上被保護層的保護范圍擴界模擬

王藝林，肖峻峰，張 帥，盧 平

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

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

被保護層保護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)被保護層的實際保護范圍都大于理論保護范圍(2019年《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定值)，即普遍存在擴界現(xiàn)象，其區(qū)別僅在于沿煤層傾斜方向或走向上擴界范圍的大小。當前被保護層實際保護擴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保護層工作面開采對上覆8煤Ⅱ836被保護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，得出上被保護層的實際保護范圍，以期進一步豐富保護層開采理論。

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煤保護層工作面。Ⅱ10310工作面為10煤層較穩(wěn)定煤層，其巖體力學參數(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工作面的巖體力學參數(shù)

走向保護邊界考察設(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)走向保護角為101°，90°，69°和60°(走向理論保護角)。

2 模型建立

傾向下部保護邊界考察設(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風巷投影位置外4.9 m處，對應(yīng)于傾向下部理論卸壓保護邊界線(下部理論保護角75.5°)；6#鉆孔位于II10310風巷投影位置外24.1 m處，即傾向保護角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，保護層上覆巖層卸壓范圍不斷擴大。

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

3.2 豎向位移變化規(guī)律

x=150 m面不同累計進尺下豎向位移云圖如圖3所示。由圖3可知，當工作面回采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。隨著工作面進一步推進，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，受采動影響的卸壓范圍越來越大，被保護層的保護范圍也越來越大。

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

不同推進距離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，由于采空區(qū)范圍變大，被保護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)中部達到最大值。當開挖160 m時，最大沉降量達到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 不同推進距離8#煤層底板的位移

3.3 傾向保護角的確定

保護角劃分可分別按照應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果進行。只有當豎向應(yīng)力小于由動力因素保護準則[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)力卸壓保護準則，走向保護角最小90.8°，最大97.23°；根據(jù)應(yīng)變卸壓保護準則，走向保護角最小90.74°，最大97.29°。綜上，走向保護角劃定為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層與被保護層的層間距相比較，計算得出保護角大小。傾向保護角計算結(jié)果見表2。由表2可知，根據(jù)應(yīng)力卸壓保護準則，沿傾向上部保護角最小為90.40°，最大為91.95°，傾向下部保護角最小為90.10°，最大為93.15°；根據(jù)應(yīng)變卸壓保護準則，傾向上部保護角最小為90.20°，最大為95.26°，傾向下部保護角最小為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角均劃定為90°。

(a) 應(yīng)力

表2 傾向保護角計算結(jié)果(°)

3.4 走向保護角的確定

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保護層工作面于2018年7月回采結(jié)束，Ⅱ836被保護層工作面現(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工作面實際保護范圍的影響。鉆孔平面布置圖如圖6所示。

同理，走向保護角計算結(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)成本進行存儲.

(a) 走向

Ⅱ10310工作面標高為-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工作面老頂為細砂巖，均厚5 m；直接頂為中、細粒砂巖，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煤的保護層。上被保護層8煤Ⅱ836工作面標高為-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，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入下一步，對應(yīng)累計進尺分別為20，40，60，90，120，160 m。在上被保護層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被保護層工作面在走向上存在明顯的擴界現(xiàn)象，走向?qū)嶋H保護角為90°，與模擬結(jié)果一致。

同樣，Ⅱ836被保護層工作面在傾向下部保護范圍內(nèi)也存在類似的擴界現(xiàn)象。由表3可知，在傾向下部，保護角在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被保護層工作面在傾向下部的實際保護角為90°，與模擬結(jié)果一致。

德國哲學家海德格爾在《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被保護層工作面保護范圍的Flac 3D模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果均表明，上被保護層實際保護范圍在走向與傾向上均存在擴界現(xiàn)象。 Flac 3D模擬計算結(jié)果表明，Ⅱ836被保護層工作面在傾向和走向范圍內(nèi)的保護角均為90°?，F(xiàn)場實測結(jié)果表明，在走向與傾向下部90°保護角范圍內(nèi)保護效果有效，與模擬結(jié)果一致。