摘要：為探究平煤股份八礦超遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采對上覆煤巖層的影響，采用相似材料模擬實驗分析超遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采上覆煤巖層裂隙及應(yīng)力演化規(guī)律，并進(jìn)行現(xiàn)場驗證。研究結(jié)果表明：超遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采條件下，隨工作面推進(jìn)，上覆煤巖層裂隙率呈先上升后平穩(wěn)的趨勢，當(dāng)工作面從187 m推進(jìn)至272 m，裂隙發(fā)育最快；超遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采對上覆煤巖層有卸壓效果，但與常規(guī)情況下相比卸壓滯后距離較大；上覆巖層卸壓比戊組煤層大；通過現(xiàn)場驗證發(fā)現(xiàn)，隨工作面推進(jìn)，礦壓呈先上升再下降后穩(wěn)定的趨勢，并將工作面區(qū)域分為未干擾區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、卸壓區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。研究結(jié)論可為平煤礦區(qū)遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采、上組煤層工作面瓦斯防治和采區(qū)工作面采掘部署提供參考。

關(guān)鍵詞：超遠(yuǎn)距離；相似材料模擬；應(yīng)力演化；卸壓效果

中圖分類號：TD323 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-0562（2024）02-0143-07

0 引言

隨著煤炭資源的開采，埋深逐漸增加，出現(xiàn)了超出遠(yuǎn)距離煤層群所定義的煤層群，以往適用于遠(yuǎn)距離煤層群的上保護(hù)層開采卸壓方法不適用于此種情況。而埋深的增加增大了瓦斯治理難度，保護(hù)層開采是滲透率改性解決瓦斯突出的有效手段。

鄧兆睿等采用數(shù)值模擬方法研究了近距離煤層群半煤巖上保護(hù)層開采卸壓增透效應(yīng)，得出了上保護(hù)層工作面開采卸壓機理。王欽明通過現(xiàn)場實驗研究了近距離多煤層保護(hù)層回采工作面的瓦斯涌出規(guī)律，提出了立體式瓦斯綜合治理技術(shù)。程國建通過數(shù)值模擬研究了中遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開采被保護(hù)層卸壓瓦斯流動滯后的時空規(guī)律，解決了傳統(tǒng)被保護(hù)層鉆孔超前保護(hù)層采煤工作面施工卸壓抽采存在的問題。李茹等采用COMSOL4.2多物理場數(shù)值模擬軟件對中遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采瓦斯運移進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離條件下保護(hù)層開采對被保護(hù)層具有卸壓作用。宋衛(wèi)華等運用相似材料模擬方法，研究了平頂山十礦近距離下保護(hù)層開采后上覆巖層的移動規(guī)律和己15-16煤層的卸壓效果，認(rèn)為保護(hù)層開采后，己煤層的走向區(qū)域滿足煤層卸壓瓦斯的抽采要求。任中華等開展沿煤層傾向開采的相似模擬實驗，探究了平煤股份八礦多煤層遠(yuǎn)距離上保護(hù)層重疊開采，認(rèn)為丁組煤層開采對己組煤層的卸壓保護(hù)效果甚微，但留設(shè)煤柱使己組煤層產(chǎn)生附加應(yīng)力。劉鯉粽綜合運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等手段，研究了遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆巖層卸壓效果及被保護(hù)層煤體膨脹變形規(guī)律，結(jié)果表明，卸壓效果隨與工作面垂直距離增加而降低，被保護(hù)層膨脹率穩(wěn)定在4‰左右。

以往的研究主要針對中遠(yuǎn)距離煤層保護(hù)層開采對被保護(hù)層的影響，對于超遠(yuǎn)距離煤層群下保護(hù)層開采的研究較少。平煤股份八礦己組煤層與戊組煤層相距170 m，超出了保護(hù)層一般定義的界限，無法直接采用保護(hù)層開采理論指導(dǎo)現(xiàn)場實踐。本文以平煤股份八礦為研究對象，通過相似材料模擬實驗探究超遠(yuǎn)距離下覆己組煤層超前開采過程上覆戊組煤層的應(yīng)力場及裂隙場的演化規(guī)律，以期為超遠(yuǎn)距離煤層群瓦斯治理提供指導(dǎo)。

1 工程概況

平煤股份八礦的主采煤層包括丁5.6、戊9.10、己15和己16-17 4個煤層，煤層間距較遠(yuǎn)，平煤股份八礦己組、戊組煤層層間距約為170 m，戊9.10煤層實測最大瓦斯壓力為2.5 MPa，最大瓦斯含量為16 m3/t。目前己15-21030工作面超前于戊9.10-21070工作面回采，兩工作面垂直投影相互交叉。己is-21030工作面推進(jìn)過程中，上覆戊9.10-21070工作面風(fēng)巷出現(xiàn)變形回縮等現(xiàn)象，表明己組煤層開采對戊組煤層存在一定的影響。戊組煤層布置3個工作面，戊9.10-21030、戊9.10-21050工作面開采已結(jié)束，戊9.io-21070工作面尚未開采，己is-21030工作面處于開采階段，見圖1。

