鄧兆睿，孫德全，任仲久，宋衛(wèi)華

( 1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250104；3. 山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評(píng)估工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250104；4. 中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；5. 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122 )

在我國(guó)煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中，瓦斯是嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)的五大危險(xiǎn)因素之一。我國(guó)也是世界上瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，近年來(lái)，煤礦瓦斯事故是造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失較大的事故類型[1-4]。我國(guó)煤礦開采理論和實(shí)踐均表明，保護(hù)層開采是防治煤與瓦斯突出最經(jīng)濟(jì)、最有效且使用最廣泛的區(qū)域性措施，在突出礦井開采煤層群的實(shí)踐中首先要考慮保護(hù)層的開采[5-8]。保護(hù)層開采一般選擇厚度≥0.8 m的無(wú)突出危險(xiǎn)的煤層進(jìn)行[9]，對(duì)于不具備常規(guī)保護(hù)層的突出礦井，若直接開采保護(hù)層則卸壓效果差且設(shè)備選型困難。研究新形勢(shì)下的卸壓增透問(wèn)題，對(duì)突出礦井安全、高效、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)具有重要的意義。我國(guó)相關(guān)學(xué)者做了大量研究，程詳[10]等以蘆嶺礦Ⅲ1采區(qū)為工程背景，利用計(jì)算機(jī)模擬了軟巖保護(hù)層開采卸壓增透全過(guò)程，得出了被保護(hù)層卸壓范圍的變形程度及卸壓區(qū)域的具體數(shù)值；陳彥龍[11]等利用數(shù)值模擬軟件模擬保護(hù)層開采的全過(guò)程，得出了當(dāng)保護(hù)層煤層厚度小于被保護(hù)層煤層厚度時(shí)，隨著保護(hù)層煤層厚度的增加，保護(hù)效果呈增大趨勢(shì)，當(dāng)保護(hù)層厚度為定值時(shí)，隨著被保護(hù)層厚度的增加，保護(hù)效果亦呈增大趨勢(shì)；宋衛(wèi)華[12]等采用物理試驗(yàn)及FLAC3D模擬得出了平煤十礦己1516-24130工作面被保護(hù)層的應(yīng)力狀態(tài)及煤層變形量；榮海[13]等采用FLAC3D模擬計(jì)算了烏東煤礦南采區(qū)巖柱本身及被保護(hù)層垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力的分布情況，并對(duì)2個(gè)保護(hù)層的保護(hù)范圍和保護(hù)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)?；诂F(xiàn)有研究，筆者以中興煤礦3203保護(hù)層工作面( 上保護(hù)層工作面 )為工程背景，提出了截割軟弱底板以增加開采高度的半煤巖保護(hù)層工作面開采方法，通過(guò)滑移線場(chǎng)理論分析計(jì)算了3203上保護(hù)層工作面開采后底板巖體的最大破壞深度，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)半煤巖上保護(hù)層開采卸壓增透效應(yīng)進(jìn)行討論，研究結(jié)果可為類似工作面提供借鑒。

1 工程概況

汾西礦業(yè)中興煤礦井田內(nèi)主要煤層依次為02，2，4，5，6，8和9號(hào)煤層。2015年中興煤礦經(jīng)鑒定測(cè)得礦井相對(duì)瓦斯涌出量為22.07 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為66.37 m3/min，為高瓦斯礦井。目前中興煤礦2號(hào)煤層為主采煤層，煤質(zhì)為焦煤，煤層厚度為0.80～2.26 m，平均厚度為2 m，平均埋深為796.7 m，煤層傾角平均為7°，其2號(hào)煤層于2016年經(jīng)鑒定測(cè)得的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見表1，測(cè)定結(jié)果符合煤與瓦斯突出煤層特征，即為突出煤層。

表1 2號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 1 Gas measurement results of No. 2 coal seam

2 號(hào)煤層上部為02 號(hào)煤層，層間距平均為10.0 m，煤層厚度0.65～1.50 m，穩(wěn)定可采厚度為1.0 m，部分區(qū)域存在較薄夾矸，屬于薄煤層，煤層平均傾角6°，不具備突出危險(xiǎn)性。巖層綜合柱狀如圖1所示。礦井進(jìn)入深部開采后，嚴(yán)峻的瓦斯治理形勢(shì)成為礦井實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的主要考慮因素。因此，必須采用保護(hù)層開采技術(shù)。

