黃 興

(貴州安和永駐科技有限公司, 貴州 貴陽(yáng) 550000)

1 前言

近距離煤層群由于煤層層間距小、采動(dòng)相互影響大等主要問(wèn)題始終威脅著礦井安全生產(chǎn)。 前人對(duì)近距離煤層群保護(hù)層開(kāi)采做了大量研究[1-2],其中,保護(hù)層開(kāi)采作為區(qū)域性治理高瓦斯、突出礦井最有效的手段之一[3-5],即通過(guò)開(kāi)采作為保護(hù)層的煤層,使得被保護(hù)層的大量瓦斯經(jīng)過(guò)受采動(dòng)破壞的裂隙通道涌向保護(hù)層工作面,達(dá)到被保護(hù)層瓦斯壓力、含量受采動(dòng)影響而降低目的[6-7]。

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)近距離保護(hù)層開(kāi)采做了大量研究,從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬、相似模擬實(shí)驗(yàn)等方面開(kāi)展大量研究并取得一系列研究成果。 程志恒等[8]通過(guò)研究近距離煤層群疊加開(kāi)采的應(yīng)力-裂隙-瓦斯?jié)B流規(guī)律,構(gòu)建了近距離煤層群煤與瓦斯高效共采技術(shù)體系及動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型;薛東杰等[9]研究保護(hù)層開(kāi)采條件下,鄰近煤層應(yīng)力分布規(guī)律;江麗麗等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬和礦壓觀測(cè)等方法對(duì)上保護(hù)層不合理布置導(dǎo)致被保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中巷道圍巖嚴(yán)重變形破壞等問(wèn)題進(jìn)行研究。 綜上所述,盡管對(duì)保護(hù)層開(kāi)采覆巖運(yùn)移、裂隙場(chǎng)演化等做了大量研究,但是對(duì)近距離煤層群開(kāi)采保護(hù)層底板卸壓演變、瓦斯下降變化等研究較少。因此,本文以貴州省織金縣某礦煤層群為研究對(duì)象,從理論上分析近距離保護(hù)層開(kāi)采底板巖層的卸壓規(guī)律和裂隙發(fā)育特征,綜合理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算破壞深度,通過(guò)模擬分析受采動(dòng)影響后底板卸壓演變、應(yīng)力分布等變化,并通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證近距離煤層群保護(hù)層開(kāi)采防突效果,結(jié)果對(duì)近距離煤層群瓦斯治理具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

2 保護(hù)層開(kāi)采破壞深度分析

2.1 工程概況

該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45 萬(wàn)t/a,井田內(nèi)共含可采煤及大部可采煤層10 層,5 號(hào)煤層煤厚1.54 m,平均埋深331 m,開(kāi)采工作面1505 平均走向長(zhǎng)度145 m,傾斜長(zhǎng)度750 m,9 號(hào)煤層煤厚1.92 m,平均埋深348 m,頂?shù)装逡阅噘|(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖為主,將5 號(hào)煤層作為保護(hù)層優(yōu)先開(kāi)采,之后開(kāi)采處于保護(hù)區(qū)域的9 號(hào)煤層,煤層層間距最大為17 m,綜合柱狀圖如圖1 所示。

圖1 綜合柱狀圖

2.2 保護(hù)層開(kāi)采防突機(jī)理分析

保護(hù)層開(kāi)采后,采空區(qū)底板巖體趨向于發(fā)生應(yīng)力松弛、向采空區(qū)膨脹和裂隙發(fā)育,工作面周?chē)鷳?yīng)力平衡被破壞導(dǎo)致采空區(qū)底板變形、斷裂和移動(dòng)等,造成底板巖層的應(yīng)力場(chǎng)和斷裂場(chǎng)重新分布,沿工作面走向,底板巖層按應(yīng)力水平可分為3 個(gè)區(qū)域,即原始應(yīng)力區(qū)(A)、承載應(yīng)力區(qū)(B)、應(yīng)力釋放區(qū)(C)[11],具體如圖2 所示。

圖2 底板的應(yīng)力區(qū)和塑性變形示意圖

根據(jù)底板巖層塑性破壞理論,當(dāng)?shù)装宄爸С袘?yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖體彈性極限時(shí),底板巖體就會(huì)發(fā)生塑性變形,形成三個(gè)塑性區(qū),即主動(dòng)極限區(qū)(Ⅰ)、過(guò)渡區(qū)(Ⅱ)和被動(dòng)極限區(qū)(Ⅲ)。 Ⅰ區(qū)的巖體壓縮并傳遞應(yīng)力。 當(dāng)承載應(yīng)力達(dá)到其極限載荷,引起巖體完全破壞時(shí),承載應(yīng)力區(qū)周?chē)乃苄詤^(qū)會(huì)固結(jié)成單一區(qū)域。 同時(shí),Ⅱ區(qū)的巖體滑向Ⅲ區(qū),應(yīng)力傳遞,導(dǎo)致采空區(qū)的底板鼓起。