2 超遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采相似模擬實驗

2.1 模型參數(shù)與材料選取

相似材料模擬實驗臺尺寸為2 850 mmx300 mm×1 650 mm，依據(jù)研究對象的現(xiàn)場工況，根據(jù)相似原理，確定幾何相似比為1：170，根據(jù)幾何相似比與時間相似比之間的關(guān)系確定時間相似比為1：13，容重相似比為1：1.5，最終確定應(yīng)力相似比為1：255。模擬采高為實際生產(chǎn)采高與幾何常數(shù)之比，己15煤層實際厚度為4.4 m，幾何常數(shù)為170，模擬采高為2.6 cm，每日安排兩班生產(chǎn)，一班檢修，確定模型開挖速度為2 cm/次，實際生產(chǎn)每班8h，模擬開采時間間隔為36 min，近似將時間間隔設(shè)為40 min。結(jié)合文獻(xiàn)[12]的數(shù)據(jù)，確定分層數(shù)、分層厚度和配比號，原巖和模型材料力學(xué)參數(shù)見表1。

相似材料模型見圖2。

依據(jù)上覆巖層自重應(yīng)力場，采用應(yīng)力相似常數(shù)折算得到模擬應(yīng)力[13-14]，相當(dāng)于質(zhì)量為523 kg的模型材料。對超出模型高度的上覆煤巖層采取等效載荷加載方法施加應(yīng)力。模擬材料以石英砂為骨料，以石膏、石灰為黏結(jié)劑，用云母片模擬巖層分層面和節(jié)理裂隙等弱面。

2.2 實驗方案

在兩組煤層之間布置4組應(yīng)力測點，應(yīng)力測點布置見圖3，監(jiān)測點說明見表2。每次模型開挖前后拍攝照片，用于記錄覆巖裂隙演化。

為還原現(xiàn)場采空區(qū)實際情況，在戊9.10-21050工作面開挖完畢的基礎(chǔ)上，待模型穩(wěn)定后，開挖己15-21030工作面。模型己15-21030煤層右側(cè)預(yù)留34 cm煤柱，左側(cè)預(yù)留10 cm煤柱，依據(jù)時間相似比從右向左循環(huán)開采己15-21030工作面，開采總長度為255 cm，實際原型長度為433.5 m。模型開采步距為2 cm，為方便說明實驗結(jié)果，以下均以原型尺寸來描述。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 覆巖裂隙時空演化規(guī)律

根據(jù)己組回采覆巖垮落結(jié)構(gòu)的照片數(shù)據(jù)，通過PCAS軟件對其裂隙演化進(jìn)行分析。煤層開采覆巖垮落的二值化灰度裂隙見圖4。

統(tǒng)計模型中巖體裂隙的條數(shù)、總長度、平均寬度以及裂隙率，得到裂隙參數(shù)隨工作面推進(jìn)的變化曲線，見圖5。隨著己組工作面推進(jìn)，形成的采空區(qū)不斷增大，垮落的覆巖在采區(qū)上方逐漸堆積，上覆巖層裂隙條數(shù)、裂隙總長度和裂隙率3個指標(biāo)變化趨勢一致，呈上升趨勢，而裂隙平均寬度隨工作面推進(jìn)呈下降趨勢。當(dāng)覆巖離層發(fā)育至模型頂部邊界后，覆巖裂隙閉合，裂隙條數(shù)、裂隙總長度和裂隙率3個指標(biāo)呈平緩趨勢。當(dāng)工作面從120 m推進(jìn)至187 m，采動導(dǎo)致裂隙條數(shù)、裂隙總長度和裂隙率緩慢上升，而裂隙平均寬度下降，裂隙以萌生為主。當(dāng)工作面從187 m推進(jìn)至300 m，裂隙發(fā)育迅速，裂隙條數(shù)從30增長至171，增長了4.7倍，裂隙總長度增長了3.5倍，裂隙率從9.3×10-3增長至21×10-3，此過程裂隙以貫通和擴(kuò)張為主。工作面從300 m推進(jìn)至430 m，裂隙閉合速度與裂隙發(fā)育速度達(dá)到平衡，裂隙條數(shù)、裂隙總長度和裂隙率趨于穩(wěn)定，裂隙率穩(wěn)定在21×10-3左右，此過程裂隙主要以閉合、壓實和新裂隙的產(chǎn)生為主。

在整個開采過程中，覆巖裂隙的層位高度逐漸增加，工作面開采至300 m時，裂隙層位擴(kuò)展至85 m；工作面開采至340 m時，裂隙層位達(dá)到極限值129.2 m。裂隙指標(biāo)的變化表明超遠(yuǎn)距離下組煤層開采覆巖裂隙發(fā)育具有極限性，而裂隙層位發(fā)育高度影響上組煤層卸壓效果。

