郭振華，陸 壯，楊 濤，席傳鵬，權(quán)軍軍，唐俊青

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 八礦，河南 平頂山 467000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

隨著煤炭開采逐漸向深部延伸，許多煤礦已進(jìn)入深部開采（埋深800～1 500 m）[1-2]，深部煤巖體地應(yīng)力、瓦斯壓力與含量持續(xù)增大，煤層滲透率急劇降低，開采環(huán)境惡劣，瓦斯抽采和治理已經(jīng)十分困難[3-4]。與此同時，在煤礦開采過程中，受到復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和開采條件的影響，不得不留設(shè)各種煤柱以保證煤礦生產(chǎn)安全[5]。其中許多煤柱受到開采條件的限制無法被回采，在煤層完成回采后，上覆巖層的巨大應(yīng)力會集中加載到煤柱上，煤柱產(chǎn)生的集中應(yīng)力向下傳遞必然會使下伏煤巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生改變[6]。因此，因歷史開采問題遺留煤柱和長壁工作面回采后不可避免的區(qū)段煤柱會在煤層群中下位煤層內(nèi)形成高度應(yīng)力集中區(qū)域，再疊加上方煤層回采擾動的影響，使得下位煤層開采條件更加復(fù)雜，局部區(qū)域會形成高度應(yīng)力集中；此區(qū)域煤層瓦斯壓力大，煤體滲透性低，發(fā)生煤與瓦斯突出危險性大。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于煤柱穩(wěn)定性、煤柱尺寸設(shè)計及失穩(wěn)機(jī)理、近距離煤層巷道變新破壞控制控制、應(yīng)力場分布、合理錯距等已有大量研究成果。鄭百生等[7]采用數(shù)值模擬的方法對近距離煤層上層煤回采后遺留煤柱對下層煤開采的影響程度進(jìn)行了研究；劉萍[8]等對煤柱影響下保護(hù)層開采的消突范圍進(jìn)行了劃分并對消突效果進(jìn)行了評價；高曉龍[9]等探討了上煤層遺留煤柱在底板中的應(yīng)力傳播規(guī)律，通過工作面礦壓監(jiān)測和變形分析提出了工作面過煤柱應(yīng)力集中區(qū)的措施；王永秀等[10]采用2 種不同狀態(tài)類型的數(shù)值模型研究了采區(qū)隔離煤柱因?qū)挾炔煌a(chǎn)生的應(yīng)力變化規(guī)律；羅吉安等[11]對近距離煤層下殘留煤柱引起的集中應(yīng)力進(jìn)行了研究，運(yùn)用Mathcad 數(shù)值軟件計算得到了不同寬度煤柱下方底板應(yīng)力傳遞及分布規(guī)律；張念超[12]研究了多煤層開采煤柱下底板巖層的應(yīng)力分布規(guī)律，提出了“應(yīng)力臨界線”和“間深比”概念；張緒言等[13]采用彈性理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對煤柱下方底板的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了煤柱集中應(yīng)力影響下巷道附近圍巖的應(yīng)力分布特點；徐佑林等[14]利用FLAC3D軟件分析了遺留煤柱的受力情況，研究了不同尺寸煤柱的應(yīng)力分布狀態(tài)以及位移的變化，認(rèn)為煤柱越靠近采空區(qū)應(yīng)力集中越大，礦壓災(zāi)害越嚴(yán)重。然而大部分學(xué)者都是探討近距離或極近距離煤層群煤柱應(yīng)力分布研究，對大間距特殊煤柱影響下的應(yīng)力演化特征和瓦斯流動場的變化情況研究較少。

因此，結(jié)合現(xiàn)場工程實際，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法，采用應(yīng)變軟化模型，系統(tǒng)研究大間距煤柱壓茬和采動擾動疊加影響條件下的煤層應(yīng)力動態(tài)變化規(guī)律、重分布規(guī)律，從而為煤柱影響疊加采動擾動形成的高度應(yīng)力集中區(qū)域范圍劃定及針對性防突措施提供理論依據(jù)。

