上保護(hù)層開采下伏煤巖卸壓帶瓦斯抽采優(yōu)化設(shè)計(jì)

都 鋒

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

目前，針對(duì)上保護(hù)層開采[1-2]卸壓帶瓦斯的抽采主要集中在對(duì)卸壓帶范圍的研究，包括數(shù)值模擬、采動(dòng)應(yīng)力場計(jì)算、底板破壞深度的線性回歸分析[3]等，然而上述方法帶了一定的片面性、局限性。基于此，依據(jù)薄板力學(xué)機(jī)構(gòu)模型[4-5]結(jié)合四邊固支的邊界條件、數(shù)值模擬對(duì)卸壓帶特征的數(shù)值模擬，耦合2種方法對(duì)卸壓帶瓦斯抽采進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工作面概況

某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為30萬t/a，采用斜井開拓。礦井劃分為2個(gè)水平開采，一水平標(biāo)高+1 200 m，二水平標(biāo)高+1 130 m，各煤層水平標(biāo)高以上為俯斜開采，以下為仰斜開采。礦區(qū)內(nèi)有 15、21、28、30、32 煤層共5層，設(shè)計(jì)采用分組聯(lián)合布置，15、21煤層劃分為上煤組，28、30、32煤層劃分為下煤組。先開采上煤組15煤層，然后開采21煤層，再開采下煤組28、30、32煤層。

礦井采用傾斜長壁后退式采煤法進(jìn)行回采，全部垮落法管理頂板。礦井目前主要開采15煤，該煤層屬于較穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，煤層均厚2 m、平均傾角為13°。煤層基本頂為L7灰?guī)r，直接頂以泥巖為主，底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。15煤回采的工作面主要有11505工作面，工作面平均走向長度145 m，傾斜長度750 m。

位于15煤層下方25.6 m為21煤層，21煤層平均厚度2.1 m、傾角10°。目前沿著21煤正在掘進(jìn)的12101回風(fēng)巷，掘進(jìn)斷面為矩形，寬、高為3.2 m×2.0 m。其中，15煤為保護(hù)層，21煤為被保護(hù)層，15煤開采煤巖裂隙結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 15煤開采煤巖裂隙結(jié)構(gòu)示意圖

在15煤層未開采區(qū)域、21煤層多次取煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室瓦斯基本參數(shù)測定，測得21煤層平均原始瓦斯含量為11.7 m3/t、瓦斯壓力為0.93 MPa及透氣性系數(shù)為5.1×10 m2/（MPa2·d），屬于低透煤層。

2 保護(hù)層下伏煤巖的薄板力學(xué)模型

當(dāng)11505工作面回采一定階段后，采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)造成下伏煤巖塑性變形、卸壓增透及產(chǎn)生裂隙，集中在15煤開采形成的卸壓區(qū)內(nèi)，包括層向裂隙和豎向裂隙，形成了瓦斯運(yùn)移的主要通道。在卸壓區(qū)域內(nèi)瓦斯持續(xù)的解吸-滲流，如果不采取相應(yīng)的卸壓區(qū)瓦斯抽采措施，一方面游離的瓦斯積聚在11505工作面采空區(qū)內(nèi)形成安全隱患；另一方面，保護(hù)層開采后卸壓區(qū)的瓦斯對(duì)被保護(hù)層21煤層開采產(chǎn)生較大的瓦斯積聚隱患。待上保護(hù)層的11505工作面回采后，應(yīng)提前實(shí)施卸壓帶瓦斯的預(yù)抽。

實(shí)施卸壓區(qū)瓦斯預(yù)抽必須找到卸壓區(qū)的范圍，現(xiàn)有的研究成果集中在對(duì)采動(dòng)應(yīng)力場、底板破壞深度的線性回歸分析及巖體塊、板力學(xué)結(jié)構(gòu)模型的建立，但是上述研究的缺陷明顯，主要是因?yàn)闊o論是采動(dòng)應(yīng)力場還是底板破壞深度的線性回歸計(jì)算，其分析的大都是開采區(qū)域某段、某處的卸壓范圍，存在較多的盲區(qū)，對(duì)瓦斯抽采鉆孔的布置的理論性支撐不足；同時(shí)，巖體塊、板力學(xué)結(jié)構(gòu)分析卸壓區(qū)塑性變形特征，存在較多的計(jì)算誤差，尤其是保護(hù)層、被保護(hù)層之間的巖層種類較多，耦合計(jì)算程序較復(fù)雜，帶來較大的繁瑣。

