郭明功 ，李延河 ，宋大釗 ，楊 港 ，邱黎明 ,3 ，楊 乘

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467100；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.煉焦煤資源綠色開發(fā)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467002；4.貴州盤江煤電集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

煤炭是我國(guó)主體能源，隨著淺部煤炭資源的不斷枯竭，越來(lái)越多的礦井向深部轉(zhuǎn)移[1-4]。深部開采高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯壓力以及強(qiáng)擾動(dòng)的“四高一擾動(dòng)”復(fù)雜開采地質(zhì)條件[5-7]極易引發(fā)煤與瓦斯突出和強(qiáng)沖擊礦壓等復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害，嚴(yán)重制約了煤礦安全高效生產(chǎn)[8]。單一的走向順層鉆孔預(yù)抽瓦斯[7,9-10]或保護(hù)層開采抽采卸壓瓦斯[11-12]的治理效果已經(jīng)不能滿足掘采工作面卸壓消突的需求。在深部極近相鄰煤層工作面底板位置布置底抽巷對(duì)瓦斯治理是消除深部高瓦斯突出煤層群突出危險(xiǎn)性的1 種有效舉措[13-16]，底抽巷的掘進(jìn)能打破上覆煤層的初始狀態(tài)，產(chǎn)生局部的卸壓，有利于煤層中瓦斯的解吸。

近年來(lái)，學(xué)者們圍繞底抽巷的卸壓與抽采效果開展了較多的研究。蔣先統(tǒng)[17]展開了淺埋復(fù)合關(guān)鍵層工作面底抽巷布置研究；李永恩等[18]通過(guò)數(shù)值模擬與理論分析對(duì)深部承壓水上底抽巷圍巖破壞規(guī)律及合理位置進(jìn)行了研究；程志恒[19]對(duì)底抽巷鉆孔設(shè)計(jì)和封孔深度進(jìn)行了研究；劉志偉等[15]基于底板滑移線場(chǎng)理論，采用數(shù)值模擬計(jì)算底板破壞深度，確定了底抽巷的合理層位；楊隨木[13]采用FLAC3D軟件兼顧防變形破壞和防治水探討了底抽巷的合理布置層位；張建國(guó)等[7,10]開發(fā)了穿層鉆孔高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫增透防突技術(shù)，提高了瓦斯抽采效率；XU 等[20]分析了低抽巷不同尺寸及層位下煤層的應(yīng)力分布及變形特征，發(fā)現(xiàn)煤層卸壓區(qū)域隨底抽巷掘進(jìn)呈“條帶狀”分布；學(xué)者們?cè)诶玫壮橄镏卫砻簩油咚狗矫孢M(jìn)行了大量研究[14,21-22]，取得了顯著的成果。影響煤層卸壓效果最為主要的因素是底抽巷的布置層位，目前對(duì)于底板瓦斯抽放巷的設(shè)計(jì)主要是基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，缺乏底抽巷布置的效果考察。特別是深部極近距離煤層群開采的條件下，底抽巷的布置層位對(duì)上伏煤層的卸壓效果的研究較為缺乏。

為此，以平煤八礦深部極近距離煤層群工作面開采為研究背景，通過(guò)FLAC3D模擬研究了底抽巷不同布置層位下巷道圍巖塑性分布狀態(tài)的變化、上覆已15和己16-17煤層的應(yīng)力分布及變形特征；在兼顧安全性及經(jīng)濟(jì)性的條件下確定了底抽巷最優(yōu)的布置層位，并在平煤八礦已15-21050 工作面對(duì)瓦斯的治理效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證；研究結(jié)果為深部極近距離煤層群開采底抽巷最優(yōu)層位布置提供了理論依據(jù)，對(duì)于提高礦井瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)水平具有重要意義。

1 巷道采動(dòng)卸壓與煤體滲透率演化模型

采動(dòng)應(yīng)力對(duì)煤體的滲透率變化起著重要作用，由達(dá)西定律可知，流體流速與其所受到的壓力梯度成正相關(guān)性[23]，即：

式中：v為煤體內(nèi)瓦斯的流速，m/s；Q為面積為S的介質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的流量，m3/s；S為介質(zhì)的橫截面積，m2；K為滲透系數(shù)，m/s；J為水力坡度；dh為沿流動(dòng)方向的水頭差，m；ds為水頭差對(duì)應(yīng)的流程，m。

