郭建行

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

我國淮南、淮北、天府、華晉、鐵法等礦區(qū)進行保護層開采的現(xiàn)場試驗，取得了顯著成果[1]，淮南礦區(qū)保護層開采后處于微小開裂帶上緣的煤層透氣性系數(shù)增大數(shù)百倍。開采保護層是解決深部采場地壓及瓦斯問題的最有效辦法[2]，在國內(nèi)已經(jīng)廣泛采用，被認為是釋放被保護層彈性潛能，增大煤巖透氣性[3]，提高瓦斯抽采率的最有效措施之一，通過保護層的開采的影響，使被保護層的應(yīng)力得到重新分布，處于保護范圍內(nèi)的煤巖體應(yīng)力能夠得到有效的釋放，裂隙通道大量發(fā)育，滲透系數(shù)呈數(shù)量級增加，吸附狀態(tài)瓦斯不斷轉(zhuǎn)化為游離狀態(tài)，瓦斯涌出量劇增[4]。因此進行保護層開采后卸壓規(guī)律和瓦斯抽采技術(shù)研究對于工作面瓦斯治理具有重要意義[5]。

關(guān)于保護層的開采，國內(nèi)學(xué)者分別從理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等手段開展了廣泛的研究，趙燦等[6]通過現(xiàn)場試驗得到了上保護層在開采后被保護層的垂直應(yīng)力及塑性區(qū)變化規(guī)律；徐剛等[7]采用數(shù)值模擬對被保護層應(yīng)力和位移進行分析，并對保護效果進行了檢驗；陳亮[8]研究了下行開采疊加狀態(tài)下，不同煤層頂?shù)装鍛?yīng)力、位移及塑性區(qū)的變化規(guī)律，并以此進行了瓦斯治理實踐；李海濤等[9]通過理論分析、數(shù)值模擬的方法分析了近距離煤層群開采中上保護層開采后底板卸壓效果，并在工程實踐中對瓦斯治理效果進行了考察；劉雨濤等[10]從卸壓、膨脹變形、滲透率變化3個方面分析上保護層開采后的卸壓增透情況，為有效、合理的瓦斯治理提供了依據(jù)。

西汾柳礦區(qū)西山煤田東于礦為近距離高瓦斯煤層群條件，03號煤層作為上保護層的開采導(dǎo)致被保護范圍內(nèi)2號煤層卸壓，大量的瓦斯涌入到03號煤層工作面和采空區(qū)自由空間內(nèi)，將嚴重影響上保護層工作面的安全高效回采。因此，開展下伏煤巖體應(yīng)力分布及卸壓規(guī)律研究對采掘巷道部署和瓦斯災(zāi)害防治工作至關(guān)重要[11，12]。本文采用數(shù)值模擬的方法，通過FLAC3D數(shù)值模擬[13]軟件對東于礦03X00工作面上保護層開采卸壓效果進行了分析，研究了上保護層開采后下伏被保護層應(yīng)力分布情況，提出了卸壓瓦斯治理技術(shù)方案[14，15]，對礦井實現(xiàn)安全、高效開采意義重大。

1 試驗工作面概況

東于礦03X00工作面位于一采區(qū)東翼中部，走向長度為626m，傾向長度為185m，煤層賦存從上到下依次為03、2、4號煤層，03號煤層平均厚度為1.68m，煤層傾角約為11°，下距2號煤層平均8.65m，距離4號煤層平均21.04m，為近距離煤層群條件，03、2、4號煤層位置關(guān)系如圖1所示。

東于礦井為高瓦斯礦井，煤層瓦斯壓力和含量相對較高，從上到下呈現(xiàn)增加趨勢，03X00工作面實測煤層最大瓦斯壓力為0.72MPa，最大瓦斯含量7.10m3/t，預(yù)測工作面絕對瓦斯涌出量高達32.69m3/min，本煤層占比39%，鄰近層占比61%，因此鄰近層瓦斯治理為重中之重，各煤層瓦斯參數(shù)指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 瓦斯參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)近距離煤層群的賦存條件和特征，同時考慮到開采保護層不能對被保護層的開采產(chǎn)生破壞的原則，結(jié)合各個煤層瓦斯參數(shù)指標(biāo)，選擇將瓦斯含量較小的03號煤層作為上保護層開采。

2 上保護層開采后底板卸壓規(guī)律分析

2.1 上保護層開采后底板破壞深度

隨著上保護層工作面的不斷推進，采場周圍煤巖體的應(yīng)力會重新分布，底板的彈性潛能得到釋放，煤巖體破壞變形，底板煤巖體的塑性區(qū)域邊界，如圖2所示。

底板煤巖層塑性區(qū)可以認為是最大裂隙帶深度[16]，采用塑性力學(xué)中滑移線場理論，由式(1)計算得出底板最大裂隙帶深度hmax。

式中，H為開采深度，m；φ0為底板平均內(nèi)摩擦角，(°)。

03X00工作面開采深度約為400m，底板平均內(nèi)摩擦角為40°，通過計算底板最大裂隙帶深度為14.08m，大于8.65m。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》，由式(2)計算上保護層最大保護垂距：