1 工程背景

平煤八礦為多煤層組開采，主要生產(chǎn)開采煤層為丁、戊和己3 組煤層。己15－22080 工作面標(biāo)高為－563～－665 m，地面標(biāo)高＋140～＋180 m，埋藏深度為703～850 m?？刹勺呦蜷L度為893 m，斜長200 m，煤厚平均為3.6 m，煤層傾角5°～18°，平均10°。己15煤層直接頂為細(xì)砂巖與粉砂巖互層，直接底為砂質(zhì)泥巖。己15－22080 工作面上方丁組煤層傾角平均21°，煤厚為2 m；戊組煤層傾角平均21°，煤厚為4 m。在己15－22080 工作面上部有多個已經(jīng)回采完畢的工作面，主要是戊9，10－14140 工作面、戊9，10－14160工作面、丁5，6－14120 工作面、丁5，6－14140 工作面、丁5，6－14160 工作面和丁5，6－14180 工作面。

己15-22080 工作面機(jī)巷上方的丁5-6-14160 工作面遺留煤柱，煤柱長邊長362 m，短邊長288 m，寬129 m，總體面積較大，垂直距離己組煤層260 m左右，間距較大。己15-22080 工作面機(jī)巷從150 m開始被上方煤柱壓茬，直到485 m 結(jié)束。己15-22080工作面上方有戊9,10-14160 工作面基本回采完畢，垂直距離己組煤層157 m 左右，且戊9,10-14160 工作面北部也尚未開采，己15-22080 工作面采掘平面位置關(guān)系圖如圖1。大間距丁組煤柱和上位戊組采面對下方己15-22080 工作面很有可能形成疊加擾動影響，需要具體分析此區(qū)域的應(yīng)力演化特征。

圖1 己15-22080 工作面采掘平面位置關(guān)系圖Fig.1 Ⅵ-22080 working face excavation plane position relation diagram

2 數(shù)值模型

煤體是彈塑性材料，當(dāng)所受應(yīng)力超過峰值應(yīng)力后會表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性。研究表明，采用應(yīng)變軟化模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，結(jié)果更符合現(xiàn)場實際[15-16]。因此研究采用應(yīng)變軟化模型描述煤體力學(xué)特性，采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型作為煤巖體的屈服破壞準(zhǔn)則。依據(jù)平面布置圖建立等比例模型，模型尺寸為1 300 m（x）×500 m（y）×500 m（z），共劃分407 609 個網(wǎng)格，366 037 個節(jié)點。模型上表面距離地表約400 m，頂面施加載荷為10 MPa。在x 方向施加初始應(yīng)力為26 MPa 的梯度最大水平應(yīng)力，沿z方向每增加1 m，應(yīng)力增加0.028 MPa。相同的在y方向施加初始應(yīng)力為9.5 MPa 的梯度最小水平應(yīng)力，沿z 方向每增加1 m，應(yīng)力增加0.019 MPa。模型前后左右4 個面約束其法向自由度，底面約束x、y、z 3 個方向自由度，數(shù)值模擬模型如圖2，煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

用FLAC3D進(jìn)行計算時，首先模擬戊組煤層開采前己組煤層受丁組煤柱影響所處的應(yīng)力狀態(tài)；然后再模擬戊9.10-14160 工作面開采過程中，己組煤層受丁組煤柱與戊組開采擾動疊加影響下的應(yīng)力演化。整個研究分析過程以己15-22080 工作面機(jī)巷走向與工作面傾向為研究對象對其垂直應(yīng)力進(jìn)行研究。

3 己組煤層應(yīng)力演化

3.1 丁組大間距煤柱影響下應(yīng)力分布狀態(tài)

1）己15 煤層平面應(yīng)力分析。依據(jù)實際生產(chǎn)情況及條件對丁組煤層除丁5.6-14160 工作面煤柱外的各工作面開挖。待開挖結(jié)束，得到己組煤層平面的應(yīng)力云圖，大間距丁組煤柱影響下己組煤層平面應(yīng)力分布圖如圖3（圖中應(yīng)力數(shù)值負(fù)號代表受壓方向）。由圖3 可知，當(dāng)丁煤層各工作面開采后在其下方產(chǎn)生了一定的卸壓區(qū)，己組煤層平面應(yīng)力總體降低；但同時在煤柱下方產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致局部應(yīng)力增大。丁5.6-14160 工作面煤柱在己煤層產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象極為明顯，而采掘布置的己15-22080 機(jī)巷剛好處于其應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，應(yīng)力集中范圍約在100～500 m 左右。