考慮到煤是1 種多孔介質(zhì)，應(yīng)將多孔介質(zhì)的物性影響與流體的性質(zhì)影響分開，因此得到了修正后的流體流速。

對(duì)于煤層的滲透率，中外學(xué)者已經(jīng)建立了多種演化模型。大部分模型均在單軸應(yīng)變假設(shè)下，基于氣固耦合作用下瓦斯運(yùn)移滲透率演化模型進(jìn)行了計(jì)算[23]。

式中：k0為煤層原始滲透率，m2； σ0為初始地應(yīng)力，MPa； σ為采動(dòng)應(yīng)力，MPa；p為煤層瓦斯壓力，MPa；p0為初始瓦斯壓力，MPa；M為約束軸向模量，取3.6 GPa； ?f為煤體初始孔隙率；E為煤的體積模量，取2 GPa； εl為極限吸附膨脹變形量；pL為吸附常數(shù)的倒數(shù)，MPa。

瓦斯抽采中煤體中的游離瓦斯主要以滲流的形式向鉆孔運(yùn)移，假設(shè)不考慮鉆孔對(duì)周圍煤體的擾動(dòng)作用，計(jì)算煤體內(nèi)卸壓瓦斯涌向鉆孔的運(yùn)移速度。聯(lián)立式(2)、式(3)，并進(jìn)行簡(jiǎn)化，由此得到式（4）：

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和查閱相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料得到的平頂山礦區(qū)己15煤層滲透率演化模型各參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 滲透率演化模型各參數(shù)值Table 1 Parameter values of permeability evolution model

根據(jù)平煤礦區(qū)己15 煤層的實(shí)際條件，設(shè)初始應(yīng)力值為20 MPa，瓦斯壓力為1.3 MPa。根據(jù)式(3)與式(4)可知，應(yīng)力集中區(qū)煤體應(yīng)力升高1 MPa 較初始應(yīng)力區(qū)煤體在裂隙率上最大降低約2.87%，滲透率最大降低約10.82%；卸壓區(qū)煤體應(yīng)力降低1 MPa 較初始應(yīng)力區(qū)煤體在裂隙率上最大升高約3.54%，滲透率最大升高約2.32%。

2 數(shù)值模型

2.1 工程背景

平煤八礦位于平頂山煤田的東部，礦井核定產(chǎn)能為405 萬(wàn)t/a，礦井主采煤層為丁5.6、戊9.10、己15、己16-17 煤層。目前二水平己一采區(qū)為礦井主采采區(qū)，己一采區(qū)己15、己16-17埋藏較深，開采深度為-800～-1 000 m，屬于深部開采煤層，且兩煤層相距極近，中間僅夾有1 層砂質(zhì)泥巖。

研究的工作面為己15-21050 工作面，該工作面區(qū)段標(biāo)高-715～-840 m，煤平均厚度3.5 m，煤層平均傾角12°。該工作面屬于深部煤層工作面開采，煤層瓦斯壓力2.4 MPa，瓦斯含量12 m3/t，工作面瓦斯壓力高，瓦斯含量大，突出危險(xiǎn)性高，瓦斯問(wèn)題是制約該工作面安全高效生產(chǎn)的主要難題。為消除工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，該工作面在掘進(jìn)期間采用底抽巷布置穿層鉆孔預(yù)抽機(jī)巷、風(fēng)巷條帶和工作面瓦斯，以保障掘進(jìn)期間生產(chǎn)安全。底抽巷聯(lián)合抽采示意圖如圖1。

圖1 底抽巷聯(lián)合抽采示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined drainage of bottom drainage roadway

2.2 數(shù)值模型

數(shù)值模型及開采設(shè)置如圖2，模型模擬設(shè)置的主要煤巖層的力學(xué)特性參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 數(shù)值模型及開采設(shè)置Fig.2 Numerical model and mining setup

表2 主要煤巖層的力學(xué)特性參數(shù)Table 2 Mechanical property parameters of main coal strata

數(shù)值模型根據(jù)己15-21050 工作面的實(shí)際地質(zhì)柱狀圖建立，模型傾角設(shè)置為12°，模型尺寸x×y×z=100 m×400 m×111 m。模型使用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，頂部根據(jù)實(shí)際埋深施加20 MPa 的等效載荷補(bǔ)償上覆巖層的壓力，在x方向施加初始應(yīng)力為26 MPa 的最大水平應(yīng)力，在y方向施加初始應(yīng)力為10 MPa 的最小水平應(yīng)力。最下部使用固定邊界固定節(jié)點(diǎn)在空間內(nèi)的移動(dòng)，其余面均使用滾支邊界，邊界上的節(jié)點(diǎn)只可沿邊界做二維的滾動(dòng)。