圖1 綜合柱狀圖Fig. 1 Histogram of coal seam

2 保護(hù)層開采方案的確定

中興煤礦開采2號(hào)煤層3203工作面的初期，采用多種抽采方式相結(jié)合的措施進(jìn)行煤層瓦斯治理，如：本煤層順層鉆孔；高抽巷、鄰近層順層鉆孔等瓦斯抽采技術(shù)。然而在實(shí)際鉆孔過(guò)程中，部分長(zhǎng)距離鉆孔出現(xiàn)塌孔、堵塞等現(xiàn)象，部分鉆孔成孔時(shí)間短，煤層深部鉆孔也出現(xiàn)孔壁失穩(wěn)、堵塞等現(xiàn)象，在3203工作面中部約60 m范圍出現(xiàn)空白帶，如圖2所示。

圖2 3203工作面瓦斯抽采剖面Fig. 2 Gas drainage profile of 3203 working face

由于空白帶區(qū)域煤層瓦斯無(wú)法滿足防突規(guī)定要求，因此根據(jù)鄰近煤層地質(zhì)條件及保護(hù)層開采規(guī)定對(duì)本礦情況做出以下分析：① 在煤與瓦斯突出煤層的合理層間距內(nèi)，存在無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層，無(wú)沖擊地壓危險(xiǎn)煤層，可作為保護(hù)層進(jìn)行開采。中興煤礦2號(hào)煤層經(jīng)鑒定為突出煤層，具有突出危險(xiǎn)性，但不屬于沖擊地壓煤層；而02號(hào)煤層不是突出煤層，不具備突出危險(xiǎn)性，不屬于沖擊地壓煤層，符合保護(hù)層開采條件；② 在傾向上，3203工作面中部約80 m范圍的上覆02號(hào)煤層部分地區(qū)可采，可布置合適的保護(hù)層工作面進(jìn)行空白帶瓦斯治理；③ 02號(hào)煤層屬于稀缺煉焦煤資源，選取02號(hào)煤層作為保護(hù)層開采可以達(dá)到災(zāi)害治理與資源回收的雙重目的。

3203保護(hù)層工作面( 上保護(hù)層工作面 )開采02號(hào)煤層，該工作面回采區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，工作面開采范圍內(nèi)只有部分區(qū)域存在薄夾矸。為保護(hù)稀缺煉焦煤資源，針對(duì)薄煤層和極薄煤層保護(hù)層的開采，提出了截割軟弱底板以增加開采高度的半煤巖保護(hù)層工作面開采方法，該方法能有效提高下部煤層群的卸壓效果，同時(shí)便于安裝小型綜采設(shè)備[14]。對(duì)于02號(hào)煤層，把底板0.4 m的泥巖同煤層一起開采，可增加工作面采高至1.4 m。

3 上保護(hù)層開采底板破壞深度

上保護(hù)層工作面推進(jìn)過(guò)程中，采場(chǎng)周圍的應(yīng)力重新分布，覆巖的重力集中在采場(chǎng)前后及兩側(cè)的煤體上，采場(chǎng)底板下一定范圍的巖體，在超過(guò)其臨界支承壓力的作用下，巖體將產(chǎn)生塑性變形，并形成塑性區(qū)；隨著工作面的推進(jìn)，支承壓力范圍不斷移動(dòng)，當(dāng)支承壓力達(dá)到部分巖體破壞的最大載荷時(shí)，多個(gè)塑性區(qū)將相互連通，已產(chǎn)生塑性變形的巖體在擠壓力的作用下向采空區(qū)移動(dòng)，采空區(qū)底板膨脹隆起，形成連續(xù)滑移面，此時(shí)底板破壞程度達(dá)到最大[15]。底板塑性破壞區(qū)剖面如圖3所示。

圖3 底板塑性破壞區(qū)剖面示意Fig. 3 Schematic diagram of the section of the plasticfailure zone of the floor