圖3 大間距丁組煤柱影響下己組煤層平面應(yīng)力分布圖Fig.3 Stress distribution of group Ⅵcoal seam under the influence of the large spacing coal pillar

2）己15-22080 機(jī)巷應(yīng)力分析。己15-22080 機(jī)巷走向垂面應(yīng)力分布圖如圖4，大間距丁組煤柱影響下己15-22080 機(jī)巷應(yīng)力分布如圖5。由圖5 可知，22080 機(jī)巷在100～500 m 范圍內(nèi)機(jī)巷應(yīng)力普遍大于其他區(qū)域，隨著機(jī)巷走向向里呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在240 m 處產(chǎn)生了23.6 MPa 應(yīng)力最大值，較應(yīng)力最低點0 m 處增加了4 MPa；在700 m 左右出現(xiàn)20.7 MPa 次峰值；在0～100 m 和500～700 m 范圍內(nèi)應(yīng)力相對較低，在19.6～20.7 MPa 之間；700～1 000 m 區(qū)域應(yīng)力逐漸降低并趨于穩(wěn)定，基本在20.3 MPa 左右。結(jié)合圖4 分析可得0～150 m 和500～700 m 應(yīng)力較小是因為受丁組煤層開采產(chǎn)生的卸壓保護(hù)作用；150～500 m 受上方丁組煤柱影響應(yīng)力增大；而700 m 左右則是因為處于上方丁5,6-14160 工作面切眼下方，也受到應(yīng)力集中影響應(yīng)力略有增大。

圖4 己15-22080 機(jī)巷走向垂面應(yīng)力分布圖Fig.4 Vertical plane stress distribution diagram in the direction of Ⅵ-22080 haulage roadway

圖5 大間距丁組煤柱影響下己15-22080 機(jī)巷應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution of Ⅵ-22080 haulage roadway under the influence of the large spacing coal pillar

3）己15-22080 工作面傾向應(yīng)力分析。由圖3 和圖4 分析可知，己15-22080 工作面傾向上受到大間距丁組煤層開采的影響范圍有限，主要作用在靠近機(jī)巷外口區(qū)域。分別在己15-22080 機(jī)巷距離外口0、200、400、600、800、1 000 m 處沿著工作面傾向方向豎直進(jìn)行監(jiān)測，大間距丁組煤柱影響下己15-22080工作面傾向應(yīng)力如圖6?？傮w來看，工作面傾向垂直應(yīng)力自風(fēng)巷向機(jī)巷呈現(xiàn)出逐漸增加的規(guī)律，這是由于風(fēng)巷埋深比機(jī)巷埋深淺所導(dǎo)致的。工作面傾向0 m 處100～200 m 應(yīng)力偏低，這是因為上方丁組煤層卸壓導(dǎo)致；工作面200～400 m 處靠近機(jī)巷區(qū)域應(yīng)力增加比較明顯，這是因為正處在丁組煤柱下方產(chǎn)生集中應(yīng)力導(dǎo)致的；工作面600 m 處，此時己15-22080工作面上方已經(jīng)跳過丁組煤柱造成的集中應(yīng)力的影響區(qū)域，且丁5,6-14160 工作面的開采對下方有一定程度的卸壓效果，導(dǎo)致此位置的應(yīng)力低于前面200 m 和400 m 處；工作面800～1 000 m 處的應(yīng)力基本處于原始應(yīng)力區(qū)，丁組煤層開采對800 m 之后的區(qū)域基本無影響。

圖6 大間距丁組煤柱影響下己15-22080 工作面傾向應(yīng)力Fig.6 Vertical stress of Ⅵ-22080 working face along the dip under the influence of large spacing coal pillar

3.2 戊組煤層開采影響應(yīng)力演化

依據(jù)現(xiàn)場實際情況研究戊9.10-14160 工作面回采過程疊加丁組煤柱的影響下，己15-22080 工作面的應(yīng)力演化規(guī)律。

3.2.1 己15 煤層平面應(yīng)力

模擬時將戊9.10-14160 工作面分為階段式回采，分別研究回采300、600、900、1 200 m 時己15-22080工作面的應(yīng)力演化情況。沿煤層角度截取己15 煤層平面的垂直應(yīng)力云圖，得到戊9,10-14160 不同回采階段下己組煤層的應(yīng)力分布狀態(tài)，戊煤層開采過程中己煤層垂直應(yīng)力分布變化如圖7。