2.3 數(shù)值模擬方案

模型在己15和己16-17煤層中布置監(jiān)測(cè)線，初始計(jì)算平衡后，設(shè)置底抽巷開挖。底抽巷開挖位置位于己16-17 煤層下方巖層，設(shè)置底抽巷頂板與上方己16-17煤層之間的凈巖距離（下文簡(jiǎn)稱為凈巖距離）共6 組，分別為3、5、8、10、12、15 m，根據(jù)以往研究和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，巷道斷面尺寸根據(jù)礦井的實(shí)際條件設(shè)置為5 m（凈寬）×3 m（凈高）。為消除模型邊界的影響，每組在距離模型邊界100 m 處開始開挖，每次沿走向開挖5 m 模擬巷道掘進(jìn)過(guò)程，每組共開挖200 m。通過(guò)計(jì)算及數(shù)據(jù)后處理，分析底抽巷不同布置層位下巷道圍巖塑性分布狀態(tài)的變化、上覆已15 和己16-17 煤層的應(yīng)力分布及變形特征。

3 底抽巷采動(dòng)效應(yīng)模擬結(jié)果

3.1 不同垂距下煤層塑性區(qū)演化特征

模擬過(guò)程中，分別輸出凈巖距離3、5、8、10、12、15 m，開挖200 m 時(shí)地層的塑性區(qū)分布狀態(tài)剖面圖如圖3，巷道圍巖不同破壞類型塑性區(qū)面積如圖4。

圖3 不同凈巖距離下煤巖層的塑性狀態(tài)剖面云圖Fig.3 Plastic state profile diagrams of coal strata at different net rock distances

圖4 巷道圍巖不同破壞類型塑性區(qū)面積Fig.4 Plastic zone area of roadway surrounding rock with different failure types

由圖3 可知，凈巖距離為3、5 m 時(shí)，底抽巷的掘進(jìn)會(huì)引起正上方的己16-17煤層煤體發(fā)生塑性破壞，該區(qū)域煤體卸壓較為充分，裂隙充分溝通，對(duì)于瓦斯抽采有利，該區(qū)域己15 煤層煤體發(fā)生彈性變形，但未造成煤體破壞。但在底抽巷布置于該位置時(shí)，凈巖層中未發(fā)生塑性破壞的巖層分別為2、4 m，掘進(jìn)過(guò)程中與煤層間較容易產(chǎn)生裂隙溝通，且發(fā)生揭煤的危險(xiǎn)性較大。當(dāng)凈巖距離在8 m 以上時(shí)，己15、己16-17煤層未發(fā)生塑性破壞，底抽巷圍巖破壞較為嚴(yán)重。由于深部煤層應(yīng)力環(huán)境水平構(gòu)造應(yīng)力大于垂向重力，因此底抽巷的頂?shù)装鍏^(qū)域破壞較兩幫更為嚴(yán)重，但是凈巖層中未發(fā)生塑性破壞的巖層均在5 m 以上。

由圖4 可知，底抽巷掘進(jìn)巷道圍巖的塑性破壞有剪切破壞和拉張破壞2 種形式，以剪切破壞為主，且塑性破壞區(qū)的面積隨著凈巖距離的增大總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；當(dāng)凈巖距離在8、12 m時(shí)，受實(shí)際地層不同巖性的影響，底抽巷的底板和頂板位置產(chǎn)生了塑性拉張破壞，底抽巷掘進(jìn)引起的擾動(dòng)范圍擴(kuò)大，底抽巷的頂?shù)装搴蛢蓭褪芷茐牡姆秶兇?，可能?huì)增加巷道支護(hù)的難度及后期維護(hù)的成本。

3.2 不同垂距下煤層垂向應(yīng)力

模擬過(guò)程中，分別輸出凈巖距離3、5、8、10、12、15 m 時(shí)，地層及己16-17、己15 煤層垂向應(yīng)力分布狀態(tài)云圖如圖5。

圖5 不同凈巖距離下煤巖層應(yīng)力狀態(tài)剖面云圖Fig.5 Coal rock stress state profile diagrams at different net rock distances