滑移線場(chǎng)理論將破壞區(qū)分為3個(gè)部分：采前主動(dòng)極限區(qū)oab和采后被動(dòng)極限區(qū)ode的滑移線近似直線，采中過(guò)渡區(qū)obd的滑移線呈對(duì)數(shù)螺線[16]?；凭€方程為

式中，0φ為底板巖體的內(nèi)摩擦角，( ° )；θ為r與r0之間的夾角，( ° )。

在△oab中：

式中，0x為煤柱屈服長(zhǎng)度，m。

在△ocf中：

將式( 1 )和( 4 )代入式( 3 )，得出底板破壞深度公式[9]為

底板巖體塑性區(qū)最大破壞深度距離工作面煤壁的水平距離 aL為

底板巖體以泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，綜合考慮取內(nèi)摩擦角 0φ為34°，煤柱屈服長(zhǎng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式x0=0.015H，H為02 號(hào) 煤層的平 均埋深，取786.7 m，將計(jì)算結(jié)果11.80 m代入式( 6 )，( 7 )計(jì)算得：hmax=20.74 m，aL=13.99 m。2號(hào)煤層與02號(hào)煤層平均層間距為10 m，小于底板巖體最大破壞深度，因此，3203保護(hù)層工作面作為3203工作面的上保護(hù)層具有合理垂距。

4 半煤巖上保護(hù)層開采卸壓增透機(jī)理

4.1 數(shù)值模型的建立

利用FLAC3D進(jìn)行建模，本次模擬的主要研究對(duì)象為保護(hù)層底板巖層，模型尺寸為252 m×200 m×100 m( 長(zhǎng)×寬×高 )，共建立1 128 600 個(gè)單元，1 129 758個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型開采02號(hào)煤層，模擬采高為1.4 m；上部巖層厚度總計(jì)為48.6 m；下部巖層厚度總計(jì)為50.4 m。模擬采取走向推進(jìn)，工作面開采長(zhǎng)度為71 m，模型的四周和底部邊界固定，模型頂部為自由邊界，建立的計(jì)算模型如圖4所示。結(jié)合中興煤礦3203工作面( 被保護(hù)層工作面 )及3203保護(hù)層工作面( 上保護(hù)層工作面 )地質(zhì)概況，選用摩爾庫(kù)侖本構(gòu)模型模擬采動(dòng)效應(yīng)下巖土體因剪切拉伸作用而失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)力學(xué)變化特征，煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖4 六面體模型Fig. 4 Hexahedron model

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

4.2 模擬結(jié)果分析

工作面從模型右側(cè)距離邊界50 m處開始從右向左推進(jìn)，選取半煤巖保護(hù)層工作面開采20，40，60，80，100 m時(shí)的下伏被保護(hù)層的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.2.1 應(yīng)力分析

上保護(hù)層工作面開采后，上覆及下伏煤巖體產(chǎn)生位移變形，地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變。圖5為3203保護(hù)層工作面推進(jìn)20～100 m的過(guò)程中，3203被保護(hù)層工作面相對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力分布情況。

圖5 被保護(hù)層工作面垂直應(yīng)力分布Fig. 5 Vertical stress distribution of the protected layer

由圖5可知，當(dāng)上保護(hù)層工作面推進(jìn)20 m時(shí)，被保護(hù)層工作面應(yīng)力由高降低再升高；當(dāng)上保護(hù)層工作面推進(jìn)40 m時(shí)，被保護(hù)層工作面的應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)的范圍擴(kuò)大，原壓縮范圍的煤體隨著上保護(hù)層工作面的推進(jìn)開始膨脹；當(dāng)上保護(hù)層工作面推進(jìn)60 m時(shí)，被保護(hù)層工作面的應(yīng)力降低區(qū)數(shù)值有所恢復(fù)，經(jīng)過(guò)膨脹后的煤體呈現(xiàn)再壓縮的趨勢(shì)，出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)區(qū)；當(dāng)上保護(hù)層工作面推進(jìn)80～100 m時(shí)，被保護(hù)層工作面的應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的范圍也隨之增大。

為了更好地觀測(cè)3203工作面( 被保護(hù)層工作面 )隨上保護(hù)層工作面開采的應(yīng)力變化情況，在3203保護(hù)層工作面( 上保護(hù)層工作面 )中部對(duì)應(yīng)的位置每隔1 m設(shè)置1個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，以便及時(shí)反映被保護(hù)層的應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化情況，其應(yīng)力分布規(guī)律如圖6所示。