通過分析圖7 可以看出，當(dāng)戊9.10-14160 工作面開采300 m 和600 m 時，由于戊9.10-14160 工作面與己15-22080 工作面的層位關(guān)系，使得戊9.10-14160 工作面在己15-22080 工作面里段形成了卸壓區(qū)，具有保護(hù)層開采的效果，但同時在己15-22080 工作面的上下兩側(cè)形成小范圍的應(yīng)力集中；當(dāng)戊9.10-14160 工作面開采600 m 之后，戊9.10-14160 工作面發(fā)生小幅度轉(zhuǎn)向?qū)е挛?.10-14160 工作面與己15-22080 工作面的層位關(guān)系發(fā)生了變化。此時隨著戊9.10-14160 工作面開采，己15-22080 機(jī)巷外段及工作面靠近機(jī)巷區(qū)域處于開采形成的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，同時此區(qū)域也處于丁組大間距煤柱的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，兩者相互疊加因此該區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)一步增大。這種大間距煤柱疊加開采擾動應(yīng)力導(dǎo)致己15-22080 工作面呈現(xiàn)卸壓區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)和疊加高應(yīng)力區(qū)多區(qū)域復(fù)雜應(yīng)力條件。

圖7 戊煤層開采過程中己煤層垂直應(yīng)力分布變化Fig.7 Change of vertical stress distribution of group Ⅵcoal seam in the mining process of group Ⅴcoal seam

3.2.2 己15-22080 機(jī)巷應(yīng)力

戊9.10-14160 工作面開采結(jié)束之后，得到己15-22080 機(jī)巷走向方向垂面的應(yīng)力云圖，戊煤層開采后己15-22080 機(jī)巷垂面垂直應(yīng)力如圖8。

圖8 戊煤層開采后己15-22080 機(jī)巷垂面垂直應(yīng)力Fig.8 Vertical stress distribution in the direction ofⅥ-22080 haulage roadway after mining of group Ⅴcoal seam

從圖8 可以看出，上位戊9,10-14160 工作面開采之后在其相鄰側(cè)產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而影響到處于應(yīng)力集中區(qū)下方的己15-22080 機(jī)巷。其中，在己15-22080 機(jī)巷里段上方應(yīng)力集中較為明顯，這是由于上位戊9.10-14160 工作面開采前期基本平行于下方己15-22080 工作面，機(jī)巷里段處于應(yīng)力集中峰值區(qū)；而戊9.10-14160 工作面開采后期改變了方向，逐漸遠(yuǎn)離己15-22080 機(jī)巷，所以外段應(yīng)力集中程度相對較低。但是己15-22080 機(jī)巷外段受上位大間距丁組煤柱應(yīng)力集中影響，區(qū)域疊加戊組開采應(yīng)力集中現(xiàn)象，外段應(yīng)力仍大于里段；而且，到己15-22080機(jī)巷外口0 m 處受戊9,10-14160 工作面開采應(yīng)力集中影響最低。

戊煤層開采過程中己15-22080 機(jī)巷垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖9。

圖9 戊煤層開采過程中己15-22080 機(jī)巷垂直應(yīng)力分布規(guī)律Fig.9 Vertical stress distribution of Ⅵ-22080 haulage roadway in the mining process of group Ⅴcoal seam

由圖9 可以看出，隨著戊9,10-14160 工作面開采的進(jìn)行，己15-22080 機(jī)巷應(yīng)力由里段向外段逐步增加。在開采前期（開采300 m），機(jī)巷里段應(yīng)力增加明顯。而靠近機(jī)巷外口區(qū)域應(yīng)力基本無變化；在開采中期（600 m），除機(jī)巷里段應(yīng)力受上方應(yīng)力集中影響進(jìn)一步增加外，機(jī)巷靠外口200～500 m 區(qū)域處于回采面前方的集中應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力也有所增加。機(jī)巷外口應(yīng)力基本無變化；到開采后期（900 m 和1 200 m），可以看到機(jī)巷里段應(yīng)力趨于穩(wěn)定。而在機(jī)巷外段受開采集中應(yīng)力影響，在煤柱應(yīng)力集中影響的基礎(chǔ)上應(yīng)力進(jìn)一步大幅增加。

