突出煤層采空區(qū)卸壓影響范圍確定研究

陳廣金，周禮杰，尚政杰，李軍校，王岳栩，張振立

(1.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100086；3.鄭煤集團(tuán)(河南)白坪煤業(yè)有限公司，河南 鄭州 452482；4.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司蘆溝煤礦，河南 鄭州 452373)

煤與瓦斯突出是礦井里最為致命的災(zāi)害之一，是由地應(yīng)力、煤和瓦斯三者的物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果[1-3]。根據(jù)諸多現(xiàn)場實踐得出，在采空區(qū)附近進(jìn)行采掘作業(yè)時，采空區(qū)卸壓影響范圍的大小和煤與瓦斯突出有直接的關(guān)系[4-7]。如何通過科學(xué)的考察分析確定出采空區(qū)卸壓影響范圍，并充分利用采空區(qū)對圍巖瓦斯進(jìn)行釋放和應(yīng)力的卸壓，從而提高該范圍內(nèi)采掘作業(yè)的安全性。

大量學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于采空區(qū)卸壓影響范圍及其相關(guān)的研究，在研究中使用到數(shù)值軟件模擬的研究方法是普遍被人認(rèn)可的，F(xiàn)LAC3D軟件模擬工作面的開挖過程，并分析出前方應(yīng)力的分布情況，從而確定各分區(qū)的范圍，且能取得較好的效果[8-12]；洛鋒、席杰、馬金魁、鄭吉玉、上官明磊等學(xué)者通過在現(xiàn)場進(jìn)行瓦斯壓力、瓦斯含量、采動應(yīng)力及煤體性質(zhì)的測試工作，能有效且真實的反應(yīng)出實測結(jié)果，對采空區(qū)卸壓影響范圍的獲取更加準(zhǔn)確[13-17]。李小琴[18]對采動卸壓空間分布特征進(jìn)行研究并得出采空區(qū)卸壓空間分布整體呈現(xiàn)近似“螃蟹形”，且開采煤層上部的采空區(qū)卸壓空間明顯大于下部；張明杰[19]通過測定鄰近采空區(qū)煤層內(nèi)殘存瓦斯含量、壓力并結(jié)合數(shù)值模擬的研究方法綜合確定礦井有效防突卸壓帶范圍；丁洋[20]采用物理相似模擬和理論分析對高突礦井采空區(qū)卸壓瓦斯富集區(qū)范圍進(jìn)行研究，有效控制了工作面瓦斯涌出。

綜上所述，如何確定合理有效的采空區(qū)卸壓影響范圍和煤巷條帶卸壓帶寬度是采礦工作者密切關(guān)注的問題，該問題的解決既可以做到減少巷道布置過程中不必要的礦井成本支出，又能在保證安全、消除瓦斯威脅的情況下提高掘進(jìn)效率，以解礦井采掘接替緊張的燃眉之急?；诖耍疚囊脏嵵菝禾抗I(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司白坪煤礦13091工作面及13111工作面為研究對象，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測的手段對其采空區(qū)卸壓影響范圍進(jìn)行研究，測定突出煤層回采工作面采空區(qū)卸壓影響范圍，確定卸壓煤巷條帶卸壓帶寬度，可以優(yōu)化新工作面臨采空區(qū)巷道的布置，以便在采空區(qū)卸壓范圍內(nèi)作業(yè)。

1 工程概況

白坪煤礦位于河南省登封市南部和大金店鄉(xiāng)和白坪鄉(xiāng)境內(nèi)，目前開采二1煤層，埋深為120～1100m，平均煤厚4.4m，該煤層井田面積23.54km2。礦井采用主斜井、副立井和斜風(fēng)井混合開拓、分區(qū)式通風(fēng)方式開采。礦井共布置5個采區(qū)，11采區(qū)已結(jié)束，生產(chǎn)采區(qū)為13采區(qū)、21采區(qū)，23采區(qū)為準(zhǔn)備采區(qū)，22采區(qū)為基本建設(shè)采區(qū)。白坪煤礦測試最大原始瓦斯含量為15.78m3/t，最大原始瓦斯壓力1.704MPa，二1煤層硬度系數(shù)f值為0.15，透氣性系數(shù)為0.0052～0.00616m2/(MPa2·d)，屬于典型的煤與瓦斯突出礦井。試驗工作面布置情況如圖1所示，工作面煤層賦存情況如圖2所示。