圖6 被保護(hù)層垂直應(yīng)力走向分布曲線Fig. 6 Distribution curves of vertical stress of the protected layer strike

由圖6可知，當(dāng)3203保護(hù)層工作面推進(jìn)20 m時(shí)，被保護(hù)層工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域圍巖應(yīng)力降低至3.7～15.0 MPa，此時(shí)煤壁前方10～30 m為應(yīng)力升高區(qū)，煤壁后方約20 m為應(yīng)力降低區(qū)；當(dāng)3203保護(hù)層工作面推進(jìn)40 m時(shí)，被保護(hù)層工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域圍巖應(yīng)力降低至1.4～11.8 MPa，此時(shí)煤壁前方10 m范圍為應(yīng)力升高區(qū)，煤壁后方40 m范圍的應(yīng)力降低區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大；隨著上保護(hù)層工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)后方散落的巖體在上覆巖層的重力作用下被壓實(shí)，即工作面推進(jìn)至80 m時(shí)，開始出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，應(yīng)力逐漸升高至8～10 MPa，此時(shí)的應(yīng)力恢復(fù)區(qū)約為開切眼前方25 m。3203保護(hù)層工作面開采上覆巖層穩(wěn)定后，3203被保護(hù)層工作面對(duì)應(yīng)區(qū)域的圍巖應(yīng)力由原巖應(yīng)力19 MPa降低至8～10 MPa，卸壓效果明顯，此時(shí)的應(yīng)力恢復(fù)區(qū)范圍約為開切眼前方50 m。由此可知，隨著3203保護(hù)層工作面的開采，被保護(hù)層壓縮—膨脹—壓縮—穩(wěn)定的過(guò)程呈“V”字形，并不斷向前演化遷移，卸壓區(qū)域逐漸增大。以卸壓率為判斷依據(jù)，卸壓率的定義為反應(yīng)上覆巖層中應(yīng)力的變化程度，其計(jì)算公式[10]為

式中，sη為卸壓率；σz' 為卸壓垂直應(yīng)力，即原始垂直應(yīng)力與卸壓后垂直應(yīng)力的差值，MPa；σz為原始垂直應(yīng)力，MPa。

3203保護(hù)層工作面開采上覆巖層穩(wěn)定后，3203工作面的卸壓率為0.58。

4.2.2 位移分析

上保護(hù)層工作面開采后，被保護(hù)層工作面發(fā)生了位移變形，圖7為上保護(hù)層工作面推進(jìn)20～100 m時(shí)，3203工作面的垂直位移分布情況。

圖7 被保護(hù)層工作面垂直位移分布Fig. 7 Vertical displacement distribution of the protected layer

由圖7可知，3203保護(hù)層工作面開采后，在3203工作面對(duì)應(yīng)的區(qū)域產(chǎn)生了向上的位移。3203保護(hù)層工作面推進(jìn)20 m時(shí)，被保護(hù)層工作面區(qū)域應(yīng)力降低區(qū)出現(xiàn)向上位移，由此可知，3203保護(hù)層工作面開采后，在對(duì)應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)，被保護(hù)層工作面煤體膨脹數(shù)值為50～113 mm；當(dāng)3203保護(hù)層工作面推進(jìn)40 m時(shí)，被保護(hù)層工作面煤體膨脹區(qū)域位移增大，最大值為425.06 mm；此后，隨著3203保護(hù)層工作面的推進(jìn)，被保護(hù)層工作面在其對(duì)應(yīng)區(qū)域位移量達(dá)到50～524.95 mm；當(dāng)3203保護(hù)層工作面推進(jìn)至100 m時(shí)，被保護(hù)層工作面大部分煤體都出現(xiàn)向上位移。對(duì)圖7( e )中卸壓區(qū)域的傾向長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)卸壓區(qū)域占工作面整體長(zhǎng)度的83.2%，根據(jù)推進(jìn)100 m時(shí)的卸壓區(qū)域確定傾向卸壓角約為60°。

