秦 冰,葉棟林,石占山,1c,孫維吉,李 剛,張晉京

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) a. 力學(xué)與工程學(xué)院;b. 礦業(yè)學(xué)院;c. 礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院, 遼寧 阜新 123000;2. 中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司,河南 平頂山 467000)

保護(hù)層開(kāi)采后,下伏煤巖體應(yīng)力降低、采動(dòng)裂隙發(fā)育、煤巖層透氣性增大,使煤層瓦斯解吸、運(yùn)移[1-2],利于通過(guò)瓦斯抽采降低煤層瓦斯含量,在國(guó)內(nèi)已有較成熟的應(yīng)用。目前,針對(duì)保護(hù)層開(kāi)采應(yīng)力重分布規(guī)律已有大量研究。石必明等[3-4]研究了保護(hù)層開(kāi)采上覆巖層的應(yīng)力變化以及膨脹變形規(guī)律;施龍青等[5]和朱第植等[6]從工程力學(xué)角度出發(fā),對(duì)巖石損傷及斷裂特征進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn),并結(jié)合工程實(shí)踐將釆場(chǎng)下伏煤巖體分為“四帶”;沈明榮等[7]分析了工作面回釆后采場(chǎng)底板及下覆煤巖體向釆場(chǎng)無(wú)應(yīng)力區(qū)彈性恢復(fù)的過(guò)程;李樹(shù)清等[8]和袁志剛等[9]應(yīng)用巖土力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件FLAC模擬了保護(hù)層的開(kāi)采過(guò)程并給出卸壓角及保護(hù)效果影響參數(shù);黃光利[10]運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件的固氣耦合模型計(jì)算了煤礦上保護(hù)層開(kāi)采的保護(hù)范圍;朱志潔等[11]開(kāi)展了遠(yuǎn)距離重疊開(kāi)采條件下,煤柱集中應(yīng)力影響下的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)制,分析了煤柱對(duì)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的影響機(jī)理;Gao等[12]通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了應(yīng)力分布特征,并考慮了上覆煤柱的存在,同時(shí)揭示了采空區(qū)應(yīng)力釋放與上覆煤柱應(yīng)力集中對(duì)最終應(yīng)力分布的共同影響;李楊等[13]開(kāi)展了多煤層開(kāi)采中,中間巖層對(duì)覆巖移動(dòng)的影響機(jī)理研究,提出了上覆巖層與中間巖層厚度之比并不是控制覆巖移動(dòng)的決定性因素;Yin等[14]研究考察了重慶地區(qū)煤樣在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變-滲透率關(guān)系?？禋J容等[15]利用自行研制的“多場(chǎng)耦合煤礦動(dòng)力災(zāi)害大型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”,進(jìn)行了三維采動(dòng)應(yīng)力條件下的三維模擬開(kāi)采實(shí)驗(yàn),對(duì)多煤層卸壓采動(dòng)后的底板巖層破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。

然而當(dāng)前研究中大多考慮單一上保護(hù)開(kāi)采工況[16-21],且以單一工作面為研究對(duì)象,忽略了上保護(hù)層多工作面布置時(shí)區(qū)段煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中對(duì)下被保護(hù)層卸壓的影響,及多重上保護(hù)層開(kāi)采的卸壓增強(qiáng)效應(yīng)。同時(shí)在保護(hù)層效果判定中,《AQ1050—2008保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)規(guī)范》[22]中給出,上保護(hù)層開(kāi)采時(shí)對(duì)于緩傾斜煤層保護(hù)最大有效垂距為50 m,規(guī)范給出的保護(hù)有效距離是基于單一保護(hù)層開(kāi)采提出的,對(duì)于多重上保護(hù)層疊加開(kāi)采保護(hù)有效距離的評(píng)價(jià)未見(jiàn)相關(guān)規(guī)范指南,多重上保護(hù)層開(kāi)采的卸壓效果需要具體分析。