由圖5 可知，當(dāng)凈巖距離為3 m 時(shí)，底抽巷頂板上方的煤巖體產(chǎn)生卸壓，卸壓區(qū)域一直延伸到己15煤層，底抽巷兩幫巖體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)到1.8 左右，在傾向方向上具有差異性，巷道兩側(cè)埋深越大，應(yīng)力集中程度越高；隨著凈巖距離不斷增加，底抽巷頂板上方的煤巖體產(chǎn)生的卸壓區(qū)域先增大后減小，凈巖距離為10 m 時(shí)斷面產(chǎn)生的卸壓區(qū)域最大，而巷道兩側(cè)的應(yīng)力集中程度相對(duì)降低，產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域面積增大。

不同凈巖距離下，底抽巷掘進(jìn)200 m 時(shí)己16-17煤層的應(yīng)力狀態(tài)云圖如圖6。

圖6 己16-17 煤層應(yīng)力云圖Fig.6 Stress diagrams of Ⅵ16-17 coal seam

由圖6 可知，當(dāng)凈巖距離為3 m 時(shí)，底抽巷上方己16-17 煤層的卸壓程度較大，底抽巷中部區(qū)域垂向應(yīng)力最低達(dá)到16.2 MPa，卸壓區(qū)域沿傾向方向上的卸壓區(qū)域基本不變，己16-17煤層在巷道兩幫埋深高的一側(cè)產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)；隨著凈巖距離不斷增加，在傾向方向上，底抽巷中部的卸壓程度逐漸下降，但是卸壓范圍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)凈巖距離為10 m 時(shí)，己16-17 煤層在走向方向上產(chǎn)生的卸壓區(qū)域最大，此后隨著凈巖距離不斷增大，己16-17煤層卸壓范圍又開始縮小。

凈巖距離3、5、8、10、12、15 m，開挖50、100、150、200 m 時(shí)，己16-17煤層的走向方向上和傾向方向上的垂向應(yīng)力曲線如圖7。

圖7 己16-17 煤層應(yīng)力曲線Fig.7 Stress curves of Ⅵ16-17 coal seam

由圖7（a）可知，當(dāng)凈巖距離為3 m 時(shí)，隨著底抽巷的不斷掘進(jìn)，己16-17煤層的產(chǎn)生卸壓的范圍不斷增大，底抽巷掘進(jìn)至200 m 時(shí)，走向方向上己16-17煤層最小垂向應(yīng)力為17.34 MPa，與初始地應(yīng)力21.6 MPa 相比，降低了24.42%；當(dāng)凈巖距離越來(lái)越大時(shí)，己16-17煤層的卸壓程度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，同一掘進(jìn)距離下卸壓范圍逐漸縮?。坏钱?dāng)凈巖距離為8 m 和10 m 時(shí)，己16-17 煤層的卸壓效果基本相同，造成這種現(xiàn)象的主要原因是不同巖層巖石性質(zhì)所帶來(lái)的卸壓效果不同。

由圖7（b）可知，當(dāng)凈巖距離為3 m 時(shí)，煤層傾向方向的垂向應(yīng)力最低為17.18 MPa，卸壓程度為25.7%，在底抽巷兩幫上方，己16-17煤層產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最高垂向應(yīng)力為22.13 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.25；當(dāng)凈巖距離不斷增大時(shí)，己16-17煤層的卸壓程度不斷降低，己15煤層的最大卸壓程度分別為25.7%、14.5%、8.3%、7.6%、6.2%和3.5%。

不同凈巖距離下，底抽巷掘進(jìn)200 m 時(shí)己16-17煤層的應(yīng)力狀態(tài)云圖如圖8。

圖8 己15 煤層應(yīng)力云圖Fig.8 Stress diagrams of Ⅵ16-17 coal seam

由圖8 可知，凈巖距離為3 m 時(shí)，底抽巷掘進(jìn)引起己15 煤層的卸壓效果最好，己15 煤層垂向應(yīng)力最低達(dá)到20.14 MPa。隨著底抽巷頂板與己15煤層的凈巖距離不斷增加，在傾向方向上，底抽巷中部的卸壓程度逐漸下降，但是卸壓范圍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)凈巖距離為10 m 時(shí)，己15煤層在走向方向上產(chǎn)生的卸壓區(qū)域最大，此后又開始縮??；當(dāng)凈巖距離為15 m 時(shí)，底抽巷掘進(jìn)200 m后，己15煤層在始采點(diǎn)的位置才開始出現(xiàn)明顯的卸壓，但是卸壓范圍極小，幾乎可以忽略不計(jì)。