在模型保護(hù)層工作面開挖前，提前在被保護(hù)層頂?shù)装迕扛? m布置1個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，以膨脹變形率[10]為判斷依據(jù)，膨脹變形率反映被保護(hù)層的卸壓效果，其計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)為膨脹變形率，‰；S為被保護(hù)層頂?shù)装宓淖冃瘟?，mm；D為開采煤層的厚度，m。

根據(jù)式( 9 )計(jì)算得到被保護(hù)層膨脹變形分布規(guī)律如圖8所示。

由圖8可知，3203保護(hù)層工作面開采后，在3203工作面對(duì)應(yīng)的區(qū)域產(chǎn)生了膨脹變形，變形量均大于6‰，滿足《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的規(guī)定，變形量大于3‰。隨著上保護(hù)層工作面開采距離的增大，被保護(hù)層膨脹變形量不僅在數(shù)值上逐漸增大，并且上保護(hù)層工作面采空區(qū)膨脹變形量是被保護(hù)層工作面附近膨脹變形量的2倍。此外，對(duì)比工作面推進(jìn)20，40，60，80，100 m的曲線，可以看出，上保護(hù)層工作面開始推進(jìn)時(shí)變形量峰值較大，當(dāng)推進(jìn)達(dá)到一定距離時(shí)，峰值開始下降，且原峰值也隨之下降，由此可知，隨著上保護(hù)層工作面的推進(jìn)，被保護(hù)層工作面經(jīng)過(guò)膨脹—再壓縮的過(guò)程，能夠有效地促進(jìn)瓦斯解吸。因此上保護(hù)層工作面開采對(duì)3203工作面起到了很好的卸壓作用。

圖8 被保護(hù)層膨脹變形走向曲線Fig. 8 Curves of expansion and deformation of the protected layer strike

3203保護(hù)層工作面開采后，被保護(hù)層沿傾向圍巖應(yīng)力和膨脹變形如圖9，10所示，其呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖9 被保護(hù)層工作面垂直應(yīng)力傾向分布曲線Fig. 9 Distribution curve of vertical stress along the protected layer

由圖9可知，被保護(hù)層工作面沿傾向垂直應(yīng)力卸壓明顯，被保護(hù)層卸壓區(qū)域應(yīng)力降低，其值近似為0，而工作面兩端垂直應(yīng)力值大于正常值的1/4，呈現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，符合保護(hù)層底板巖層應(yīng)力分布狀態(tài)的特征。由圖10可知，在卸壓區(qū)域膨脹變形率均大于6‰，膨脹變形幾乎對(duì)稱，根據(jù)圖像推斷，工作面沿傾向卸壓范圍約為60 m。

圖10 被保護(hù)層工作面膨脹變形率分布曲線Fig. 10 Distribution curve of expansion and deformation along the protected layer

綜上分析，上保護(hù)層開采卸壓機(jī)理為：上保護(hù)層工作面開采后，上覆巖層和下伏巖體向采空區(qū)方向發(fā)生不協(xié)調(diào)的位移變形，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，被保護(hù)層工作面處于卸壓狀態(tài)，地應(yīng)力降低，被保護(hù)層工作面煤體出現(xiàn)膨脹變形，巖層移動(dòng)產(chǎn)生大量的采動(dòng)裂隙，剪切破壞致使離層裂隙和穿層裂隙發(fā)育，形成裂隙帶，為瓦斯的擴(kuò)散和滲流提供通道，被保護(hù)層工作面透氣性增大，卸壓煤層瓦斯解吸，為卸壓瓦斯抽采、降低被保護(hù)層工作面瓦斯含量和壓力提供了條件[17-21]。

5 被保護(hù)層工作面卸壓效果考察

3203保護(hù)層工作面開采后，3203工作面卸壓效果采用殘余瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)及孔隙率和殘余瓦斯壓力為指標(biāo)進(jìn)行考察。

( 1 ) 根據(jù)3203工作面定點(diǎn)測(cè)得殘余瓦斯含量為4.57 m3/t，煤的可解吸瓦斯量Wj=0.68 m3/t。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》中要求的采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量指標(biāo)( 工作面日產(chǎn)量≤1 000 t，可解吸瓦斯量≤8 m3/t )，2號(hào)煤層最大殘余瓦斯含量為4.57 m3/t＜8 m3/t，Wj=0.68 m3/t≤8 m3/t，符合規(guī)定。

