區(qū)域消突效果檢驗進行實測。

1) 4209工作面本煤層補充抽采鉆孔布置。

在4209膠帶巷施工了4209綜采工作面本煤層補充抽采鉆孔，鉆孔采用單排平行方式布置，距4209切眼采幫15 m處開始布置1#鉆孔，以后每間隔15 m布置1個，到距切眼采幫平距1 410 m處結束，共布置鉆孔94個，單孔孔深180 m，工程量16 920 m. 4209工作面補充本煤層鉆孔總計抽采瓦斯純量48.38萬m3.

2) 4209工作面區(qū)域效果檢驗。

通過對被保護層4209工作面布置檢驗測點鉆孔，進行取樣、實測效果檢驗值。

a) 檢測測點布置。

在4209軌道巷和4209膠帶巷分別施工檢測鉆孔，每隔50 m交替施工1個，每個巷道每隔100 m施工1個檢測鉆孔，檢測鉆孔深度設計為100 m，分別在50 m處和孔底100 m處采煤樣。共設計29個鉆孔，其中4209膠帶巷施工了15個鉆孔，4209軌道巷施工了14個鉆孔。

b) 實測效果檢驗值。

圖11 軌道巷檢測點鉆孔測定的殘余瓦斯含量值圖

利用 DGC型瓦斯含量直接測定裝置和 WP-1快速煤層瓦斯含量測定儀兩種儀器相結合，分別對29個鉆孔在50 m處和孔底100 m處采煤樣，測定其煤體內殘余瓦斯含量，見圖10，11，共計58個值，在4.15～4.95 m3/t，小于8 m3/t突出危險性臨界值，可見區(qū)域消突效果有效。

圖10 膠帶巷檢測點鉆孔測定的殘余瓦斯含量值圖

綜上所述,通過被保護層采掘工程實踐驗證：沙曲一礦二采區(qū)2#煤上保護層開采后，區(qū)域遞進抽采條件下下伏(3+4)#煤被保護層保護有效，工程實踐進一步驗證了考察結論。

5 結 論

1) 根據(jù)滑移線場理論在極限狀態(tài)下底板塑性區(qū)的解析方法，計算出底板采動破壞深度。2#煤層開采對底板造成的破壞深度為26.57 m，大于2#煤層與其下煤層的層間距，導致其下的(3+4)#煤層和5#煤層發(fā)生破壞，進而提高煤層滲透系數(shù)，有效提高下臨近層鉆孔瓦斯抽采效率。

2) 采用FLAC3D中莫爾庫侖模型，對頂?shù)装逦灰屏窟M行數(shù)值模擬計算，得出在底板下24 m處，位移量近39 mm，說明保護層開采后對下伏煤層具有卸壓作用。

3) 通過4209被保護層工作面兩巷掘進區(qū)域效果檢驗和區(qū)域驗證以及工作面區(qū)域效果檢驗最大值均小于臨界值，說明保護連續(xù)卸壓開采是有效的，對相似地質條件下保護層開采提供科學的依據(jù)。