戊9,10-14160 工作面開采結(jié)束之后，在機(jī)巷0～150 m 應(yīng)力增大約1.64～3 MPa；機(jī)巷150～700 m 左右區(qū)段受戊9,10-14160 工作面回采應(yīng)力集中影響最明顯，應(yīng)力增大約3～4.7 MPa。且由于兩者層位關(guān)系越靠里段應(yīng)力增幅越大，越靠外段增幅越小；在機(jī)巷700 m 之后應(yīng)力增大約2.8～3 MPa；煤柱影響區(qū)內(nèi)（100～500 m）己15-22080 機(jī)巷應(yīng)力較上位戊組煤層未開采前增加約2.3～4.7 MPa，其中機(jī)巷260 m 處應(yīng)力達(dá)到最大值27.3 MPa，考慮疊加煤柱影響共增加了約8 MPa 左右；總體來看上位戊組煤層開采結(jié)束之后機(jī)巷應(yīng)力增加非常大，機(jī)巷外口100 m 往里區(qū)域應(yīng)力基本都大于23 MPa，這對現(xiàn)場瓦斯治理會帶來極大困難。

3.2.3 己15-22080 工作面傾向應(yīng)力

分別提取己15-22080 工作面0、200、400、600、800、1 000 m 處傾向上垂直應(yīng)力跟隨不同開采長度的數(shù)據(jù)，戊組煤層開采過程中己15-22080 工作面各處傾向垂直應(yīng)力如圖10。

圖10 戊組煤層開采過程中己15-22080 工作面各處傾向垂直應(yīng)力Fig.10 Vertical stress of Ⅵ-22080 working face along the dip in the mining process of group Ⅴcoal seam

從圖10 并結(jié)合圖6 可以看出，戊9,10-14160 工作面的開采對己15-22080 工作面大部分區(qū)域起到了較為明顯的卸壓作用。當(dāng)戊9,10-14160 工作面開采300 m 時，下方己15-22080 工作面傾向1 000 m 處發(fā)生明顯卸壓現(xiàn)象，最大卸壓超過10 MPa。但在靠近機(jī)巷4 m 范圍內(nèi)處于應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力稍有增加。當(dāng)戊9,10-14160 工作面開采600 m 時，己15-22080 工作面800 m 處也發(fā)生卸壓現(xiàn)象，最大卸壓超過10 MPa，800 m 和1 000 m 右邊靠近機(jī)巷應(yīng)力增大區(qū)域擴(kuò)大至20 m；工作面600 m 處靠近機(jī)巷45 m 位于增壓區(qū)，靠近風(fēng)巷155 m 位于卸壓區(qū)。當(dāng)戊9,10-14160工作面開采900 m 時，工作面400 m 處靠近機(jī)巷73 m 范圍處于增壓區(qū)，靠近風(fēng)巷127 m 范圍位于卸壓區(qū)；200 m 處應(yīng)力增大；600 m 處卸壓程度增大到10 MPa；800 m 和1 000 m 趨于穩(wěn)定不再變化。

當(dāng)戊9,10-14160 工作面開采結(jié)束，工作面同時存在卸壓區(qū)與應(yīng)力集中區(qū)。對比圖10（d）和圖6 可以看出，除工作面0 m 處，其他區(qū)域卸壓區(qū)內(nèi)卸壓效果明顯，最大卸壓均超過10 MPa；卸壓區(qū)靠近風(fēng)巷一側(cè)，應(yīng)力集中區(qū)靠近機(jī)巷一側(cè)；應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力曲線平緩上升，越靠近機(jī)巷外口，其應(yīng)力集中范圍與應(yīng)力增加幅度越大。其中工作面200 m 和400 m 處應(yīng)力集中程度最大，應(yīng)力超過26 MPa；工作面0 m 處在戊煤層開采1 200 m 之前的應(yīng)力曲線相對變化平緩，其曲線形狀不同于其他地方的原因在于工作面0 m 處傾向方向50 m 左右位置處于丁5,6-14140 工作面與丁5,6-14160 工作面之間的煤柱下方，因此在此處形成了小范圍的應(yīng)力集中與卸壓。

4 煤體滲透率變化分析及工作面分區(qū)