( 2 ) 3203保護(hù)層工作面開采一定時(shí)間，3203工作面卸壓后，實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤樣進(jìn)行了測(cè)定，3203工作面煤層的孔隙率發(fā)生明顯改變，由3.50%增加至4.05%，煤層透氣性系數(shù)由0.043 7 m2/( MPa2·d )增加至1.08 m2/( MPa2·d )，約為原透氣性系數(shù)的25倍。因此，被保護(hù)層工作面卸壓明顯，保護(hù)層開采對(duì)瓦斯治理具有一定效果。

( 3 ) 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，2號(hào)煤層最大殘余瓦斯壓力為0.31 MPa，該值遠(yuǎn)小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中規(guī)定的臨界值0.74 MPa，且在檢驗(yàn)鉆孔施工過(guò)程中，鉆孔無(wú)噴孔、頂鉆及其他突出預(yù)兆，2號(hào)煤層3203工作面瓦斯治理達(dá)標(biāo)。

綜上，中興煤礦在02號(hào)煤層開采3203保護(hù)層工作面以解決3203工作面抽采存在空白帶的問(wèn)題，盡管工程量有所增加，但是通過(guò)保護(hù)層開采使得3203工作面孔隙率和透氣性系數(shù)增大，不僅使被保護(hù)層工作面瓦斯治理滿足規(guī)定要求，而且通過(guò)開采保護(hù)層工作面獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似工作面提供借鑒。

6 結(jié) 論

( 1 ) 針對(duì)薄煤層和極薄煤層保護(hù)層的開采，提出了截割軟弱底板以增加開采高度的半煤巖上保護(hù)層工作面開采方法。將02號(hào)煤層底板0.4 m的泥巖同煤層一起開采，增加工作面采高至1.4 m。通過(guò)滑移線場(chǎng)理論分析計(jì)算了3203保護(hù)層工作面開采后，底板巖體最大破壞深度hmax達(dá)20.74 m，底板最大破壞深度與工作面煤壁的水平距離為13.99 m。

( 2 ) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，上保護(hù)層工作面開采后，應(yīng)力由原巖應(yīng)力19 MPa降低至8～10 MPa，卸壓效果明顯。隨著上保護(hù)層工作面的開采，被保護(hù)層工作面經(jīng)歷壓縮—膨脹—壓縮—穩(wěn)定的過(guò)程，該過(guò)程呈線性動(dòng)態(tài)前進(jìn)，卸壓區(qū)域逐漸增大，被保護(hù)層工作面的卸壓率達(dá)到0.58；上保護(hù)層工作面開采范圍內(nèi)被保護(hù)層工作面大部分煤體都出現(xiàn)向上位移，產(chǎn)生了膨脹變形，膨脹變形率均大于6‰；隨著上保護(hù)層工作面的掘進(jìn)，被保護(hù)層工作面經(jīng)過(guò)膨脹—再壓縮的過(guò)程，有效地促進(jìn)了瓦斯的解吸，此時(shí)卸壓區(qū)域占被保護(hù)層工作面整體長(zhǎng)度的83.2%，傾向卸壓角約為60°。

( 3 ) 上保護(hù)層工作面開采卸壓機(jī)理為：上保護(hù)層工作面開采后，上覆巖層和下伏巖體向采空區(qū)方向發(fā)生不協(xié)調(diào)的位移變形，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，被保護(hù)層工作面處于卸壓狀態(tài)，地應(yīng)力降低，被保護(hù)層工作面煤體出現(xiàn)膨脹變形，巖層移動(dòng)產(chǎn)生大量的采動(dòng)裂隙，剪切破壞致使離層裂隙和穿層裂隙發(fā)育，形成裂隙帶，為瓦斯的擴(kuò)散和滲流提供了通道，被保護(hù)層工作面透氣性增大，卸壓煤層瓦斯解吸，為卸壓瓦斯抽采、降低被保護(hù)層瓦斯含量和壓力提供了條件。

