王藝林，肖峻峰，張 帥，盧 平

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

保護(hù)層開采是迄今為止防治煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性措施[1-2]。按照最新的相關(guān)規(guī)定，無論是上保護(hù)層還是下保護(hù)層開采，被保護(hù)層的保護(hù)范圍將逐層縮小。這與實際效果存在一定差別[3-15]，會導(dǎo)致可采煤量損失嚴(yán)重。因此，研究被保護(hù)層的實際有效保護(hù)范圍具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

被保護(hù)層保護(hù)效果的影響因素眾多，可歸納為內(nèi)在因素與外在因素：內(nèi)在因素主要包括頂?shù)装鍘r性、煤層傾角、煤層厚度、層間距等；外在因素有開采深度、開采厚度、開采時間間隔等[11-14]。大量研究表明[3-15]，我國很多礦區(qū)被保護(hù)層的實際保護(hù)范圍都大于理論保護(hù)范圍(2019年《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定值)，即普遍存在擴(kuò)界現(xiàn)象，其區(qū)別僅在于沿煤層傾斜方向或走向上擴(kuò)界范圍的大小。當(dāng)前被保護(hù)層實際保護(hù)擴(kuò)界范圍大小還沒有明確、統(tǒng)一的界限。

本文利用Flac 3D有限元分析軟件[15]，模擬淮北朱仙莊煤礦10煤Ⅱ10310保護(hù)層工作面開采對上覆8煤Ⅱ836被保護(hù)層工作面的卸壓過程，通過分析其影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場考察結(jié)果，得出上被保護(hù)層的實際保護(hù)范圍，以期進(jìn)一步豐富保護(hù)層開采理論。

1 工作面概況

淮北朱仙莊煤礦Ⅱ836工作面位于Ⅱ3采區(qū)四區(qū)段8煤層，下伏有10煤保護(hù)層工作面。Ⅱ10310工作面為10煤層較穩(wěn)定煤層，其巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

開展混凝土澆筑的時候，要對入倉的溫度、混凝土碾壓的次數(shù)進(jìn)行控制。同時要對混凝土的壓實度、泛漿的效果、入倉口、澆筑倉面的污染情況等進(jìn)行管理。在混凝土澆筑的時候，還要做好兩個方面的工作，一是要控制混凝土的攤鋪厚度，并且減少碾壓層面的擾動破壞和污染。二是要控制好混凝土澆筑的間隔時間，確保混凝土澆筑的質(zhì)量。

表1 Ⅱ10310工作面的巖體力學(xué)參數(shù)

走向保護(hù)邊界考察設(shè)計布置4組考察鉆孔。1#鉆孔終孔布置在10煤停采線平面位置外15 m處附近；2#鉆孔終孔落在10煤停采線平面位置處；3#鉆孔在10煤停采線平面位置內(nèi)30 m處；4#鉆孔在10煤停采線平面位置內(nèi)45 m處。1#，2#，3#，4#考察鉆孔位置分別對應(yīng)走向保護(hù)角為101°，90°，69°和60°(走向理論保護(hù)角)。

2 模型建立

傾向下部保護(hù)邊界考察設(shè)計布置3組瓦斯參數(shù)測定鉆孔。5#鉆孔終孔位置位于II10310風(fēng)巷投影位置外4.9 m處，對應(yīng)于傾向下部理論卸壓保護(hù)邊界線(下部理論保護(hù)角75.5°)；6#鉆孔位于II10310風(fēng)巷投影位置外24.1 m處，即傾向保護(hù)角90°；7#鉆孔位于傾向卸壓角90°線外15 m處，對應(yīng)于傾向保護(hù)角110°。

圖1 三維數(shù)值模型

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 豎向應(yīng)力變化規(guī)律

x=150 m面不同累計進(jìn)尺下豎向應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可知，與豎向位移變化規(guī)律相似，每個開采階段的8煤受到豎向最大應(yīng)力依次是15.5，13.7，12.3，11.5，10.2，7.55 MPa，表明隨著工作面回采，豎向應(yīng)力逐漸降低，保護(hù)層上覆巖層卸壓范圍不斷擴(kuò)大。

(a) 20 m (b) 40 m (c) 60 m

3.2 豎向位移變化規(guī)律

x=150 m面不同累計進(jìn)尺下豎向位移云圖如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)工作面回采20 m時，工作面下方出現(xiàn)正位移(底臌)，上方出現(xiàn)負(fù)位移(沉降)；工作面上方不同位置的位移值均不同，即出現(xiàn)不均勻沉降狀態(tài)分布，最大豎向位移量為21.3 mm，位于采空區(qū)中部上方84.6 m。當(dāng)工作面累計回采40m時，最大豎向位移值變?yōu)?1.4 mm，位于采空區(qū)中部上方90.3 m。隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，豎向位移最大值依次增至61.1，86.9，110.8，137 mm。由此可知，隨著工作面推進(jìn)，受采動影響的卸壓范圍越來越大，被保護(hù)層的保護(hù)范圍也越來越大。