對(duì)比保護(hù)層與被保護(hù)層之間的間距、工作面的走向長度之間的比例關(guān)系，滿足間距與工作面走向長度比值在1/5～1/8，選擇把上保護(hù)層15煤、被保護(hù)層21煤之間的巖體作為1個(gè)整體，運(yùn)用薄板力學(xué)模型，建立模型，薄板結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型如圖2，其中，a為保護(hù)層下伏巖層的有效長度，b為保護(hù)層下伏巖層的有效寬度，h為保護(hù)層與被保護(hù)層之間的間距，q為施加于保護(hù)層15煤層直接底板的載荷。

圖2 薄板結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型

假定上述模型為連續(xù)介質(zhì)、各向同性和線彈性的介質(zhì)，在不考慮剪應(yīng)變的基礎(chǔ)上，薄板發(fā)生彎曲變形后其各點(diǎn)的撓度與薄板中面的撓度相同，在初始狀態(tài)下設(shè)定薄板中面的撓度很小，伸縮位移為0，假定薄板模型為四邊固支的模型.

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根據(jù)上述模型，建立相應(yīng)的力學(xué)平衡方程為：

式中：w為薄板的撓度函數(shù)，m；D為板的抗彎剛度，MPa；E 為板的彈性模量，MPa；h為板的厚度，m；μ為板的泊松比。

當(dāng)矩形薄板邊界可簡化為固支或簡支邊界時(shí)，彎曲變形能Uw可簡化為：

在此處薄板模型的分析中，簡化為四邊固支的邊界條件，即薄板四邊的撓度與轉(zhuǎn)角皆為0，即：

依據(jù)式（5）推導(dǎo)出薄板中面的撓曲函數(shù)[6-7]為：

聯(lián)立式（4）、式（5）求得：

外力所施加的勢能V為：

依據(jù)最小勢能理論，可得：

通過式（6）～式（8）得：

聯(lián)立式（6）、式（10）最終得到 w（x，y）的表達(dá)式：

結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際，在Matlab中植入相關(guān)的參數(shù)，得到了薄板模型的變形曲線（圖3）。

圖3 薄板結(jié)構(gòu)撓度分布曲線

從圖3可知，在四周固支的薄板結(jié)構(gòu)中，薄板中面中心區(qū)域的巖層變形較大，撓度最大且其曲線呈現(xiàn)對(duì)稱的“山谷”狀。

3 保護(hù)層下伏煤巖卸壓范圍的數(shù)值模擬

前述從足夠的邊界條件考察了保護(hù)層、被保護(hù)層之間巖層的撓曲分布規(guī)律，借助了薄板模型四邊固支的計(jì)算要求。為了驗(yàn)證上述結(jié)論的趨勢正確性，同時(shí)進(jìn)一步獲取保護(hù)層開采時(shí)下伏煤巖裂隙場的分布規(guī)律，采用動(dòng)態(tài)損傷軟件RFPA2D進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，結(jié)合軟件自帶的聲發(fā)射監(jiān)測[8-10]功能，在煤巖受采動(dòng)影響時(shí)，裂隙處即時(shí)發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象（AE現(xiàn)象），可以通過聲發(fā)射現(xiàn)象的能量或者頻次來測定巖層裂隙場的分布規(guī)律。

模型尺寸為長200 m×50 m，沿著11505工作面走向方向、薄板中面做剖面，監(jiān)測工作面動(dòng)態(tài)開采下聲發(fā)射現(xiàn)象頻次、能量的空間分布規(guī)律，模型相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模型相關(guān)參數(shù)

依據(jù)數(shù)值模擬聲發(fā)射頻次的空間分布規(guī)律（圖4），沿著工作面走向方向在工作面正下方聲發(fā)射的頻次呈現(xiàn)“漏斗狀”的形態(tài)，與圖3中薄板模型撓度“山谷”趨勢一致，說明了裂隙集中在11505工作面的正下方，自上而下聲發(fā)射無論是頻次還是強(qiáng)度在減弱，直至到被保護(hù)層的21煤層，臨近21煤層上部聲發(fā)射強(qiáng)度變低且輻射區(qū)域較小。受11505工作面采動(dòng)影響，21煤瓦斯解吸并在“漏斗”狀的裂隙通道內(nèi)滲流。