因此，對比以上數(shù)據(jù)按照取小原則來看，03X00工作面開采后，下部2號煤層也完全處于底板破壞范圍內(nèi)，因此03X00工作面作為保護層開采是合理的。

2.2 傾向卸壓范圍

為了減小被保護層巷道掘進期間瓦斯治理的壓力，通常選擇將被保護層的巷道布置在卸壓范圍內(nèi)，因此需要對上保護層開采后沿傾向保護范圍進行考察，03號煤層為緩傾斜煤層，傾向上表現(xiàn)的卸壓角度相等，卸壓角度為75°，卸壓范圍較大，2號煤層的保護范圍為03X00工作面兩巷內(nèi)錯2.32m，具體范圍劃分如圖3所示?？梢钥闯鲈?3X00鄰近工作面回采后，在2號煤層卸壓保護范圍內(nèi)布置底抽巷和鄰近工作面運輸巷，保證了2號煤層采掘巷道均布置在03號煤層的卸壓保護范圍內(nèi)。

2.3 被保護層應(yīng)力分布規(guī)律研究

通過以上分析可知，03X00工作面開采后，底板的破壞深度，傾向的卸壓范圍均能使2號煤層得到有效保護，但具體卸壓程度還需要進一步量化。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)建立上保護層開采的三維數(shù)值模擬模型，模擬出上保護層開采后底板的應(yīng)力變化進而可知被保護層卸壓程度和范圍，達到與理論計算相互印證，應(yīng)力分布如圖4所示。在03X00工作面開采后，下伏煤巖層受到擾動應(yīng)力會重新分布，其中垂直應(yīng)力最能反應(yīng)下伏煤巖層卸壓情況，根據(jù)應(yīng)力分布圖可以看出沿傾向采空區(qū)底板垂直應(yīng)力呈現(xiàn)非對稱性倒拱形分布，采空區(qū)底板部位形成煤巖體應(yīng)力釋放區(qū)，運輸巷和軌道巷兩段煤柱均形成應(yīng)力集中區(qū)。

03X00工作面開采后下部2號煤層傾向應(yīng)力分布曲線如圖5所示。由于煤層傾角較小，下伏煤巖體應(yīng)力分布雖存在差異性但差別較小，基本呈現(xiàn)對稱分布。2號煤層應(yīng)力呈現(xiàn)明顯卸壓狀態(tài)，相對原始煤體應(yīng)力卸壓率達到92%，下部2號煤層卸壓區(qū)為03號煤層雙巷垂向內(nèi)錯3～4m，卸壓范圍達到94%。

3 “一面三巷”卸壓瓦斯治理技術(shù)研究

3.1 卸壓瓦斯運移規(guī)律研究

03X00工作面開采屬于近距離高瓦斯煤層群開采，工作面的開采會導(dǎo)致頂?shù)装逯g形成自由空間，同時由于卸壓作用導(dǎo)致底板彈性潛能得到充分釋放，發(fā)生膨脹變形破壞，形成大量的采動裂隙，使得下伏煤巖體透氣性系數(shù)成百上千倍增加，如圖6所示。

由于03X00工作面的開采，會使得應(yīng)力得到重新分布，在充分卸壓帶范圍內(nèi)的2號煤層，距離2號煤層12.39m的下鄰近4號煤層以及下部處于卸壓區(qū)域的煤層大量的吸附態(tài)瓦斯變?yōu)橛坞x態(tài)[17]，經(jīng)過裂隙通道向上流動[18]，此時在該區(qū)域?qū)ν咚惯M行攔截抽采，阻止瓦斯涌入03X00工作面采空區(qū)是瓦斯治理的關(guān)鍵所在。

3.2 工作面采掘巷道設(shè)計

03X00工作面采用“一面三巷”布置，03X00工作面軌道巷、運輸巷和底抽巷，底抽巷后期可作為2號煤層的運輸巷，達到“一巷兩用”的目的，其中底抽巷布置在03X00鄰近工作采空區(qū)下部卸壓的2號煤層中，由切眼向工作面巷道口方向反向掘進而成，上部03X00工作面采完后內(nèi)錯03X00軌道巷25m反向掘進2號煤層工作面的軌道巷，進而與2號煤層的運輸巷(底抽巷)形成2號煤層工作面，保證了2號煤層的采掘一直處于03X00工作面的卸壓保護范圍內(nèi)，工作面“一面三巷”布置如圖7所示。

3.3 瓦斯治理技術(shù)方案

03號煤層作為上保護層進行開采，軌道巷和運輸巷采用千米定向鉆機進行順層條帶預(yù)抽[19，20]，抽采達標(biāo)后掘進形成單“U”工作面布置方式。2號煤層底抽巷在卸壓保護區(qū)域反向掘進而形成。工作面采用“一面三巷”布置后，為了減少工作面回采時本煤層和鄰近層瓦斯大量涌入回采工作面，在03X00工作面軌道巷和運輸巷采用雙向?qū)Υ蝽槍宇A(yù)抽鉆孔的方式進行本煤層瓦斯抽采，鉆孔設(shè)計長度為100m，直徑113mm，間距3m，中間重疊15m。同時在底抽巷施工2號煤層攔截瓦斯抽采鉆孔，鉆孔設(shè)計長度160m，直徑113mm，間距4m，覆蓋03X00工作面73%的區(qū)域，瓦斯治理技術(shù)方案如圖8所示。