雙重上保護(hù)層開(kāi)采應(yīng)力重分布不同于單一煤層開(kāi)采。對(duì)于雙重上保護(hù)層開(kāi)采工作面,不僅能夠?qū)ο路矫簩舆M(jìn)行雙重卸壓,而且在工作布置時(shí)能夠?qū)﹄p重保護(hù)層內(nèi)區(qū)段煤柱進(jìn)行相互掩護(hù),雙重卸壓規(guī)律及相互掩護(hù)對(duì)卸壓的影響有待進(jìn)一步研究。因此筆者充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況,以平煤八礦丁5-6煤層、戊9-10煤層、己15煤層組成的煤層群開(kāi)采為工程背景,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多煤層多工作面的實(shí)際采掘布置,建立了雙重上保護(hù)層多工作面開(kāi)采數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)雙重上保護(hù)層開(kāi)采采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律開(kāi)展研究,進(jìn)一步依據(jù)應(yīng)力重分布規(guī)律給出被保護(hù)煤層的瓦斯治理措施及采掘布置計(jì)劃,達(dá)到瓦斯精準(zhǔn)治理[23]的目標(biāo)。

1 FLAC3D模型的建立及參數(shù)確定

1.1 模型的建立

平煤八礦為高瓦斯礦井,主要可采煤層有丁5-6、戊9-10、己15和己16-17煤層,本次研究重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槎?-6、戊9-10、己15煤層組成的煤層群,其中丁5-6煤層和戊9-10煤層間距是70～90 m,戊9-10煤層和己15煤層間距平均約170 m,煤層傾角平均9°。研究區(qū)域丁5-6煤層布置有4個(gè)工作面,戊9-10煤層布置有2個(gè)工作面,且均已開(kāi)采完畢?，F(xiàn)階段擬開(kāi)采己15煤層21030工作面。采區(qū)內(nèi)丁5-6、戊9-10煤層的工作面走向相同,長(zhǎng)短不一,在傾向上交錯(cuò)布置。己15煤層21030工作面走向與丁5-6、戊9-10煤層工作面走向呈17°交角。擬分析丁5-6、戊9-10煤層雙重上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)己15煤層工作面應(yīng)力分布的影響。各工作面空間位置如圖1所示。

圖1 工作面空間分布Fig. 1 Spatial distribution of working faces

根據(jù)平煤八礦確定的研究區(qū)域工作面布置情況,采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件,建立了等比例模型,模型尺寸為800 m(x)×1 400 m(y)×500 m(z)生成網(wǎng)格884 800個(gè),節(jié)點(diǎn)913 680。丁5-6、戊9-10煤層間距選取80 m,戊9-10、己15煤層間距選取170 m。模型上表面距離地表約400 m,覆巖平均容重取20 kN/m3,上表面施加載荷為8 MPa。模擬煤層傾角為9°,采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,模型前后、左右4個(gè)面約束其法向自由度,底面約束x、y、z3個(gè)方向自由度。建立的模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型建立Fig. 2 Numerical modeling

1.2 計(jì)算參數(shù)及數(shù)值模擬設(shè)計(jì)方案

1.2.1 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的參數(shù)測(cè)試結(jié)果,并結(jié)合現(xiàn)有論文中關(guān)于平煤股份八礦煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果[24-25],考慮巖層與巖石試件在應(yīng)力換算中存在的尺度效應(yīng),依據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果反演模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)

1.2.2 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)方案

開(kāi)挖過(guò)程如下:①對(duì)丁5-6煤層工作面全部開(kāi)采;②開(kāi)挖后計(jì)算平衡,再進(jìn)行戊9-10煤層工作面全部開(kāi)采;③戊9-10煤層工作面開(kāi)采后計(jì)算平衡,對(duì)己15煤層21030工作面進(jìn)行分次開(kāi)采模擬回采過(guò)程,工作面每次推進(jìn)距離為100 m,每次推進(jìn)后計(jì)算平衡,共計(jì)開(kāi)采12次。

