主要内容

以内蒙古阿拉善百灵煤矿为例，采用FLAC3D数值模拟软件建立上下保护层开采的物理模型，分析上下保护层开采后被保护层及围岩的应力、裂隙分布和演化规律，从而精准判定上下保护层开采后卸压瓦斯富集区，以实现对卸压瓦斯的高效抽采。

1.  模型建立及参数确定

表  1  主采煤层特征参数

图  1  数值模拟计算模型

表  2  煤岩力学参数

2.  煤层群上下保护层开采围岩应力分布及演化规律

2.1   上下保护层开采围岩应力走向分布及演化规律

图  2  首采6号煤层后围岩垂直应力沿走向分布

图  3  次采2号煤层后围岩垂直应力沿走向分布

2.2   上下保护层开采围岩应力倾向分布及演化规律

图  4  工作面倾向方向围岩垂直应力分布

图  5  被保护煤层3号煤层沿倾斜方向垂直应力分布

受到6号煤层开采影响，沿煤层走向，采动应力卸压范围以工作面走向中线(图 5(a)中线GL)为轴基本对称，平面上呈“马蹄形”分布，在靠近工作面上侧，3号煤层出现应力增高现象，沿着倾斜向下方向，应力卸压程度逐渐降低。次采2号煤层后，靠近工作面上侧仍出现应力增高现象，但在靠近工作面下侧的卸压区域有增大趋势(图 5(b)中J区)。可以看出，2号煤层开采对3号煤层的卸压保护作用没有下保护层6号煤层开采对3号煤层的卸压保护作用大。

3.  煤层群上下保护层开采围岩裂隙分布及演化规律

图  6  保护层开采后走向垂直位移分布

图  7  保护层开采后倾向垂直位移分布

图  8  不同煤层开采后3号煤层沿倾向位移分布

为研究煤层群上下保护层对中间被保护层3号煤层开采的影响，分析了3号煤层直接顶(图 6中的AB线)垂直位移随工作面推进的变化情况，结果如图 9所示。

图  9  不同煤层开采后被保护层顶板位移变化

由图 9(a)可以看出，随着6号煤层的推进，3号煤层顶板下沉区域沿煤层走向不断扩大，在垂直方向上垂直位移越来越大，而随着上保护层2号煤层的推进，沿着煤层走向，2号煤层工作面采空区下部3号煤层顶板垂直位移在减小，说明3号煤层顶板随着2号煤层工作面推进沿走向一定范围出现底鼓，发生膨胀扩容。

将煤层变形0.3%作为是否起到卸压保护作用的判定指标，通过分析，初采和次采后被保护层顶底板离层位移、离层率如图 10所示。

图  10  不同煤层开采后被保护层顶板位移变化

4.  现场应用

上下保护层开采案例

百灵煤矿在1260集中运输巷和1320运输巷道中布置穿层钻孔抽采3号煤层的卸压瓦斯，钻孔走向间距为8 m，靠近10301运输巷道钻孔倾向间距为8 m，靠近10301回风巷一侧钻孔倾向间距为15 m，10301回风巷上下15 m内采用走向、倾向8 m间距的差异化钻孔布置方式，钻孔孔径为75 mm，采用“两堵一注”囊袋式封孔，有效封孔长度8 m。差异化钻孔布置如图 11所示。

图  11  被保护层差异化瓦斯抽采钻孔布置

卸压抽采钻孔在10601工作面回采前完成施工，选取运输巷走向与工作面开切眼距离分别为200、208、216 m(编号1#、2#、3#)的3组卸压钻孔，以及1#组钻孔中的13#、14#、15#钻孔(位于卸压区外)与16#、17#、18#钻孔(位于卸压区)的抽采参数进行统计、分析，卸压瓦斯抽采效果如图 12所示。

图  12  卸压瓦斯抽采效果

5. 结论

1) 首采下保护层后靠近工作面上侧覆岩卸压高度明显高于靠近工作面下侧的卸压高度，而在开采上保护层时，其靠近工作面下侧的卸压深度会大于靠近工作面上侧的卸压深度。上、下保护层的开采，有效降低了被保护层的应力，扩大了卸压范围。

2) 受上下保护层开采影响，位于2、6号煤层之间靠近工作面上端侧是卸压瓦斯富集区域。

3) 百灵煤矿6号煤层开采后，被保护层3号煤层倾斜上下边界卸压角为87°、72°，走向卸压角为63°；2号煤层开采后，被保护层3号煤层走向卸压角为59°，倾斜上下边界卸压角为76°、79°。

4) 卸压瓦斯抽采相比采前抽采瓦斯流量呈现10余倍的增加，但卸压瓦斯抽采存在显著的时空效应，瓦斯抽采可间接反映采动应力、裂隙分布及演化规律。