斷裂充分發(fā)育的被動(dòng)極限區(qū)(Ⅲ)膨脹變形最為嚴(yán)重。 且隨著工作面的推進(jìn),底板塑性區(qū)繼續(xù)移動(dòng)。 被動(dòng)極限區(qū)(Ⅲ)逐漸向應(yīng)力釋放區(qū)過(guò)渡,受保護(hù)煤層因應(yīng)力解除而趨于膨脹,除原生裂隙外,還誘發(fā)次生裂隙。 因此,煤體滲透率呈指數(shù)增長(zhǎng),為保護(hù)煤層卸壓瓦斯抽采提供了有利條件[12]。

2.3 破壞深度理論計(jì)算

保護(hù)層開(kāi)采后,地應(yīng)力由采空區(qū)上方頂板向煤壁側(cè)向承載應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移,此外,采空區(qū)底板內(nèi)部發(fā)育應(yīng)力釋放區(qū),其一般深度在50 ～60 m,甚至可以超過(guò)100 m。 隨著底板深度的增加,應(yīng)力釋放速率逐漸減小。 采空區(qū)底板裂隙深度一般在15 ～25 m,因此,裂隙帶的深度比應(yīng)力釋放帶的深度要淺。

根據(jù)礦區(qū)工作面的實(shí)際情況,假設(shè)工作面前方煤巖體在地應(yīng)力作用下對(duì)底板應(yīng)力的重新分布沒(méi)有影響,將下伏巖層作為連續(xù)彈性材料處理,底板破壞深度如圖3 所示。 利用Wischik 對(duì)塑性滑移過(guò)程中巖土層極限承載力的綜合計(jì)算方法,得到底板巖體的開(kāi)采破壞深度[13-14],得到在煤巖體邊緣支承壓力作用下的底板巖體內(nèi)極限塑性破壞區(qū)的最大破壞深度。

圖3 支承壓力形成的底板破壞深度

底板煤巖體的塑性區(qū)域邊界如圖3 所示,并且由巖土極限承載的綜合計(jì)算公式1,可得到煤巖體在支撐壓力作用下的邊緣極限塑性破壞的最大深度。

式中,Dmax為底板最大破壞深度,m;L為極限平衡區(qū)長(zhǎng)度,取10 m;φ為內(nèi)摩擦角,取35°;

底板巖體破壞深度隨θ 角的不同而發(fā)生改變,當(dāng)dh/dθ=0 時(shí)可以求出底板破壞區(qū)的最大深度,將實(shí)際工程地質(zhì)條件代入式(1) 計(jì)算,得Dmax=18.5 m,即5 號(hào)煤層開(kāi)采后底板的最大破壞深度為18.5 m。

2.4 破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

由于底板受采動(dòng)影響,其破壞深度在一定程度上與工作面傾斜長(zhǎng)度和埋深有關(guān),結(jié)合保護(hù)層現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)、頂?shù)装逄卣?、水文地質(zhì)等條件,以及綜合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》和《三下采煤規(guī)程》中的經(jīng)驗(yàn)公式,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法得到底板破壞深度關(guān)系式[15]

式中,H為5 號(hào)煤層埋深,取331 m;l為工作面斜長(zhǎng),取145 m;d為工作面采高,取1.54 m。

經(jīng)式(2)計(jì)算,5 號(hào)煤層開(kāi)采后底板的最大破壞深度為17.8 m,結(jié)合理論公式計(jì)算結(jié)果的采動(dòng)破壞深度18.5 m,綜合考慮煤礦實(shí)際工程條件將底板破壞深度考慮為17.8 m,大于5 號(hào)煤層與9 號(hào)煤層的層間距17 m,導(dǎo)致下煤層巖層發(fā)生破壞,即9 號(hào)煤層在保護(hù)層開(kāi)采卸壓范圍內(nèi)。

3 數(shù)值模擬分析

5 號(hào)煤層作為9 號(hào)煤層的上保護(hù)層進(jìn)行開(kāi)采,為明確保護(hù)層開(kāi)采后的具體影響情況,以貴州某礦5 號(hào)、9 號(hào)煤層為工程地質(zhì)條件,利用數(shù)值模擬軟件,建立模型模擬保護(hù)層在推進(jìn)不同位置時(shí)底板的應(yīng)力分布及塑性區(qū)變化情況。