為獲取實(shí)際工作面布置條件下雙重上保護(hù)層開(kāi)采應(yīng)力分布規(guī)律,設(shè)計(jì)了5種方案進(jìn)行對(duì)比。①丁5-6煤層開(kāi)挖后,通過(guò)選取截面A-A分析丁5-6煤層單一工作面保護(hù)時(shí),己15煤層應(yīng)力分布規(guī)律。通過(guò)選取截面B-B分析丁5-6煤層多工作面共同保護(hù)時(shí),己15煤層應(yīng)力分布規(guī)律;②丁5-6、戊9-10煤層均開(kāi)挖后,通過(guò)選取截面C-C分析戊9-10煤層單一工作面保護(hù)時(shí),己15煤層應(yīng)力分布規(guī)律。通過(guò)選取截面D-D分析丁5-6、戊9-10煤層多工作面交錯(cuò)掩護(hù)布置共同保護(hù)時(shí),己15煤層應(yīng)力分布規(guī)律。通過(guò)選取截面E-E分析丁5-6、戊9-10煤層工作面未相互掩護(hù)共同保護(hù)時(shí),己15煤層應(yīng)力分布規(guī)律。截面布置如圖1(b)所示,通過(guò)多方案對(duì)比闡明雙重上保護(hù)層開(kāi)采對(duì)被保護(hù)層應(yīng)力分布的影響,如表2所示。

表2 模擬方案

2 雙重保護(hù)層疊加開(kāi)采應(yīng)力分布規(guī)律研究

2.1 單一保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層傾向應(yīng)力分布規(guī)律

模型初始應(yīng)力平衡后,選取了y=700 m截面即模型中部,給出各煤層工作面位置的初始應(yīng)力分布狀態(tài),如圖3所示。其中應(yīng)力值為負(fù)值表示該位置受壓,反之受拉,卸壓值為卸壓后應(yīng)力值與初始應(yīng)力值之差。圖3中水平應(yīng)力值方向?qū)?yīng)圖1(a)中x軸所示的方向。圖3中標(biāo)記了截面對(duì)應(yīng)的工作面分布位置,圖中數(shù)字為各工作面名稱(chēng)。

圖3 傾向y=700 m截面初始應(yīng)力分布狀態(tài)Fig. 3 The initial stress distribution state of tendency y=700 m section

2.1.1 丁5-6煤層單獨(dú)保護(hù)己15煤層應(yīng)力分布規(guī)律

為對(duì)比雙重保護(hù)層開(kāi)采與單一煤層保護(hù)層開(kāi)采應(yīng)力分布的差異,開(kāi)展了丁5-6煤層工作面單獨(dú)保護(hù)己15煤層時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律研究。在丁5-6煤層工作面開(kāi)挖后戊9-10煤層工作面未開(kāi)挖前,丁5-6煤層對(duì)己15煤層存在兩種保護(hù)形式,分別為丁5-6單一工作面開(kāi)采保護(hù)己15煤層(y=200 m截面);丁5-6多工作面開(kāi)采保護(hù)己15煤層(y=500 m截面)。

1)丁5-6單一工作面保護(hù)己15煤層。如圖4所示,該截面為表2中方案1。丁5-6單一工作面開(kāi)挖,戊9-10、己15煤層未開(kāi)挖,丁5-6開(kāi)挖工作面兩側(cè)煤柱發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力分布狀態(tài)如表3所示。單一工作面開(kāi)挖后兩側(cè)為采區(qū)邊界煤柱,煤柱集中應(yīng)力最大值為-19 MPa,應(yīng)力集中傳遞至底板下方80 m。丁5-6保護(hù)下,己15煤層卸壓區(qū)域垂直應(yīng)力值由-14～-16 MPa下降至-13～-15 MPa,下降1 MPa。由于單一保護(hù)層邊界煤柱集中應(yīng)力傳遞范圍較大的影響,對(duì)己15煤層21030工作面布置位置卸壓作用不明顯。

圖4 丁5-6單一工作面保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布云圖(y=200 m截面)Fig. 4 The stress distribution nephogram of the single working face of D5-6protecting J15working face (y=200 m section)