4 瓦斯治理效果分析

4.1 被保護層保護效果考察

為了考察作為上保護層的03X00工作面開采后的保護效果，在03X00工作面開采時對被保護的2號煤層進行卸壓瓦斯抽采，并對被保護的2號煤層采用殘余瓦斯含量與原始瓦斯含量對比的方法進行檢驗，在03X00工作面推進300m時，在底抽巷水平距離03X00工作面切眼50m(H1號孔)、100m(H2號孔)、150m(H3號孔)、200m(H4號孔)位置進行考察，四處位置已經(jīng)屬于采動后穩(wěn)定區(qū)域，測定的殘余瓦斯含量結(jié)果見表2。

表2 殘余瓦斯含量結(jié)果

同時在底抽巷水平距離03X00工作面切眼80m(Y1號孔)和160m(Y2號孔)兩處對2號煤層瓦斯壓力變化進行觀測，瓦斯壓力變化如圖9所示。由圖可以看出，1、2、3、4號鉆孔殘余瓦斯含量均小于4m3/t，可解吸瓦斯含量下降率達到61%；瓦斯壓力開始因抽采作用緩慢下降，03X00工作面采過后急劇下降，最大殘余瓦斯壓力為0.24MPa，下降了67%。由此可見通過上保護層03X00工作面的開采使得被保護層2號煤層產(chǎn)生卸壓增透增流效應(yīng)，達到了高瓦斯煤層在相對低瓦斯?fàn)顟B(tài)下開采的目的，實現(xiàn)了煤與瓦斯共采。

4.2 瓦斯抽采效果考察

4.2.1 抽采情況分析

03X00工作面開采期間對2號煤層卸壓瓦斯抽采5、10、15號瓦斯抽采鉆孔濃度進行了考察，結(jié)果如圖10所示。可以看出，底抽巷攔截瓦斯抽采鉆孔自開始抽采后抽采濃度隨時間逐漸衰減，當(dāng)?shù)壮橄飻r截瓦斯抽采鉆孔進入03X00工作面采空區(qū)下方卸壓區(qū)后，鉆孔瓦斯抽采濃度均有一個提升并趨于穩(wěn)定的過程，推過20m時達到最大并趨于穩(wěn)定，其中最高濃度達到89%，濃度最大提升60%，卸壓后鉆孔抽采純量提高了近1倍，有效地攔截了2號煤層瓦斯的向上流動，保證了03X00工作面的安全回采。

4.2.2 瓦斯涌出情況分析

03X00工作面在回采過程中對軌道巷、上隅角以及底抽巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗M行了監(jiān)測，結(jié)果如圖11所示。可以看出，03X00工作面初采時由于頂板未垮落造成上隅角瓦斯?jié)舛绕?，初采后上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%～0.4%，軌道巷和底抽巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.3%，未出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸薜默F(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)礦井近距離煤層群瓦斯賦存由上到下逐漸增加的特點，同時考慮保護層的開采不應(yīng)破壞被保護層的原則，選擇瓦斯含量較小的03號煤層03X00工作面作為首采卸壓層。

2)通過理論對比計算得出了03X00工作面開采后底板最小破壞深度為14.08m，大于03號煤層和2號煤層之間距離8.65m，2號煤層完全處于03X00工作面的保護范圍內(nèi)；傾向卸壓范圍為03X00工作面軌道巷和運輸巷內(nèi)錯2.32m，為2號被保護煤層巷道布置提供了依據(jù)。

3)通過數(shù)值模擬結(jié)果表明，作為上保護層的03X00工作面開采后，采空區(qū)下方的2號被保護煤層卸壓范圍達到94%，應(yīng)力卸壓率達到92%，彈性潛能得到充分的釋放，裂隙發(fā)育，形成瓦斯流動的通道，提高煤層透氣性。

4)分析了近距離煤層群首采層開采過程中的瓦斯運移規(guī)律，確定了“一面三巷”的工作面采掘巷道布置方式，設(shè)計了03X00工作面兩巷順層雙向?qū)Υ蛲咚诡A(yù)抽鉆孔和被保護2號煤層瓦斯抽采攔截鉆孔相結(jié)合的瓦斯治理技術(shù)方案。

5)通過上保護層03X00工作面的開采，被保護2號煤層瓦斯含量降低了61%，瓦斯壓力降低67%，卸壓瓦斯抽采濃度提高了60%，純量提高了近1倍；上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%～0.4%，軌道巷和底抽巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.3%，有效地降低了工作面的瓦斯涌出量，預(yù)防了瓦斯超限，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。