(a) 20 m (b) 40 m (c) 60 m

不同推進(jìn)距離8#煤層底板的位移如圖4所示。由圖4可知，隨著工作面不斷推進(jìn)，由于采空區(qū)范圍變大，被保護(hù)層底板的豎向位移量不斷增加，下沉量呈左右對稱的趨勢并在采空區(qū)中部達(dá)到最大值。當(dāng)開挖160 m時，最大沉降量達(dá)到103 mm。

打哈欠還需要確定時間閾值，時間閾值的確定類似TH_O_MAR的確定，經(jīng)過多次測試，得到閾值大致為：1.2s。

圖4 不同推進(jìn)距離8#煤層底板的位移

3.3 傾向保護(hù)角的確定

保護(hù)角劃分可分別按照應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行。只有當(dāng)豎向應(yīng)力小于由動力因素保護(hù)準(zhǔn)則[16]計算得出的突出臨界值10.29 MPa時，才可確保消除突出的危險性；只有豎向應(yīng)變值大于煤層法向變形量0.6%時，才可保證開采的安全性。

由表3可知，根據(jù)應(yīng)力卸壓保護(hù)準(zhǔn)則，走向保護(hù)角最小90.8°，最大97.23°；根據(jù)應(yīng)變卸壓保護(hù)準(zhǔn)則，走向保護(hù)角最小90.74°，最大97.29°。綜上，走向保護(hù)角劃定為90°。

將圖5中豎向應(yīng)力值曲線與突出臨界值水平線的交點位置和保護(hù)層與被保護(hù)層的層間距相比較，計算得出保護(hù)角大小。傾向保護(hù)角計算結(jié)果見表2。由表2可知，根據(jù)應(yīng)力卸壓保護(hù)準(zhǔn)則，沿傾向上部保護(hù)角最小為90.40°，最大為91.95°，傾向下部保護(hù)角最小為90.10°，最大為93.15°；根據(jù)應(yīng)變卸壓保護(hù)準(zhǔn)則，傾向上部保護(hù)角最小為90.20°，最大為95.26°，傾向下部保護(hù)角最小為93.15°，最大為103.49°。綜合應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果，為安全起見，傾向上部和下部的保護(hù)角均劃定為90°。

(a) 應(yīng)力

表2 傾向保護(hù)角計算結(jié)果(°)

3.4 走向保護(hù)角的確定

據(jù)初步研究，黑頭病是病害、營養(yǎng)（缺鈣）等綜合因素引起的。感病初期表現(xiàn)為果尖部出現(xiàn)黑點，逐步增多，之后連片。黑斑下果肉表現(xiàn)正常。嚴(yán)重影響果實外觀質(zhì)量，果實在貯藏中易從病斑處變軟。

表3 走向保護(hù)角計算結(jié)果 (°)

基于60，120，180 m 3條傾向監(jiān)測線的結(jié)果，上被保護(hù)層沿傾向的應(yīng)力與應(yīng)變分布如圖5所示。由圖5可知，在傾向上，豎向應(yīng)力呈“駝峰”狀分布，在工作面和開切眼附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩側(cè)應(yīng)力高，卸壓區(qū)出現(xiàn)在中間部分導(dǎo)致應(yīng)力低；豎向應(yīng)變值呈“單峰”狀分布，即中間與采空區(qū)對應(yīng)的區(qū)域應(yīng)變較大，而兩側(cè)較小。

Ⅱ10310保護(hù)層工作面于2018年7月回采結(jié)束，Ⅱ836被保護(hù)層工作面現(xiàn)已具備開采條件。2021年2月13日—3月18日，在Ⅱ836工作面風(fēng)巷聯(lián)絡(luò)巷——Ⅱ836運輸石門的合適位置沿走向和傾向下部各布置了考察鉆孔，直接測定殘余瓦斯含量、瓦斯壓力等參數(shù)對Ⅱ836工作面實際保護(hù)范圍的影響。鉆孔平面布置圖如圖6所示。

同理，走向保護(hù)角計算結(jié)果見表3。

4 現(xiàn)場考察結(jié)果分析

式中:uN-1∈{u(1),u(2),u(3)},u(2)為最優(yōu)控制實例,它能夠在特殊的狀態(tài)下,求出最優(yōu)成本JN-1最小值.對這個控制過程和最優(yōu)成本進(jìn)行存儲.