表3 丁5-6單一工作面保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布

2)丁5-6多工作面保護(hù)己15煤層。如圖5所示,該截面為表2中方案2。丁5-6多工作面開(kāi)挖,戊9-10、己15煤層未開(kāi)挖,應(yīng)力分布狀態(tài)如表4所示。丁5-6煤層工作面間的區(qū)段煤柱應(yīng)力集中值增加為-39 MPa,應(yīng)力值較大,但其向底板傳遞的距離較短,約為26 m。下方己15煤層工作面所在位置最大卸壓值2 MPa。由于丁5-6煤層多工作面開(kāi)采,且己15煤層工作面不在邊界煤柱下方,己15煤層21030工作面位置卸壓值有所增加。

圖5 丁5-6多工作面保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布云圖(y=500 m截面)Fig. 5 The stress distribution nephogram of the multiple working faces of D5-6protecting J15working face (y=500 m section)

表4 丁5-6多工作面保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布

2.1.2 戊9-10煤層單獨(dú)保護(hù)己15煤層應(yīng)力分布規(guī)律

如圖6所示,該截面為表2中方案3。丁5-6工作面開(kāi)挖后對(duì)戊9-10工作面進(jìn)行了開(kāi)挖。由于戊9-10煤層工作面走向長(zhǎng)度不同,該截面戊9-10煤層對(duì)應(yīng)單一工作面,同時(shí)戊9-10煤層單一工作面左半部分上方有丁5-6工作面,丁5-6煤層工作面右側(cè)煤柱位于戊9-10煤層工作面采空區(qū)上方,戊9-10工作面左側(cè)煤柱位于丁5-6工作面采空區(qū)下方,使得區(qū)段煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。戊9-10工作面右半部分形成單一煤層保護(hù)己15煤層工作面的條件,該保護(hù)區(qū)域內(nèi)己15被保護(hù)層垂直應(yīng)力由-14～-16 MPa卸載至-7.5～-12 MPa之間,如表5所示,右側(cè)單獨(dú)保護(hù)區(qū)域卸壓最大值為4 MPa。

圖6 戊9-10單一工作面保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布云圖(y=400 m截面)Fig. 6 The stress distribution nephogram of the single working face of E9-10protecting J15working face (y=400 m section)

表5 戊9-10單一工作面保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布

2.2 雙重保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層傾向應(yīng)力分布規(guī)律

2.2.1 丁5-6、戊9-10工作面區(qū)段煤柱相互掩護(hù)

如圖7所示,該截面為表2中方案4。此時(shí)丁5-6、戊9-10工作面均開(kāi)采完畢,己15煤層21030工作面位于雙重保護(hù)層下方。由表6可知,當(dāng)己15工作面位于丁5-6、戊9-10煤層工作面疊加采動(dòng)卸壓區(qū)域下方時(shí),卸壓范圍進(jìn)一步向下延伸,己15煤層卸壓值進(jìn)一步增加,由-14～-16 MPa卸壓至-7.5～-10 MPa,卸壓值最大達(dá)6.5 MPa。同時(shí),對(duì)應(yīng)的丁5-6、戊9-10煤層工作面間的區(qū)段煤柱的集中應(yīng)力降低。丁5-6工作面右側(cè)集中應(yīng)力是由于丁5-6右側(cè)存在一個(gè)較短工作面,該截面恰好位于該工作面走向邊界導(dǎo)致。

圖7 丁5-6、戊9-10工作面交錯(cuò)布置保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布云圖(y=580 m截面)Fig. 7 The stress distribution nephogram of D5-6and E9-10working faces staggered arrangement to protect Ji15 working face (y=580 m section)

表6 丁5-6、戊9-10工作面交錯(cuò)布置保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布

2.2.2 丁5-6、戊9-10煤層工作面區(qū)段煤柱未相互掩護(hù)