圖1 工作面布置情況

圖2 煤層賦存柱狀圖

2 卸壓影響范圍數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

以白坪煤礦實際地質(zhì)條件及礦井生產(chǎn)條件為背景，建立FLAC3D數(shù)值模擬模型，模型長300m，寬400m，高80m，模擬開挖13091工作面長度為200m，模擬推進(jìn)長度為200m，埋深約為630m，13091工作面一側(cè)留50m煤柱，另一側(cè)(13111放頂煤工作面)留150m。白坪煤礦二1煤層工作面開采煤層平均厚度約4.4m，模擬時按5m煤層厚度進(jìn)行模擬，煤層的平均傾角10°，模型中巖層簡化為水平，依據(jù)工作面具體的巖性組合特征，對計算模型范圍內(nèi)的巖層分層和概化處理，對物理、力學(xué)性質(zhì)相差不大、厚度較小的巖層進(jìn)行組合，模型上部邊界垂直應(yīng)力按深度575m、容重25kN/m3考慮，在模型上部施加垂直方向14.38MPa的載荷，代表上部巖體自重。模型煤巖層塊體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層塊體物理力學(xué)參數(shù)

模擬內(nèi)容為：①研究分析13091工作面回采前后，在工作面采空區(qū)一側(cè)區(qū)域(即13111工作面布置區(qū)域)的圍巖應(yīng)力、位移分布狀況；②研究分析在工作面采空區(qū)外側(cè)不同距離處的應(yīng)力變化情況，掌握不同區(qū)域地應(yīng)力變化和其距采空區(qū)距離的關(guān)系；③得出采空區(qū)一側(cè)卸壓帶的范圍。

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 測點布置

在13091工作面北側(cè)布置兩條測線，第一條測線距離工作面開切眼30m處，第二條測線距離工作面開切眼100m處，每條測線布置9個測點，測點布置及模擬開挖情況如圖3所示。第一個測點距離采空區(qū)10m，按10m間距依次類推后面八個測點，其分別距離采空區(qū)20m、30m、40m、50m、60m、70m、80m、90m，用于監(jiān)測測點處應(yīng)力、位移隨時間的變化狀況。

圖3 測點布置及模擬開挖情況

2.2.2 位移變化規(guī)律

模擬13091工作面開挖200m，隨煤開挖及時間的變化，得出兩條測線處模擬開采位移云圖如圖4所示。距采空區(qū)不同距離點垂直位移隨時間變化曲線如圖5所示。由圖4、圖5分析可知：

圖4 模擬開采位移分布(m)

圖5 距采空區(qū)不同距離點垂直位移隨時間變化曲線

1)1#測線和2#測線處位移隨時間變化的趨勢大體相同，均是在開挖初期位移量較小，然后在很短的時間內(nèi)位移量迅速增大，增大到某一固定值時停止增大，并隨著時間保持穩(wěn)定。這是由于在開挖初期，原巖應(yīng)力重新分布，隨著壓力的變化，巖體發(fā)生破壞、垮塌，位移就會突然在很短的時間內(nèi)增加，但后期隨著原巖應(yīng)力重新分布完成，位移量也就逐漸穩(wěn)定下來。

2)在兩條測線中還有一個共同點是10m處位移量最大，1#測線最大達(dá)到4mm，2#測線最大位移量達(dá)到了8mm，這是由于在這9個測點中10m是距離采空區(qū)最近的點，在煤層開挖后，原來在巷道上方的應(yīng)力會優(yōu)先轉(zhuǎn)移到距其最近的巖體上，距離采空區(qū)最近的巖體因此承受最大的應(yīng)力，同時該部分巖體也會最先發(fā)生破壞。還有在空間上優(yōu)先垮落也導(dǎo)致了距離開挖區(qū)域最近的區(qū)域位移量最大。