圖4 保護(hù)層開采聲發(fā)射頻次空間分布圖

4 鉆孔的優(yōu)化布置

4.1 抽采巷層位的選擇

借助于四邊固支薄板模型對(duì)薄板中面撓度的理論分析，得到了在11505工作面與被保護(hù)層21煤之間巖層破裂、擠壓、滑移運(yùn)動(dòng)，最終形成了“山谷”狀的撓曲曲線；同時(shí)，沿著11505工作面走向、薄板中面進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，聲發(fā)射的頻次在11505工作面呈現(xiàn)“漏斗”狀，與理論趨勢一致。針對(duì)上述在21煤解吸的瓦斯運(yùn)移的通道，選擇在15煤與21煤之間布置抽采巷實(shí)施抽采，進(jìn)一步分析2層煤之間的巖層巖性、圖4的聲發(fā)射頻次規(guī)律，最終選擇在3.1 m厚的粉砂巖中布置抽采巷，粉砂巖抗壓強(qiáng)度較強(qiáng)，且位于圖4中的聲發(fā)射強(qiáng)度與頻次的最弱部，一方面降低了巷道維護(hù)的成本，另一方面更便于實(shí)施控制區(qū)域最大的高位鉆孔。

4.2 鉆場的優(yōu)化布置

沿工作面走向方向，借助瓦斯抽采巷布置鉆場，實(shí)施定向鉆場[10]，每個(gè)鉆場設(shè)置1#、2#直至編號(hào)為8#的鉆孔，鉆孔的直徑為75 mm，其中，1#鉆孔與煤層方向呈33°夾角，每個(gè)相鄰鉆孔的垂高差為5 m，第1個(gè)鉆場的4#鉆孔距離11505工作面采空區(qū)左側(cè)邊界水平為3.5 m。第1個(gè)鉆場的8#鉆孔與第2個(gè)鉆場的4#鉆孔沿煤層傾角方向距離為12 m。上述所有的鉆場均布置在11505工作面走向中心延長線上。沿工作面走向高位鉆孔施工方案如圖5。

圖5 沿工作面走向高位鉆孔施工方案

4.3 鉆孔的抽采效果分析

當(dāng)11505工作面超前回采20 m左右，實(shí)施定向高位鉆場抽采瓦斯，抽采的負(fù)壓為35 kPa。最初3#、4#、7#、8#鉆孔瓦斯流量明顯大于 1#、2#、5#、6#鉆孔，接近1.2倍。當(dāng)11505工作面繼續(xù)推進(jìn)10 m后，此時(shí)通過對(duì)抽采區(qū)域下部的21煤煤體取樣測得瓦斯含量及壓力分別為 6.78 m3/t、0.53 MPa；當(dāng) 11505 工作面超前20 m后，對(duì)第2個(gè)鉆場實(shí)施相同條件的瓦斯抽采，測定21煤瓦斯含量及壓力分別為5.77 m3/t、0.41 MPa；同理，11505 工作面繼續(xù)超前 20 m，對(duì)第3個(gè)鉆場實(shí)施相同條件的瓦斯抽采，測定21煤瓦斯含量及壓力分別為 5.23 m3/t、0.41 MPa。

采用相同的方法，后續(xù)將對(duì)沿21煤層布置的12101回風(fēng)巷取煤樣測定瓦斯含量，抽采前測得21煤層瓦斯含量為 7.13～8.2 m3/t，抽采后 21 煤層殘余瓦斯含量降低為 5.19 ～6.45 m3/t。

5 結(jié)論

1）將保護(hù)層、被保護(hù)層之間巖層建立薄板模型整體考慮，設(shè)定四邊固支符合現(xiàn)場實(shí)際條件。

2）卸壓最明顯區(qū)域是薄板模型撓曲分布規(guī)律的“山谷”處，也是數(shù)值模擬“漏斗”卸壓帶的上口。

3）針對(duì)上保護(hù)層開采的卸壓帶分層優(yōu)化布置鉆孔、鉆場，抽采效果明顯。