研究不同應(yīng)力區(qū)煤體的滲透率，有利于全面了解工作面瓦斯賦存情況；分析不同應(yīng)力區(qū)內(nèi)的煤與瓦斯突出危險性，有利于對工作面進(jìn)行分區(qū)分級治理，實施“一區(qū)一策”，實現(xiàn)瓦斯安全經(jīng)濟(jì)高效治理。

4.1 己15-22080 工作面煤體滲透率變化及危險性

截止目前，學(xué)者對于煤層的滲透率已經(jīng)建立了多種演化模型，其中大部分模型均將煤的結(jié)構(gòu)簡化為“火柴桿”模型或“立方體”模型[17-18]。選用LIU 等[19]提出的在單軸應(yīng)變假設(shè)下，基于“火柴桿”模型推導(dǎo)的氣固耦合作用下瓦斯運(yùn)移滲透率演化模型進(jìn)行計算。5 組煤樣裂隙率等相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 5 組煤樣裂隙率等相關(guān)數(shù)據(jù)Table 2 Related data of 5 groups of coal samples

根據(jù)前文數(shù)值模擬所得到的應(yīng)力值，設(shè)初始應(yīng)力值為19.5 MPa，高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力最大值為27.5 MPa，煤體初始裂隙率均值為0.013 4，根據(jù)礦方現(xiàn)場實測原始瓦斯數(shù)據(jù)，將正常應(yīng)力區(qū)瓦斯壓力設(shè)為0.74 MPa，高應(yīng)力疊加區(qū)瓦斯壓力設(shè)為3 MPa。滲透率演化模型各參數(shù)值見表3。

表3 滲透率演化模型各參數(shù)值Table 3 Parameter values in permeability evolution model

最終得到高應(yīng)力區(qū)煤體裂隙率最小為0.009 5，較初始應(yīng)力區(qū)煤體裂隙率最大降低約29%；滲透率最大降低約64%。工作面靠近風(fēng)巷一側(cè)形成了較大范圍的卸壓區(qū)，最大卸壓達(dá)10 MPa。張榮[20]對保護(hù)層開采后上覆煤體卸壓后滲透率演化進(jìn)行了研究，得出卸壓后的煤體滲透率會極大提高。陳海棟[21]通過CT 實時檢測研究了煤體卸壓后的損傷與滲透性演化特征，發(fā)現(xiàn)保護(hù)層開采使煤層卸壓后會產(chǎn)生4個滲透性變化區(qū)，被保護(hù)層滲透性明顯增加。

因此在受到煤柱的壓茬與煤層開采擾動的高應(yīng)力區(qū)內(nèi)，一方面煤體處于強(qiáng)壓狀態(tài)，裂隙受到壓縮，使得裂隙率下降，煤體的裂隙率與煤層的滲透率都更小，瓦斯更難從煤體中解吸出來。另一方面，由理想氣體狀態(tài)方程可知，煤體的裂隙率降低后使得其能夠儲存瓦斯的空間變小，氣體的壓力勢必會增大，因此高應(yīng)力區(qū)煤體內(nèi)的瓦斯壓力更大，其壓力梯度也更大；當(dāng)煤層受到打鉆擾動時，鉆孔前方的煤體失穩(wěn)卸壓，瓦斯快速解吸，在高瓦斯壓力梯度條件下，煤層中瓦斯會瞬間釋放，從而導(dǎo)致噴孔甚至煤與瓦斯突出，所以高應(yīng)力區(qū)的突出危險性相較于正常區(qū)域與卸壓區(qū)更大；而卸壓區(qū)內(nèi)煤層滲透率增加，瓦斯抽采與治理難度相對較低，突出危險性更小。在現(xiàn)場工作面機(jī)巷區(qū)域施工底板巖巷密集穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)域性防突措施時，于機(jī)巷底抽巷200 m 附近發(fā)生嚴(yán)重的噴孔現(xiàn)象，單孔噴出煤量6.0 t，噴出瓦斯量650 m3。這也驗證了煤柱的壓茬與煤層開采擾動的高應(yīng)力疊加區(qū)的突出危險性。