( 4 ) 3203保護(hù)層工作面開采后，3203被保護(hù)層殘余瓦斯含量為4.57 m3/t，Wj=0.68 m3/t，煤層透氣性系數(shù)由0.043 7 m2/( MPa2·d )增加至1.08 m2/( MPa2·d )，約為原透氣性系數(shù)的25倍，孔隙率由3.5%增加至4.05%，殘余瓦斯壓力為0.31 MPa，均符合相關(guān)規(guī)定，卸壓效果良好。3203保護(hù)層工作面開采消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯礦井突出煤層高效、安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的目的。

參考文獻(xiàn)( References )：

[1] 付建華，程遠(yuǎn)平. 中國(guó)煤礦煤與瓦斯突出現(xiàn)狀及防治對(duì)策[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24( 3 )：253-259.FU Jianhua，CHENG Yuanping. Situation of coal and gas outburst in China and control countermeasures[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2007，24( 3 )：253-259.

[2] 高峰，許愛斌，周福寶. 保護(hù)層開采過(guò)程中煤巖損傷與瓦斯?jié)B透性的變化研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2011，36( 12 )：1979-1984.GAO Feng，XU Aibin，ZHOU Fubao.Research on the coal and rock damage and gas permeability in the protective seams mining[J].Journal of China Coal Society，2011，36( 12 )：1979-1984.

[3] 胡千庭. 煤與瓦斯突出的力學(xué)作用機(jī)理及應(yīng)用研究[D]. 北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京 )，2007.HU Qianting. Study on the mechanical mechanism of coal and gas outburst and its application[D]. Beijing：China University of Mining and Technology( Beijing )，2007.

[4] 陳曉坤，蔡燦凡，肖旸. 2005—2014年我國(guó)煤礦瓦斯事故統(tǒng)計(jì)分析[J]. 煤礦安全，2016，47( 2 )：224-226，230.CHEN Xiaokun，CAI Canfan，XIAO Yang.Statistics analysis of China coal mine gas accidents during 2005 to 2014[J]. Safety in Coal Mines，2016，47( 2 )：224-226，230.

[5] 劉應(yīng)科. 遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采卸壓特性及鉆井抽采消突研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37( 6 )：1067-1068.LIU Yingke.Study on the depressurization effect produced by exploitation of lower distant protective coal seam and elimination of outburst hazard of the protected seams by applying gas drainage with surface boreholes[J]. Journal of China Coal Society，2012，37( 6 )：1067-1068.

[6] 尹錫峰，嚴(yán)磊. 下保護(hù)層開采卸壓效應(yīng)研究[J]. 煤炭技術(shù)，2021，40( 8 )：55-59.YIN Xifeng，YAN Lei. Research on pressure relief effect of mining lower protective layer[J]. Coal Technology，2021，40( 8 )：55-59.

[7] 王偉，程遠(yuǎn)平，袁亮，等. 深部近距離上保護(hù)層底板裂隙演化及卸壓瓦斯抽采時(shí)效性[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2016，41( 1 )：138-148.WANG Wei，CHENG Yuanping，YUAN Liang，et al.Floor fracture evolution and relief gas drainage timeliness in deeper underground short-distance upper protective coal seam extraction[J].Journal of China Coal Society，2016，41( 1 )：138-148.

[8] 薛東杰，周宏偉，孔琳，等. 采動(dòng)條件下被保護(hù)層瓦斯卸壓增透機(jī)理研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34( 10 )：1910-1916.XUE Dongjie，ZHOU Hongwei，KONG Lin，et al. Research on the mechanism of gas pressure relief and permeability enhancement of the protected layer under mining conditions[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34( 10 )：1910-1916.

[9] 謝小平，劉洪洋，梁敏富. 半煤巖工作面保護(hù)層開采的卸壓機(jī)理及回采設(shè)備選型[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47( 3 )：168-174.XIE Xiaoping，LIU Hongyang，LIANG Minfu. Study on mechanism of pressure relief and selection of key equipment for protective layer of semi-coal rock working face[J].Coal Science and Technology，2019，47( 3 )：168-174.

[10] 程詳，趙光明，李英明，等. 軟巖保護(hù)層開采卸壓增透效應(yīng)及瓦斯抽采技術(shù)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2018，35( 5 )：1045-1053.CHENG Xiang，ZHAO Guangming，LI Yingming，et al.Study on relief-pressure antireflective effect and gas extraction technology for mining soft rock protective seam[J]. Journal of Mining & Safety Engineering，2018，35( 5 )：1045-1053.