如圖8所示,該截面為表2中方案5。此時(shí)丁5-6、戊9-10工作面均開(kāi)采完畢,丁5-6、戊9-10煤層工作面區(qū)段煤柱未相互掩護(hù)。由表7可知,己15煤層由-14～-16 MPa卸壓至-11～-13 MPa,卸壓值最大達(dá)3 MPa。同時(shí),對(duì)應(yīng)的丁5-6、戊9-10煤層工作面間區(qū)段煤柱集中應(yīng)力增加,最大集中應(yīng)力達(dá)到34 MPa。

圖8 丁5-6、戊9-10工作面未交錯(cuò)布置保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布云圖(y=260 m截面)Fig. 8 The stress distribution nephogram of D5-6and E9-10working faces without staggered arrangement to protect J15working face (y=260 m section)

表7 丁5-6、戊9-10工作面未交錯(cuò)布置保護(hù)己15工作面應(yīng)力分布

2.3 雙重保護(hù)層開(kāi)采被保護(hù)層走向應(yīng)力分布規(guī)律

前述給出了丁5-6、戊9-10煤層工作面開(kāi)采不同保護(hù)類(lèi)型時(shí),己15煤層工作面傾向應(yīng)力分布規(guī)律。為進(jìn)一步確定己15煤層工作面走向應(yīng)力分布情況,取丁5-6、戊9-10煤層開(kāi)采后,己15煤層21030工作面的走向切面應(yīng)力進(jìn)行分析,如圖9所示。

圖9 丁5-6、戊9-10工作面開(kāi)采后己15-21030工作面走向切面Fig. 9 The trend section of J15-21030 working face after the mining of D5-6and E9-10

由圖9(b)(c)可知,己15煤層工作面在走向方向上卸壓角不同。當(dāng)己15煤層工作面走向邊界位于戊9-10煤層工作面單獨(dú)保護(hù)區(qū)域時(shí),卸壓角較大為65°;位于丁5-6煤層工作面單獨(dú)保護(hù)區(qū)域時(shí),對(duì)應(yīng)的卸壓角較小為50°,如圖9(b)中虛線(xiàn)所示,且水平應(yīng)力變化較小。

圖10為丁5-6、戊9-10煤層開(kāi)采前后己15煤層21030工作面的走向應(yīng)力分布對(duì)比。由圖10可知,最大卸壓值位于工作面走向300～700 m范圍內(nèi),此處為雙重保護(hù)層疊加保護(hù)區(qū)域,卸壓影響范圍為工作面走向100 m到1 150 m范圍內(nèi)。

圖10 丁5-6、戊9-10煤層開(kāi)采前后己15-21030工作面走向切面應(yīng)力值對(duì)比Fig. 10 Comparison of the stress values of trend section of J15-21030 working face before and after the mining of D5-6and E9-10

圖11為丁5-6、戊9-10煤層開(kāi)采后,己15煤層全區(qū)的應(yīng)力分布情況。由圖 11可知,在雙重保護(hù)層保護(hù)區(qū)域的卸壓值較大,且呈橢圓形。當(dāng)丁5-6煤層工作面或戊9-10煤層工作面單獨(dú)保護(hù)時(shí),卸壓區(qū)域不規(guī)則延伸,且卸壓值減小。

圖11 丁5-6、戊9-10開(kāi)采后己組煤層全區(qū)應(yīng)力分布Fig. 11 Stress distribution in the whole area of the Group J coal seam after the mining of D5-6and E9-10

2.4 雙重保護(hù)層開(kāi)采后己15煤層工作面回采應(yīng)力演化規(guī)律

為指導(dǎo)己15煤層工作面采掘計(jì)劃設(shè)計(jì)并優(yōu)化瓦斯抽采鉆孔布置,進(jìn)一步分析了己15煤層21030工作面回采過(guò)程中工作面前方支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)的演化規(guī)律。依據(jù)圖12所示應(yīng)力云圖,統(tǒng)計(jì)應(yīng)力集中系數(shù)如表8所示。