3)在兩條測線中發(fā)現(xiàn)，從30m開始往后的測點位移是向上變化的，這是由于煤層開挖后形成采空區(qū)，采空區(qū)上覆巖層垮落致使周圍巖體壓縮與膨脹；同時發(fā)現(xiàn)20m與30m測點的位移相差相同，由此可以推斷到25m處時的位移量為0，這是由于此處正好處于壓縮和膨脹平衡的一個點。

4)在70m左右的區(qū)域位移達(dá)到最小值，最后保持穩(wěn)定。這是因為距離采空區(qū)越遠(yuǎn)，開挖所轉(zhuǎn)移的應(yīng)力會變得越來越小，從而位移也會越來越小，最后恢復(fù)到原巖應(yīng)力，位移也將恢復(fù)到接近于0并保持穩(wěn)定。兩條測線的位移云圖形態(tài)一致，可互相驗證13091工作面開采后，采空區(qū)北側(cè)的位移狀況。

2.2.3 應(yīng)力變化規(guī)律

模擬13091工作面開挖200m，隨煤開挖及時間的變化，得出兩條測線處模擬開采垂直應(yīng)力分布如圖6所示。距采空區(qū)不同距離點垂直應(yīng)力隨時間變化曲線如圖7所示。由圖6、圖7分析可知：

圖6 模擬開采垂直應(yīng)力分布(Pa)

圖7 距采空區(qū)不同距離點垂直應(yīng)力隨時間變化曲線

1)垂直應(yīng)力隨著距采空區(qū)距離遠(yuǎn)近變化，先由小到大，后由大到小，再逐漸保持平穩(wěn)，到距采空區(qū)約8m時增加到一個較大的應(yīng)力值，隨后保持了穩(wěn)定。這是由于在13091采空區(qū)北側(cè)的煤巖體承受了由于開挖而轉(zhuǎn)移的應(yīng)力，因此在約8m處達(dá)到了一個應(yīng)力峰值，垂直應(yīng)力逐漸分配給周圍的巖體，直到分配應(yīng)力完成，達(dá)到原巖應(yīng)力保持了穩(wěn)定。

2)2#測線相應(yīng)云圖與1#測線云圖相比總體趨勢一致，垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)移到采空區(qū)的北側(cè)，這是由于靠采空區(qū)后方圍巖應(yīng)力使采空區(qū)與掘進(jìn)面之間的巖體由于多次擾動破壞了不能承受壓力，因此將應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移到掘進(jìn)工作面北側(cè)，從應(yīng)力數(shù)值上來看，2#測線應(yīng)力峰值也是高于1#測線的應(yīng)力峰值，驗證了前面論述的觀點，綜合觀察兩個圖線可得在最大垂直應(yīng)力超過巖體最大抗壓強度，導(dǎo)致在最大應(yīng)力之前區(qū)域的巖體產(chǎn)生裂隙并破壞，形成了卸壓帶。

3 煤體卸壓影響范圍研究

根據(jù)靠近采空區(qū)煤壁中瓦斯含量的變化，研究采空區(qū)瓦斯卸壓影響范圍。目前，13091工作面采空區(qū)已經(jīng)封閉，因此在13111工作面上巷道掘進(jìn)過程中，向13091工作面采空區(qū)傾斜下方的煤層布置鉆孔，測定煤層瓦斯含量。

3.1 測試鉆孔布置

13111工作面上巷道開口處從巷道前進(jìn)方向左幫布置3個鉆孔，從巷道向?qū)嶓w煤方向施工直徑為?94mm的鉆孔，分別于距離13091工作面采空區(qū)邊界為20m、30m、40m、50m、60m處采集煤樣，采用直接法測定其瓦斯含量，鉆孔布置如圖8所示。