不同凈巖距離下開挖50、100、150、200 m 時(shí)，己15煤層的走向方向和傾上的垂向應(yīng)力曲線如圖9。

圖9 己15 煤層應(yīng)力曲線Fig.9 Stress curves of Ⅵ15 coal seam

由圖9（a）可知，當(dāng)凈巖距離為3 m 時(shí)，開挖200 m 時(shí)，走向方向上己15 煤層最小垂向應(yīng)力為20.14 MPa，較原始地應(yīng)力降低了6.8%；當(dāng)凈巖距離越來(lái)越大時(shí)，己15煤層的卸壓程度逐漸降低，同一掘進(jìn)距離下卸壓范圍逐漸縮小，煤層卸壓出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。底抽巷的凈巖距離為8 m 和10 m 時(shí)，己15煤層的卸壓效果基本相同。

由圖9（b）可知，當(dāng)凈巖距離為3 m 時(shí)，煤層在傾向方向上的垂向應(yīng)力最低為20.1 MPa，卸壓程度為6.9%，在底抽巷兩幫上方的垂向應(yīng)力相較于原始地應(yīng)力略有升高，但幅度較小，基本可以忽略不計(jì)；當(dāng)凈巖距離不斷增大時(shí)，己15煤層的卸壓程度不斷降低，己15 煤層的最大卸壓程度分別為6.9%、5.6%、4.7%、4.6%、3.8%和2.3%。

綜上，凈巖距離為3、5 m 時(shí)底抽巷上方煤層受到采動(dòng)影響可以分為卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)；凈巖距離為8 m 以上時(shí)，上方煤層受到采動(dòng)影響可以分為卸壓區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

3.3 不同垂距下煤層膨脹變形量

己16-17 煤層膨脹變形量演化曲線如圖10。

圖10 己16-17 煤層膨脹變形量演化曲線Fig.10 Evolution curves of Ⅵ16-17 coal seam expansion deformation

由圖10（a）可知，走向方向上凈巖距離為3 m左右時(shí)，底抽巷掘進(jìn)會(huì)釋放卸壓空間，己16-17 煤層在走向方向上卸壓后產(chǎn)生膨脹變形，走向中部的位置相對(duì)膨脹變形量在3‰左右，隨著底抽巷的不斷掘進(jìn)，己16-17 煤層產(chǎn)生的卸壓區(qū)域越來(lái)越大，在底抽巷掘進(jìn)迎頭后50 m 區(qū)間內(nèi)未充分卸壓膨脹變形量略小于底抽巷走向中部位置；而在底抽巷始采點(diǎn)后方后和迎頭前方，由于應(yīng)力集中，己16-17 煤層煤體發(fā)生了壓縮變形，壓縮變形量在0.5‰左右。隨著凈巖距離不斷增大，己16-17 煤層的最大膨脹變形量在逐漸降低，最大膨脹變形量分別為3.08‰、1.83‰、1.44‰、1.29‰、0.79‰和0.46‰。

由圖10（b）可知，傾向方向上凈巖距離為3 m左右時(shí)，己16-17 煤層在底抽巷中部位置上的膨脹變形程度最高，最大膨脹變形量達(dá)到了3.06‰；隨著凈巖距離不斷增加，己16-17 煤層的膨脹變形程度逐漸降低，煤層采動(dòng)卸壓區(qū)逐漸增大，己16-17煤層產(chǎn)生膨脹變形的區(qū)域分別為巷道中心點(diǎn)兩側(cè)-4～3 m、-7～5 m、-13～14 m、-14～15 m、-16～14 m、-17～16 m；凈巖距離為3、5 m 時(shí)，巷道兩側(cè)己16-17煤層因應(yīng)力集中產(chǎn)生壓縮變形，壓縮變形范圍分別為巷道中心點(diǎn)兩側(cè)-15～-6 m、4～11 m、-11～-7 m、5～11 m。