[11] 陳彥龍，吳豪帥，張明偉，等. 煤層厚度與層間巖性對(duì)上保護(hù)層開采效果的影響研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016，33( 4 )：578-584.CHEN Yanlong，WU Haoshuai，ZHANG Mingwei，et al.Research on the upper protective coal seam mining effect induced by coal thickness and interburden rock properties[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2016，33( 4 )：578-584.

[12] 宋衛(wèi)華，趙健，劉晨陽(yáng)，等. 近距離下保護(hù)層開采卸壓效果及可行性分析[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版 )，2016，35( 10 )：1020-1025.SONG Weihua，ZHAO Jian，LIU Chenyang，et al.Analysis of pressure-relief protective range and feasibility of lower protective layer mining in the closed distance and deep seam[J].Journal of Liaoning Technical University( Natural Science )，2016，35( 10 )：1020-1025.

[13] 榮海，張宏偉，朱志潔，等. 近直立特厚沖擊煤層保護(hù)層優(yōu)選方案研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2019，19( 4 )：1182-1191.RONG Hai，ZHANG Hongwei，ZHU Zhijie，et al.Optimization scheme in mining in hope to protect the ultra-thick suberect coal seams off the potential rockburst risks[J]. Journal of Safety and Environment，2019，19( 4 )：1182-1191.

[14] 楊宏民，孫毅賓. 極薄保護(hù)層開采的保護(hù)效果研究[J]. 煤礦安全，2017，48( 1 )：149-152.YANG Hongmin，SUN Yibin. Research on the protection effect of mining with extremely thin protective layer[J]. Coal Mine Safety，2017，48( 1 )：149-152.

[15] 張風(fēng)達(dá)，申寶宏，康永華. 煤層底板破壞機(jī)理分析及最大破壞深度計(jì)算[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2015，42( 3 )：58-61.ZHANG Fengda，SHEN Baohong，KANG Yonghua. Analysis of failure mechanism of coal seam floor and calculation of maximum failure depth[J]. Mining Safety and Environmental Protection，2015，42( 3 )：58-61.

[16] 張風(fēng)達(dá)，高召寧，孟祥瑞. 采場(chǎng)底板塑性區(qū)分布及破壞機(jī)理研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，29( 11 )：59-61，72.ZHANG Fengda，GAO Zhaoning，MENG Xiangrui. Distribution of plastic zone and failure mechanism of stope floor[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29( 11 )：59-61，72.

[17] 石必明，劉澤功. 保護(hù)層開采上覆煤層變形特性數(shù)值模擬[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2008，33( 1 )：17-22.SHI Biming，LIU Zegong. Numerical simulation of deformation characteristics of overlying coal seam in protection layer mining[J].Journal of China Coal Society，2008，33( 1 )：17-22.

[18] 張擁軍，于廣明，路世豹，等. 近距離上保護(hù)層開采瓦斯運(yùn)移規(guī)律數(shù)值分析[J]. 巖土力學(xué)，2010，31( S1 )：398-404.ZHANG Yongjun，YU Guangming，LU Shibao，et al. Numerical analysis of gas migration law in short-range upper protective layer mining[J]. Rock and Soil Mechanics，2010，31( S1 )：398-404.

[19] 劉三鈞，林柏泉，高杰，等. 遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆煤巖裂隙變形相似模擬[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28( 1 )：51-55，60.LIU Sanjun，LIN Baiquan，GAO Jie，et al. Similar simulation of overlying coal and rock crack deformation in long-distance mining under protective layer[J]. Journal of Mining and Safety Engineering，2011，28( 1 )：51-55，60.

[20] 吳剛. 近距離煤層群上保護(hù)層開采卸壓機(jī)理及瓦斯抽采技術(shù)研究[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.WU Gang. Research on pressure relief mechanism and gas drainage technology of upper protective seam mining in close distance coal seam group[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2015.

[21] 謝小平. 高瓦斯煤層群薄煤層上保護(hù)層開采卸壓機(jī)理及應(yīng)用研究[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.XIE Xiaoping. Research on the pressure relief mechanism and application of mining upper protective seam in high gas coal seam group and thin coal seam[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2014.