圖8 瓦斯含量測試鉆孔布置情況

3.2 現(xiàn)場試驗結(jié)果與分析

通過在13111工作面上巷道施工的3個瓦斯含量測試鉆孔，分別采集煤樣測試了距13091采空區(qū)不同距離處的殘余瓦斯含量，相關(guān)測試結(jié)果見表2。

表2 13111工作面上巷道瓦斯含量實測結(jié)果

圖9 13111工作面上巷道不同測點瓦斯含量擬合曲線

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，繪制上巷道不同測點瓦斯含量如圖9所示。同時，對煤層瓦斯含量與距13091采空區(qū)的距離進(jìn)行擬合分析，如圖9所示。根據(jù)擬合結(jié)果可知，各鉆孔的煤層瓦斯含量與距采空區(qū)的距離之間存在如下關(guān)系：

對式(1)中的三個公式進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，3號孔的公式按照趨勢繼續(xù)下去得出一個平穩(wěn)較小的值，其余兩個公式最后得出的值均大于3號孔的公式，就最小原則進(jìn)行選取，選擇3號孔的公式用于二1煤層瓦斯含量與距采空區(qū)的距離之間的關(guān)系公式：

y=-0.66483+1.25261ln(x)

(2)

式中，y為煤層瓦斯含量，m3/t；x為距13091采空區(qū)的距離，m。

3.3 卸壓影響范圍的確定

13091工作面是13采區(qū)的首采工作面，根據(jù)白坪煤業(yè)13111上底抽巷掘進(jìn)過程中的瓦斯含量測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，13采區(qū)煤層的原始瓦斯含量為3.73～4.35m3/t。為最大程度保證礦井采掘安全，將3.73m3/t作為13111工作面上巷道區(qū)域的原始瓦斯含量。根據(jù)式(2)計算可知，當(dāng)測點距13091采空區(qū)25m時，煤層瓦斯含量應(yīng)為3.37m3/t；當(dāng)測點距13091采空區(qū)30m時，煤層瓦斯含量應(yīng)為3.60m3/t；當(dāng)測點距13091采空區(qū)33m時，煤層瓦斯含量應(yīng)為3.71m3/t；當(dāng)測點距13091采空區(qū)40m時，煤層瓦斯含量應(yīng)為3.96m3/t。

根據(jù)上述分析，當(dāng)煤層距13091采空區(qū)30m時，煤層瓦斯含量為3.60m3/t，未超過13采區(qū)煤層原始瓦斯含量3.73m3/t；而當(dāng)煤層距13091采空區(qū)33m時，煤層瓦斯含量為3.71m3/t，煤層瓦斯含量略低于13采區(qū)煤層原始瓦斯含量3.73m3/t。同時結(jié)合上文中的卸壓帶數(shù)值模擬結(jié)果，從最大程度保證礦井采掘安全出發(fā)，可以將距13091工作面采空區(qū)30m以內(nèi)的區(qū)域視作卸壓帶，距13091工作面采空區(qū)30～33m區(qū)域為過渡區(qū)域，距13091工作面采空區(qū)33m以外區(qū)域為原始區(qū)域。

4 結(jié) 論

1)通過對13091工作面采空區(qū)北側(cè)區(qū)域位移、應(yīng)力隨時間變化進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)13091工作面采空區(qū)的卸壓影響范圍應(yīng)當(dāng)在30m范圍內(nèi)。

2)根據(jù)井下瓦斯含量的實測結(jié)果，隨著煤層瓦斯參數(shù)測點與13091工作面采空區(qū)距離的接近，13111工作面實測煤層瓦斯含量呈逐漸減小趨勢。

3)根據(jù)數(shù)值模擬與井下實測瓦斯含量結(jié)果得出，距13091工作面采空區(qū)30m以內(nèi)為有效卸壓區(qū)域，距13091工作面采空區(qū)30～33m區(qū)域為過渡區(qū)域，距13091工作面采空區(qū)33m以外區(qū)域為原始區(qū)域。