改造者：魏 偉 王宏圖，2 舒 才 施 峰

為了研究俯偽斜下保護(hù)層開采后的保護(hù)效果，對(duì)興隆煤礦俯偽斜下保護(hù)層開采被保護(hù)層的瓦斯壓力和瓦斯含量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，并采用COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬軟件對(duì)保護(hù)層開采后頂板法向膨脹變形量進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，俯偽斜下保護(hù)層開采后，被保護(hù)層保護(hù)范圍內(nèi)的最大殘余瓦斯壓力為0.25MPa，最大殘余瓦斯含量為5.7147 m3/t，均小于《防突規(guī)定》的臨界值；數(shù)值模擬的沿被保護(hù)層傾向上邊界的卸壓角為98°，下邊界的卸壓角為68°，大于《防突規(guī)定》劃定的保護(hù)范圍。因此，俯偽斜下保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層的保護(hù)效果顯著，能有效消除被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)。

大量研究表明開采保護(hù)層是最有效和最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域防突措施?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，礦井首次開采保護(hù)層時(shí)，必須進(jìn)行保護(hù)效果和保護(hù)范圍的考察。根據(jù)《防突規(guī)定》第51 條，保護(hù)層的保護(hù)效果檢驗(yàn)主要采用殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量、頂板位移量等方法。為了研究俯偽斜下保護(hù)層開采對(duì)被保護(hù)層的保護(hù)效果，本文通過(guò)對(duì)南桐礦區(qū)興隆煤礦俯偽斜下保護(hù)層開采后被保護(hù)層殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，并采用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件對(duì)下保護(hù)層開采引起被保護(hù)層的膨脹變形量進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，綜合分析了俯偽斜下保護(hù)層開采的保護(hù)效果。

試驗(yàn)礦井概況

南桐礦區(qū)興隆煤礦為新建礦井，現(xiàn)主要開采4#煤層和6#煤層，平均厚度分別為2.84 m 和0.93 m，層間間距為27.9 m，傾角為42°。礦井4#和6# 煤層均具有突出危險(xiǎn)性，選擇突出危險(xiǎn)性較小的6#煤層作為下保護(hù)層開采，4#煤層為被保護(hù)層。6#煤層保護(hù)層工作面采用俯偽斜布置，偽斜角為30o。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，礦井保護(hù)層工作面沿傾斜上、下山方向的卸壓角分別按90o、65o劃定；走向卸壓角按50o劃定。

現(xiàn)場(chǎng)論證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考察鉆孔布置

礦井在被保護(hù)層4# 煤層驗(yàn)證區(qū)域上邊界+327m～+350 m 采取了預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，同時(shí)走向邊界不具備現(xiàn)場(chǎng)考察條件，因此本次現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證只考察4#被保護(hù)層傾斜下邊界。驗(yàn)證鉆孔均布置在礦井的原有巷道內(nèi)，選擇位于被保護(hù)層4#煤層和保護(hù)層6#煤層之間的+300 m“1601S”抽放巷和+250 m“1601S”抽放巷內(nèi)布置測(cè)壓鉆孔。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)JS1～JS8 共八個(gè)鉆孔，實(shí)際施工JS3～JS8 六個(gè)鉆孔，鉆孔布置見圖1。所打鉆孔的方位均為垂直于煤層走向的正方位，并穿過(guò)煤層進(jìn)入頂板1.0 m。

測(cè)壓及封孔

根據(jù)此次現(xiàn)場(chǎng)條件，瓦斯壓力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定選擇被動(dòng)式測(cè)壓法。瓦斯檢驗(yàn)鉆孔施鉆結(jié)束后便立即進(jìn)行封孔。封孔方式采用馬麗散和水泥石膏漿機(jī)械封孔相結(jié)合的封孔方法。封孔結(jié)束24h 內(nèi)安裝壓力表，記錄壓力的變化規(guī)律。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

被保護(hù)層殘余瓦斯壓力測(cè)定

大量實(shí)踐表明，在防治煤與瓦斯突出和驗(yàn)證保護(hù)層開采后被保護(hù)層的保護(hù)效果中，瓦斯壓力是現(xiàn)場(chǎng)考察的最基本、最可靠的參數(shù)之一。在本次被保護(hù)層瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程中，JS6 和JS7 鉆孔壓力表?yè)p壞，未能測(cè)到有效壓力值，其他壓力表的測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

圖1 測(cè)壓鉆孔布置圖

表1 被保護(hù)層4#煤層殘余瓦斯壓力

表2 煤巖的物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)布置在被保護(hù)層4#煤層中的測(cè)壓鉆孔，可以得出4#煤層的瓦斯壓力隨保護(hù)層開采的變化規(guī)律（如圖2）。從圖2 可以看出，俯偽斜下保護(hù)層6#煤層工作面推過(guò)后被保護(hù)層4#煤層的卸壓效果非常明顯，最終測(cè)得的被保護(hù)層最大殘余瓦斯壓力值小于臨界值0.74 MPa，因此依據(jù)《防突規(guī)定》劃定的下邊界保護(hù)范圍安全可靠。