3.1 數(shù)值模型

結(jié)合該礦實(shí)際情況,模型的幾何尺寸長(zhǎng)×寬×高為160 m×220 m ×100 m,數(shù)值模型如圖4 所示,由于煤層實(shí)際埋深平均為331 m,在模型中的埋深為151 m,為模擬上覆巖層的自重作用,取覆巖平均容重為2.5 ×104N/m3,通過(guò)公式3 計(jì)算得出在模型上部邊界施加4.5 MPa 的垂直補(bǔ)償應(yīng)力作為頂部應(yīng)力邊界。 模型采用力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算采用的巖石力學(xué)參數(shù)

圖4 數(shù)值模型示意圖

其中,F為上覆巖層載荷,N/m2;r為覆巖平均容重,N/m3;H為煤層實(shí)際埋深,m;h為煤層在模型中埋深,m。

3.2 底板應(yīng)力分布分析

開(kāi)采保護(hù)層后,地應(yīng)力發(fā)生變化,一定范圍內(nèi)煤巖體的原始應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)也發(fā)生改變。 導(dǎo)致隨工作面推進(jìn),不同推進(jìn)距離下被保護(hù)層垂直應(yīng)力分布不同。 如圖5 所示為工作面推至不同位置時(shí)底板垂直應(yīng)力分布。 保護(hù)層回采后,被保護(hù)層出現(xiàn)了明顯 的卸壓情況。

圖5 工作面推至不同位置時(shí)底板垂直應(yīng)力分布

由圖5(a)可以看出,工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為20 m時(shí),采空區(qū)頂?shù)装鍓毫^小,此時(shí)頂板卸壓深度為5 m;由圖5(b)可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m 時(shí),頂?shù)装逍秹簠^(qū)域明顯增大,此時(shí)底板卸壓范圍達(dá)到25 m,9 號(hào)煤層已經(jīng)在卸壓范圍內(nèi);由圖5(c)和(d)可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)至80 m、100 m 時(shí),在垂直方向上底板卸壓范圍沒(méi)有持續(xù)增長(zhǎng),此時(shí)卸壓深度范圍最大為33 m。 綜上所述,隨著保護(hù)層開(kāi)采工作面的推進(jìn),底板的卸壓深度會(huì)隨著推進(jìn)距離的增加而增加,達(dá)到一定值以后會(huì)趨于穩(wěn)定,而5 號(hào)煤層與9 號(hào)煤層層間距14.6 m 也處于卸壓深度內(nèi),產(chǎn)生良好的卸壓效果。

3.3 底板塑性區(qū)分布分析

工作面推進(jìn)過(guò)程中,其頂?shù)装灏l(fā)生張拉屈服,并且隨著工作面不斷推進(jìn),中部拉應(yīng)力區(qū)和兩端塑性區(qū)的破壞范圍與發(fā)育深度均在不斷擴(kuò)大[16],工作面推進(jìn)不同距離時(shí)底板巖體塑性區(qū)分布如圖6 所示。

由圖6(a)可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)至20 m 時(shí),采空區(qū)中部塑性區(qū)域相對(duì)較少,破壞深度在3 m 左右;由圖6(b)可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m 時(shí),采空區(qū)中部塑性區(qū)域范圍增加,且開(kāi)始鏈接成片顯示,此時(shí)底板塑性區(qū)域最大破壞深度達(dá)到20 m;由圖6(c)和圖6(d)看出,當(dāng)工作面推進(jìn)至80 m 和100 m 時(shí)塑性區(qū)演化規(guī)律沒(méi)有明顯差異,分別為22.5 m 和23 m,底板最大塑性破壞深度無(wú)明顯增加,水平塑性區(qū)域擴(kuò)大。 綜上所述,隨著5 號(hào)煤層工作面的推進(jìn),塑性破壞區(qū)在頂?shù)装宕怪狈较蜃兓淮?最大破壞深度有23 m,9 號(hào)煤層在其破壞范圍內(nèi)。

圖6 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)底板巖體塑性區(qū)分布

4 保護(hù)層開(kāi)采效果考察

開(kāi)采保護(hù)層后,被保護(hù)層在一定程度上得到了卸壓。 為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際保護(hù)效果,將1505 運(yùn)輸巷、1503 運(yùn)輸巷作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所,對(duì)5 號(hào)煤層開(kāi)采后區(qū)域?qū)ο虏? 號(hào)煤層消突效果進(jìn)行考察。

4.1 施工方案

從5 號(hào)煤巷打下向測(cè)壓孔測(cè)定9 號(hào)煤層瓦斯壓力。 在1505 運(yùn)輸巷布置兩組(共4 個(gè))測(cè)壓鉆孔測(cè)定9 號(hào)煤層瓦斯壓力,具體如圖7 所示。