4.2 瓦斯治理分區(qū)及治理建議

根據(jù)不同應(yīng)力區(qū)煤與瓦斯突出危險程度的不同，對工作面瓦斯治理進(jìn)行分區(qū)，不同的區(qū)域制定對應(yīng)的瓦斯治理措施。將己15-22080 工作面在丁組煤柱疊加戊組煤層開采擾動影響下的垂直應(yīng)力分布狀態(tài)作為劃分瓦斯治理區(qū)域的依據(jù)，前文分析可知，己15-22080 工作面應(yīng)力分布大致可以分為3 部分，即卸壓區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)與應(yīng)力集中疊加區(qū)。以20 MPa 作為煤層原始應(yīng)力，設(shè)高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)為1.15，卸壓區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)為0.85。因此，將己15-22080 工作面分為3 個瓦斯治理區(qū)，分別為一般突出危險區(qū)（垂直應(yīng)力小于17 MPa）、中等突出危險區(qū)（垂直應(yīng)力在17～23 MPa 之間）以及重度突出危險區(qū)（垂直應(yīng)力大于23 MPa）。以17 MPa 與23 MPa 2 個臨界值為基礎(chǔ)，將各區(qū)域劃分成較為規(guī)則的形狀；結(jié)合工程實際，為了方便現(xiàn)場施工，劃分了各危險區(qū)范圍，瓦斯治理分區(qū)示意圖如圖11。

圖11 瓦斯治理分區(qū)示意圖Fig.11 Schematic diagram of gas sub-region management

治理措施建議：卸壓區(qū)靠近工作面風(fēng)巷一側(cè)，由于卸壓效果明顯，因而通過己15-22060 機(jī)巷低抽巷及22080 中間低抽巷向工作面施工間距較大的普通穿層與順層抽采鉆孔進(jìn)行治理；一般突出危險區(qū)采用中間低抽巷施工間距較密的普通穿層抽采鉆孔加順層抽采鉆孔的方法進(jìn)行治理；高應(yīng)力集中區(qū)構(gòu)造煤體力學(xué)強(qiáng)度較低，同時處于高地應(yīng)力環(huán)境下煤層滲透性低，具備了高應(yīng)力能與高瓦斯能的突出條件。相關(guān)研究與實驗表明，水力沖孔造穴技術(shù)對于低滲構(gòu)造煤具有明顯的卸荷增透效果。因此，采用高壓水力沖孔技術(shù)對機(jī)巷及高應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行預(yù)抽，待機(jī)巷掘進(jìn)之后再對工作面實施密集順層鉆孔抽采。

5 結(jié) 論

1）在只受大間距丁組遺留煤柱的影響時，平煤八礦己15-22080 機(jī)巷100～500 m 區(qū)段及工作面靠近此區(qū)段部分區(qū)域出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中。其中機(jī)巷240 m 處垂直應(yīng)力最大，為23.6 MPa，機(jī)巷0 m 處垂直應(yīng)力最小，為19.6 MPa。此外，工作面傾向方向上機(jī)巷應(yīng)力普遍大于風(fēng)巷。

2）隨著上位戊組煤層開采，己15-22080 工作面及機(jī)巷受到大間距丁組煤柱與上位戊組煤層開采擾動的復(fù)合影響應(yīng)力分布進(jìn)一步不均勻。戊組煤層開采結(jié)束后，機(jī)巷整體應(yīng)力普遍提高1.64～4.7 MPa；在煤柱影響區(qū)內(nèi)（100～400 m）己15-22080 機(jī)巷應(yīng)力增加約2.3～4.7 MPa，于機(jī)巷260 m 處達(dá)到最大值27.3 MPa，考慮疊加煤柱影響共增加約8 MPa。工作面同時存在卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)主要分布于靠近機(jī)巷一側(cè)0～500 m 范圍內(nèi)；卸壓區(qū)靠近風(fēng)巷一側(cè)，最大卸壓達(dá)10 MPa。

3）在大間距煤柱與上位煤層開采擾動影響的高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，煤體裂隙率較初始狀態(tài)最大降低29%左右，煤層滲透率最大降低64%左右，導(dǎo)致瓦斯壓力和壓力梯度增大，突出危險性更大；卸壓區(qū)內(nèi)煤層滲透率增加，瓦斯抽采與治理難度相對較低。依據(jù)工作面應(yīng)力分布狀態(tài)將工作面劃分為一般突出危險區(qū)、中等突出危險區(qū)與重度突出危險區(qū)，并提出瓦斯分區(qū)域治理建議。