(a) 走向

Ⅱ10310工作面標(biāo)高為-597.5～-711.6 m，走向長576 m，傾向?qū)?40 m，煤層平均傾角20°，厚度2.8 m。Ⅱ10310工作面老頂為細(xì)砂巖，均厚5 m；直接頂為中、細(xì)粒砂巖，均厚3.5 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚3 m；老底為細(xì)砂巖，均厚8 m。本區(qū)段10煤實測最大瓦斯壓力為0.34 MPa，最大瓦斯含量為3.36 m3/t，可作為上覆8煤的保護(hù)層。上被保護(hù)層8煤Ⅱ836工作面標(biāo)高為-500.3～-613.3 m，下距10煤78 m，平均煤厚11.5 m，實測瓦斯壓力為2.38 MPa，瓦斯含量為12.37 m3/t，為煤與瓦斯突出煤層。

為了模擬Ⅱ10310工作面開采對上覆Ⅱ836被保護(hù)層工作面的卸壓影響，根據(jù)相應(yīng)的地質(zhì)條件，采用摩爾庫倫模型建立力學(xué)模型，模型頂部施加垂直地應(yīng)力，水平方向自由，固定整個底面。三維數(shù)值模型如圖1所示，x軸為煤層傾向方向，y軸為煤層走向方向，z軸為豎直方向即重力方向，尺寸為300 m×600 m×300 m。從8煤y=40 m處開采，沿工作面走向，向前推進(jìn)，累計至y=200 m處，模擬開采分為6個階段，開采長度依次為20，20，20，30，30，40 m。每步迭代平衡后再進(jìn)入下一步，對應(yīng)累計進(jìn)尺分別為20，40，60，90，120，160 m。在上被保護(hù)層8煤中，沿走向設(shè)置60，120，180 m傾向監(jiān)測線，沿傾向設(shè)置100，150，200 m走向監(jiān)測線，用以監(jiān)測開采過程中應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況。

Ⅱ836被保護(hù)層工作面現(xiàn)場考察鉆孔測定結(jié)果見表4。

表4 Ⅱ836被保護(hù)層工作面現(xiàn)場考察鉆孔測定結(jié)果

由表4可知，在走向上，保護(hù)角在60～90°時，實測殘余瓦斯含量最大為3.41 m3/t，小于8 m3/t的臨界值，殘余瓦斯壓力最大為0.38 MPa，小于0.74 MPa的臨界值；保護(hù)角在90～101°時，實測殘余瓦斯含量最大為5.97 m3/t，殘余瓦斯壓力最大為0.55 MPa。雖然均未超過相應(yīng)的臨界值，但已超過《淮北礦業(yè)集團(tuán)關(guān)于2021年“一通三防”工作的實施意見》中規(guī)定的臨界值(5 m3/t，0.5 MPa)。因此，Ⅱ836被保護(hù)層工作面在走向上存在明顯的擴(kuò)界現(xiàn)象，走向?qū)嶋H保護(hù)角為90°，與模擬結(jié)果一致。

同樣，Ⅱ836被保護(hù)層工作面在傾向下部保護(hù)范圍內(nèi)也存在類似的擴(kuò)界現(xiàn)象。由表3可知，在傾向下部，保護(hù)角在75.5～90°時，實測殘余瓦斯含量最大為3.23 m3/t，殘余瓦斯壓力最大為0.34 MPa，均小于相應(yīng)的臨界值。Ⅱ836被保護(hù)層工作面在傾向下部的實際保護(hù)角為90°，與模擬結(jié)果一致。

德國哲學(xué)家海德格爾在《存在與時間》中提到了死亡具有“我”屬性，江口老人清晰地知道自己死亡將近，但是死亡卻隱藏起來、秘而不宣，猝不及防地看到他人的死亡，在等待死亡的過程中又作為他人死亡的旁觀者而存活著，生命最恐怖的莫過于在生的時候親眼看到自己的死亡，并對即將來臨的死亡只能眼睜睜地看著束手無策。

君主為鞏固自己的權(quán)威，使臣子之間相互牽制以達(dá)到制衡的目的，這種君臣之間、臣子之間微妙的關(guān)系正是當(dāng)時士人為官庸庸碌碌心態(tài)的來源。在上下相互疑忌的政治氛圍中，士人早已不敢奢想行忠君之事，更遑論獨仕一君、為君守節(jié)，甚者已淪為只知悅上取寵。馮道將官場的生存之道說得很直白：“下以直為美，上以媚為忠。直而無媚，上疑也；媚而無直，下棄也……求名者莫仕，位非名也。求官者莫名，德非榮也。 ”〔5〕（P33）

5 結(jié)論

淮北朱仙莊煤礦10煤工作面對上覆8煤Ⅱ836被保護(hù)層工作面保護(hù)范圍的Flac 3D模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果均表明，上被保護(hù)層實際保護(hù)范圍在走向與傾向上均存在擴(kuò)界現(xiàn)象。 Flac 3D模擬計算結(jié)果表明，Ⅱ836被保護(hù)層工作面在傾向和走向范圍內(nèi)的保護(hù)角均為90°。現(xiàn)場實測結(jié)果表明，在走向與傾向下部90°保護(hù)角范圍內(nèi)保護(hù)效果有效，與模擬結(jié)果一致。