圖7 測(cè)壓鉆孔布置示意圖

首先測(cè)定9 號(hào)煤層原始瓦斯壓力,待壓力穩(wěn)定后,5 煤號(hào)工作面回采經(jīng)過(guò)測(cè)壓地點(diǎn),繼續(xù)觀察開(kāi)采保護(hù)層后瓦斯壓力的變化情況。 在1503 運(yùn)輸巷布置一組(共4 個(gè))測(cè)壓鉆孔,分別考察9 號(hào)煤層原始瓦斯壓力和開(kāi)采保護(hù)層后的9 號(hào)煤層瓦斯壓力。 鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2。

4.2 卸壓效果考察

安裝測(cè)定裝置后,開(kāi)始測(cè)定瓦斯壓力,每天觀測(cè)并記錄各鉆孔瓦斯壓力值,鉆孔壓力隨時(shí)間變化曲線如圖8、圖9、圖10 所示。

圖9 9-3、9-4 鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

圖10 9-5、9-6、9-7、9-8 鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

由圖8 可知,從9-1、9-2 鉆孔瓦斯壓力測(cè)定情況看,在5 號(hào)煤層回采工作面未推進(jìn)到測(cè)壓地點(diǎn)時(shí),測(cè)得9 號(hào)煤層原始瓦斯壓力分別是0.42 MPa、0.41 MPa,5 號(hào)煤層回采工作面推進(jìn)約220 m 并超過(guò)測(cè)壓地點(diǎn)后,下方9號(hào)煤層測(cè)點(diǎn)測(cè)得瓦斯壓力開(kāi)始下降,最終穩(wěn)定在0.18 MPa、0.22 MPa,說(shuō)明說(shuō)明5 煤層作為保護(hù)層開(kāi)采對(duì)9 煤層的瓦斯壓力釋放作用非常明顯,下降范圍分別為57.2%和47.3%。

圖8 9-1、9-2 鉆孔瓦斯壓力隨時(shí)間變化曲線

圖9 可知,由于9-3、9-4 號(hào)鉆孔在1、2 號(hào)鉆孔后方,從瓦斯壓力測(cè)定情況看,在5 號(hào)煤層回采工作面未推進(jìn)到測(cè)壓地點(diǎn)時(shí),測(cè)得9 號(hào)煤層原始瓦斯壓力分別是0.38 MPa、0.39 MPa,當(dāng)5 號(hào)煤層回采工作面推進(jìn)約300 m 并超過(guò)測(cè)壓地點(diǎn)后,9 號(hào)煤層瓦斯壓力開(kāi)始下降,最終穩(wěn)定在0.16 MPa、0.21 MPa,說(shuō)明說(shuō)明5 煤層作為保護(hù)層開(kāi)采對(duì)9 煤層的瓦斯壓力釋放作用非常明顯,分別下降57.9%、46%。

由圖10 可知,從9-7、9-8 號(hào)鉆孔瓦斯壓力測(cè)定情況看,測(cè)得9 煤層原始瓦斯壓力為0.34 MPa、0.35 MPa;從9-5、9-6 鉆孔瓦斯壓力測(cè)定情況看,測(cè)得9 號(hào)煤層殘余瓦斯壓力為0.18 MPa、0.19 MPa。

5 號(hào)煤回采后保護(hù)范圍之外測(cè)得9 號(hào)煤層原始瓦斯含量為7.13 ～8.2 m3/t;5 號(hào)煤層回采后保護(hù)范圍之內(nèi)的9 號(hào)煤層瓦斯含量降低為5.19～6.45 m3/t。綜上所述,說(shuō)明5 號(hào)煤層作為保護(hù)層開(kāi)采對(duì)9 號(hào)煤層的瓦斯壓力釋放作用非常明顯,瓦斯壓力下降在46%以上。

5 結(jié)論

(1) 綜合理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果,并出于安全考慮取底板破壞深度最大是17.8 ～18.5 m,而5 號(hào)、9 號(hào)煤層的垂直層間距為17 m,則9 號(hào)煤層在5 號(hào)煤層開(kāi)采的卸壓保護(hù)范圍內(nèi)。

(2) 由數(shù)值模擬可知,底板卸壓區(qū)域呈現(xiàn)倒三角形,垂直卸壓范圍最大33 m,綜合分析煤層底板垂直應(yīng)力圖和底板煤巖體塑性區(qū)分布圖,得煤層底板最大破壞深度為23 m,與計(jì)算結(jié)果相符合。

(3) 通過(guò)對(duì)5 號(hào)煤層工作面推進(jìn)過(guò)程中對(duì)測(cè)壓孔的瓦斯壓力變化觀察,開(kāi)采后9 號(hào)煤層瓦斯壓力下降46% ～57.9%,說(shuō)明5 號(hào)煤層開(kāi)采后區(qū)域有效保護(hù)范圍內(nèi)9 號(hào)煤層的突出危險(xiǎn)性已消除,卸壓效果良好。