被保護(hù)層殘余瓦斯含量測(cè)定

煤層瓦斯含量測(cè)定可分間接測(cè)定法和直接測(cè)定法兩種，鑒于現(xiàn)場(chǎng)條件，本次測(cè)定采用直接法來(lái)測(cè)定被保護(hù)層4#煤層的殘余瓦斯含量，在4#煤層的保護(hù)范圍內(nèi)共取樣22 個(gè)，經(jīng)過(guò)測(cè)定，取樣點(diǎn)殘余瓦斯含量介于2.7972 m3/t 和5.7147 m3/t 之間，最大殘余瓦斯含量小于《防突規(guī)定》的臨界值8 m3/t，因此，考察區(qū)域內(nèi)殘余瓦斯含量達(dá)到《防突規(guī)定》的要求，有效地消除了被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)。

被保護(hù)層保護(hù)范圍數(shù)值模擬

模型的建立

圖2 被保護(hù)層4#煤層的瓦斯壓力變化規(guī)律

數(shù)值模擬采用COMSOL Multiphysics 軟件模擬6#保護(hù)層開采后被保護(hù)層4#煤層的保護(hù)范圍。假設(shè)開采區(qū)域沿煤層傾向的每一個(gè)橫截面煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、瓦斯性質(zhì)參數(shù)和圍巖應(yīng)力狀態(tài)等都是一致的，則可取沿工作面走向上的單位厚度剖面為平面計(jì)算模型，為盡量消除模型邊界效應(yīng)的影響，建立如圖3 所示的幾何模型，模型尺寸為280 m×252 m（長(zhǎng)×高），下保護(hù)層工作面垂高100 m，斜長(zhǎng)149.5 m。

數(shù)值計(jì)算的基本參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型中，保護(hù)層6#煤層、被保護(hù)層4#煤層和頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)特性參數(shù)見表2 所示。由于保護(hù)層6#煤層與被保護(hù)層4#煤層之間由幾層不同厚度的鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)頁(yè)巖和灰?guī)r組成，因此，可采用按厚度加權(quán)平均的方法求其近似的力學(xué)參數(shù)，以便于模型的計(jì)算。

模型的邊界條件

考察區(qū)域煤層平均埋深300 m，模型上邊界為巖層自重均布載荷，大小為7.5 MPa，邊界條件為自由邊界；模型的右邊界、左邊界和下邊界位移條件為X 和Y 方向的位移約束，為滾支邊界。

數(shù)值模擬結(jié)果及分析

（1）被保護(hù)層4#煤層傾向總位移規(guī)律。圖4 為保護(hù)層6#煤層開采后被保護(hù)層4#煤層沿傾向的總位移分布規(guī)律。由圖4 可以看出保護(hù)層開采后，原煤層頂?shù)装逯車拿簬r層開始向已形成的采空區(qū)進(jìn)行膨脹、移動(dòng)和變形，采空區(qū)中部區(qū)域的頂板巖層位移達(dá)到了最大值。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

圖4 被保護(hù)層4#煤層傾向位移云圖

圖5 被保護(hù)層4#煤層沿傾向的法向變形

圖6 被保護(hù)層4#煤層的保護(hù)范圍

（2）被保護(hù)層4#煤層保護(hù)范圍分析。根據(jù)《防突規(guī)定》，當(dāng)被保護(hù)層的法向膨脹變形大于3‰時(shí)，被保護(hù)層能得到有效保 護(hù)。圖5 為下保護(hù)層6#煤層開采后，被保護(hù)層4#煤層沿傾向的法向變形規(guī)律。由圖可知，在距保護(hù)層6#煤層采空區(qū)下 邊界垂高28 m～124 m 的范圍內(nèi)，被保護(hù)層4#煤層的法向變形量ε0 ≥3‰，對(duì)應(yīng)被保護(hù)層的上邊界卸壓角為98o，下邊界卸壓角為68o（如圖6），此保護(hù)范圍大于礦井依據(jù)《防突規(guī)定》劃定的4#煤層的保護(hù)范圍。數(shù)值模擬結(jié)果表明，礦井基于《防突規(guī)定》劃定的4#煤層保護(hù)范圍安全、可靠。

結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，被保護(hù)層驗(yàn)證區(qū)域的瓦斯壓力隨著保護(hù)層的開采下降明顯，殘余瓦斯壓力和參與瓦斯含量均小于《防突規(guī)定》的臨界值，說(shuō)明考察區(qū)域已經(jīng)得到充分保護(hù)，有效消除了被保護(hù)層4#煤層的突出危險(xiǎn)。

（2）采用數(shù)值模擬得到了俯偽斜下保護(hù)層沿傾上、下邊界的卸壓角分別為68°和98°，大于按照《防突規(guī)定》所劃定的保護(hù)范圍，因此現(xiàn)場(chǎng)劃定的保護(hù)范圍安全、可靠。

（3）采用數(shù)值模擬得到的俯偽斜下保護(hù)層的頂?shù)装鍘r層的變形、卸壓規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)具有一致性，數(shù)值模擬的結(jié)果可靠。