圖12 己15煤層回采應(yīng)力演化規(guī)律Fig. 12 Law of evolution of mining stress in coal seam of J15

表8 工作面推進(jìn)應(yīng)力集中系數(shù)

推進(jìn)過(guò)程中距開(kāi)切眼300～1 000 m范圍內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較小。最大應(yīng)力集中系數(shù)為3.40,最小應(yīng)力集中系數(shù)為1.98,在回采中應(yīng)注意對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)較大區(qū)域提前給出安全防治措施。

3 應(yīng)力分布規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試方法及原理

鉆屑量是一種綜合反映煤體應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)。鉆孔形成后,在其周?chē)鷮⑿纬善扑閰^(qū)、塑性軟化區(qū)和彈性區(qū),不同圍巖應(yīng)力環(huán)境下鉆孔三區(qū)分布范圍不同,導(dǎo)致鉆屑量不同,鉆屑量測(cè)試能間接反映鉆孔圍巖應(yīng)力分布情況,圍巖應(yīng)力值越大,鉆屑量越大。

3.2 測(cè)試方案

針對(duì)丁5-6、戊9-10煤層對(duì)己15煤層的保護(hù)類(lèi)型,共設(shè)計(jì)了7個(gè)考察區(qū)域布置了13個(gè)施工位置開(kāi)展鉆孔鉆屑量考察,如表9所示。

表9 分區(qū)情況說(shuō)明

3.3 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

靜水壓力下巷道圍巖處于彈性變形階段,切向及徑向集中應(yīng)力影響范圍為3～5倍巷道半徑,巷道寬度為4.8 m,估算應(yīng)力集中影響范圍為14.4～24 m。剔除巷道周?chē)鷳?yīng)力重分布影響,從鉆進(jìn)至24 m處開(kāi)始取屑,直至鉆進(jìn)至79 m終止,測(cè)試位置如圖13所示,部分測(cè)試結(jié)果如圖14所示。

注:圖中紅色線(xiàn)為丁5-6煤層工作面;藍(lán)色線(xiàn)為戊9-10煤層工作面;綠色線(xiàn)為己15煤層工作面 圖13 己15-21030工作面鉆屑量測(cè)試位置Fig. 13 Drilling cuttings weight test position at J15-21030 working face

圖14 不同區(qū)域鉆屑量測(cè)試結(jié)果Fig. 14 Test results of drilling cuttings weight in different areas