模型測點應(yīng)力變化曲線見圖6。測點A1、A2距開切眼的距離分別為198.9 m、239.7 m。己15-21030工作面未推進(jìn)至測點A1時，垮落層位未達(dá)到A組測點高度，A、B組測點應(yīng)力無大幅度波動，戊組煤層采空區(qū)進(jìn)一步壓實，應(yīng)力向戊組煤層采空區(qū)偏移，左側(cè)煤柱的測點C1、C2應(yīng)力緩慢下降。工作面推過測點A1，到達(dá)測點A2前，覆巖發(fā)生大范圍垮落，己15-21030工作面采空區(qū)上方覆巖下沉，應(yīng)力向工作面一側(cè)集中，測點A3、B2、B3、B4、C4和D組測點應(yīng)力增大。工作面推過測點A2，覆巖再次發(fā)生大范圍垮落，采空區(qū)上方測點應(yīng)力減小，工作面推進(jìn)至340 m左右應(yīng)力達(dá)到最小。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，垮落覆巖壓實，采空區(qū)上方各測點應(yīng)力增大，垮落覆巖層位向上發(fā)育，工作面前方D組測點和測點B3、B4出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著工作面推進(jìn)，各測點應(yīng)力依次減小。開采結(jié)束，A組測點所在層位的原始應(yīng)力為20.97 MPa，測點A2、A3分別卸壓31.5%、60.6%，測點A3卸壓滯后21.5 m。B組測點所在層位原始應(yīng)力為19.9 MPa，測點B2、B3、B4穩(wěn)定后分別卸壓40.2%、26.6%、15.0%，B3卸壓滯后距離在30～45 m。

測點C3、C4動態(tài)卸壓，卸壓滯后距離為115～135 m，卸壓過程中應(yīng)力最小值分別為-4.7 MPa、-2.7 MPa。測點D1在工作面開采至421 m時開始卸壓，穩(wěn)定后卸壓12.2%。戊組煤層原始應(yīng)力為16.25 MPa，滯后距離為35～50 m。測點D2、D3、D4、D5在工作面開采結(jié)束后卸壓，穩(wěn)定后分別卸壓4.1%、7.0%、4.g%、12.3%。

結(jié)合覆巖裂隙時空演化規(guī)律的分析，超遠(yuǎn)距離下組煤層開采，采高為4.4 m，隨著覆巖層位增高，卸壓效果明顯下降，卸壓滯后距離逐漸增大，超遠(yuǎn)距離下組煤層開采，裂隙未能到達(dá)上組煤層，上組煤層處于彎曲下沉帶。開采結(jié)束后，D組應(yīng)力除測點D6外都處于卸壓狀態(tài)，平均卸壓為1.46 MPa，卸壓滯后距離為35～50 m。

4 超遠(yuǎn)距離煤層開采實測驗證

根據(jù)己15-21030工作面和戊9.10-21070工作面的相對位置，在戊9.10-21070工作面中間低位巷兩幫（距巷道口278 m處）布設(shè)鉆孔安裝應(yīng)力計，分析隨著己15-21030工作面推進(jìn)戊組煤層區(qū)域礦壓變化情況。應(yīng)力計鉆孔長為6m，鉆孔角為180，采用YHY60礦用本安型鉆孔應(yīng)力計采集數(shù)據(jù)。通過60d的數(shù)據(jù)觀測得到戊9.10煤層應(yīng)力與己15煤層推進(jìn)距離的關(guān)系，見圖7。由圖7可以看出，現(xiàn)場測點應(yīng)力變化趨勢與相似模擬戊組煤層應(yīng)力變化趨勢一致。與相似模擬相比，現(xiàn)場戊組煤層應(yīng)力更早達(dá)到峰值，卸壓區(qū)的范圍大致相同。現(xiàn)場由于垮落結(jié)構(gòu)的影響，在卸壓區(qū)，測點應(yīng)力出現(xiàn)波動，隨后測點應(yīng)力繼續(xù)減小，最后測點應(yīng)力穩(wěn)定在11.6 MPa。對比應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力27 MPa，應(yīng)力下降了57.0%。卸壓滯后距離為35～40 m，與相似材料模擬結(jié)果中戊組卸壓滯后工作面距離相符，可以證實超遠(yuǎn)距離下組煤層開采戊組煤層有卸壓效果。

5 結(jié)論

（1）相似材料模擬超遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采，采高為4.4 m，工作面推進(jìn)至340 m，覆巖裂隙停止向上發(fā)育，裂隙層位發(fā)育高度極限為129.2 m。在裂隙層位高度達(dá)到極限時，裂隙指標(biāo)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此過程裂隙主要以閉合、壓實和新裂隙的產(chǎn)生為主。

（2）超遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采對戊組煤層卸壓有一定影響。隨模型層位增大，卸壓滯后距離增大，卸壓效果減弱，戊組煤層壓力下降了12.3%，戊組煤層處的卸壓滯后距離為35～50 m。

（3）經(jīng)現(xiàn)場驗證，超遠(yuǎn)距離下組煤層超前開采對戊組煤層卸壓效果有一定提升作用?，F(xiàn)場測點應(yīng)力變化趨勢與相似材料模擬D組測點一致?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，相比于應(yīng)力集中區(qū)，戊組煤層卸壓57.0%，卸壓滯后距離為35～40 m，與相似材料模擬結(jié)果吻合。

基金項目：遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊資助項目（INTU20TD-11）；遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金計劃項目（2021-KF-13-04）；國 家自然科學(xué)基金面上項目（52074143）