3.4 測(cè)試結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算表明己15煤層原始區(qū)域應(yīng)力值為14～16 MPa,區(qū)域五、區(qū)域六鉆屑量測(cè)試對(duì)應(yīng)該方案,平均鉆屑量16.5 kg/m,如圖14(a)所示;區(qū)域四鉆屑量測(cè)試對(duì)應(yīng)方案2,最大卸壓值為2 MPa,平均鉆屑量14.8 kg/m;區(qū)域二鉆屑量測(cè)試對(duì)應(yīng)方案4,疊加采空區(qū)下方己15煤層卸壓情況,卸壓區(qū)域最大卸壓值6.5 MPa,平均鉆屑量10.8 kg/m;區(qū)域一鉆屑量測(cè)試對(duì)應(yīng)方案4,掩護(hù)煤柱下方己15煤層卸壓情況,卸壓值為4 MPa,平均鉆屑量為11.3 kg/m;區(qū)域三鉆屑量測(cè)試對(duì)應(yīng)方案5,丁5-6、戊9-10工作面煤柱未相互掩護(hù),區(qū)域最大集中應(yīng)力值可達(dá)到34 MPa,最大卸壓值3 MPa,平均鉆屑量12.3 kg/m;區(qū)域七對(duì)應(yīng)該方案3,戊9-10單一工作面保護(hù)己15煤層,卸壓最大值為4 MPa,平均鉆屑量11.7 kg/m,如圖14(b)所示。圖14中給出了區(qū)域六、七的鉆屑量測(cè)試結(jié)果,其他區(qū)域鉆屑量值測(cè)試可參考文獻(xiàn)[26],各區(qū)域測(cè)試結(jié)果均能反映卸壓值變化情況。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,己15-21030工作面瓦斯含量及壓力較大,因此需要科學(xué)制定采掘計(jì)劃及抽采鉆孔布置方案。依據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,卸壓區(qū)范圍為工作面走向100 m到1 150 m,最大卸壓值位于工作面走向300 m到700 m范圍內(nèi),應(yīng)力集中系數(shù)在300～1 000 m范圍內(nèi)較小。當(dāng)前正常情況下巷道日掘進(jìn)進(jìn)尺為8 m/d,根據(jù)卸壓區(qū)分布情況,將卸壓區(qū)外掘進(jìn)時(shí)的進(jìn)尺調(diào)整為4 m/d,工作面走向300～700 m范圍內(nèi)的掘進(jìn)進(jìn)尺按原計(jì)劃8 m/d進(jìn)行,其余區(qū)域掘進(jìn)進(jìn)尺調(diào)整為6 m/d。原設(shè)計(jì)本煤層預(yù)抽鉆孔間距為2.5 m,在卸壓區(qū)外將鉆孔間距調(diào)整為1.5 m,走向300～700 m范圍內(nèi)按原計(jì)劃2.5 m間距設(shè)計(jì),其余區(qū)域調(diào)整為2.0 m間距?；夭蛇^(guò)程中在300～1 000 m范圍內(nèi)保持正?；夭伤俣?在該范圍外降低工作面推進(jìn)速度。調(diào)整設(shè)計(jì)方案后,依據(jù)后續(xù)掘進(jìn)反饋數(shù)據(jù),未發(fā)生瓦斯突出及超限事故。

5 結(jié) 論

1)丁5-6煤層單一工作面保護(hù)己15煤層時(shí),煤柱為邊界煤柱,煤柱應(yīng)力集中值達(dá)到19 MPa,影響范圍達(dá)到下方80 m。卸壓影響至己15煤層,己15煤層垂直應(yīng)力最大卸壓值為1 MPa。戊9-10單一工作面保護(hù)己15煤層時(shí),垂直應(yīng)力卸壓值最大達(dá)4 MPa。丁5-6煤層多工作面保護(hù)己15煤層時(shí),丁5-6工作面區(qū)段煤柱應(yīng)力集中值達(dá)39 MPa,向下影響范圍較小為26 m,對(duì)己15煤層最大卸壓值為2 MPa,水平應(yīng)力變化不明顯。邊界煤柱集中應(yīng)力較區(qū)段煤柱小,但向下影響范圍大。

2)丁5-6、戊9-10煤層雙重保護(hù)時(shí),工作面區(qū)段煤柱相互掩護(hù)時(shí),垂直應(yīng)力卸壓值最大達(dá)6.5 MPa。丁5-6、戊9-10煤層工作面相互掩護(hù)使得工作面區(qū)段煤柱集中應(yīng)力由39 MPa卸載至10 MPa。水平應(yīng)力卸壓值變化不明顯。工作面區(qū)段煤柱未相互掩護(hù)時(shí),垂直應(yīng)力卸壓值最大為3 MPa,煤柱集中應(yīng)力制約了被保護(hù)層的卸壓。丁、戊煤層雙重疊加掩護(hù)卸壓增強(qiáng)了卸壓效應(yīng)降低了區(qū)段煤柱的應(yīng)力集中,較單一煤層開(kāi)采明顯提高了被保護(hù)層的卸壓值。

3)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)工作面鉆屑量測(cè)試,驗(yàn)證了雙重保護(hù)層開(kāi)采應(yīng)力分布規(guī)律。得到己15煤層21030工作面卸壓影響范圍為工作面100 m到1 150 m,最大卸壓值位于工作面走向300 m到700 m范圍內(nèi),應(yīng)力集中系數(shù)在300～1 000 m范圍內(nèi)較小。依據(jù)上述規(guī)律制定了采掘計(jì)劃及抽采鉆孔設(shè)計(jì)方案。