己15煤層膨脹變形量曲線如圖11。

圖11 己15 煤層膨脹變形量曲線Fig.11 Evolution curves of Ⅵ15 coal seam expansion deformation

由圖11（a）可知，走向方向上凈巖距離為3 m左右時(shí)，己15煤層在走向方向上卸壓后產(chǎn)生膨脹變形，走向中部的位置相對(duì)膨脹變形量在1.7‰左右，隨著底抽巷的不斷掘進(jìn)，己15煤層產(chǎn)生的卸壓區(qū)域越來(lái)越大；在底抽巷始采點(diǎn)后方產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使得己15 煤層煤體發(fā)生了壓縮變形，壓縮變形量在0.3‰左右。隨著凈巖距離不斷增大，己15煤層的最大膨脹變形量在逐漸降低，最大膨脹變形量分別為1.74‰、1.73‰、1.29‰、1.23‰、0.86‰和0.69‰。

由圖11（b）可知，傾向方向上凈巖距離為5 m左右時(shí)，己15煤層在底抽巷中部位置上的膨脹變形程度最高，最大膨脹變形量達(dá)到了2.09‰；隨著底抽巷與己16-17 煤層間的凈巖距離不斷增加，己15煤層的膨脹變形程度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而底抽巷掘進(jìn)引起采動(dòng)卸壓的區(qū)域逐漸增加，己15煤層產(chǎn)生膨脹變形的區(qū)域分別為巷道中心點(diǎn)兩側(cè)-12～11 m、-15～10 m、-16～18 m、-15～18 m、-15～17 m、-15～16 m。

4 底抽巷最優(yōu)布置層位

4.1 最優(yōu)層位布置

由前文研究可知從增大煤層卸壓效果的角度考慮，底抽巷布置的位置距離煤層越近越好，但是上方煤層在底抽巷兩幫位置會(huì)產(chǎn)生大面積的應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力集中區(qū)使得瓦斯抽采更加困難。不同凈巖距離下的傾向方向的卸壓效果如圖12。

圖12 不同凈巖距離下的傾向方向的卸壓效果Fig.12 Stress relief effect of inclined direction at different net rock distances

由圖12 可知，底抽巷距離己16-17煤層越近，傾向方向上產(chǎn)生的卸壓范圍越??；當(dāng)凈巖距離為3、5 m時(shí)，煤層中會(huì)產(chǎn)生較大范圍的應(yīng)力集中區(qū)，而且由3.1 節(jié)可知，當(dāng)凈巖距離為3、5 m 時(shí)，底抽巷頂板上方巖層與己16-17 煤層發(fā)生大面積的塑性破壞，造成煤層與巖巷之間有裂隙溝通的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)凈巖距離為12、15 m 時(shí)，煤層的卸壓效果最弱，己15煤層的最大卸壓程度僅為3.8%，最大膨脹變形量?jī)H為0.46‰，在此層位下施工的鉆工長(zhǎng)度和擴(kuò)孔密度大大增加，造成極其昂貴的瓦斯治理成本。因此，為達(dá)到良好的煤層卸壓和瓦斯抽采防突效果并考慮經(jīng)濟(jì)因素，距離己16-17煤層8～10 m 為底抽巷最優(yōu)的布置層位。

4.2 煤巷合理布置位置

底抽巷掘進(jìn)對(duì)上覆煤巖層的應(yīng)力分布，裂隙發(fā)育有著很大的影響，不同的布置層位會(huì)導(dǎo)致煤層不同的卸壓效果和抽采效果。由于以往缺乏相關(guān)的研究，平煤礦區(qū)底抽巷的布置都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，這種方法在很大程度上無(wú)法充分利用底抽巷掘進(jìn)的采動(dòng)效應(yīng)，導(dǎo)致瓦斯的抽采效果差，抽采周期長(zhǎng)，甚至抽采無(wú)法達(dá)標(biāo)。因此，通過(guò)對(duì)不同層位下底抽巷的卸壓效果對(duì)比，綜合考慮安全問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)成本，得到了深部極近相鄰煤層底抽巷最優(yōu)的層位布置參數(shù)為與己16-17煤層保持凈巖距離8～10 m。

根據(jù)底抽巷掘進(jìn)上覆煤層應(yīng)力擾動(dòng)的特征，確定了上覆煤層巷道布置的合理位置。底抽巷掘進(jìn)上覆煤層擾動(dòng)示意圖如圖13。

圖13 底抽巷掘進(jìn)上覆煤層擾動(dòng)示意圖Fig.13 Disturbance diagram of overlying coal seam tunneling by bottom pumping roadway

由圖13 可知，底抽巷掘進(jìn)后，上覆煤層傾向應(yīng)力呈現(xiàn)了非均勻的分布狀態(tài)。底抽巷掘進(jìn)后，位于其正上方的位置卸壓效果最好，該區(qū)域煤體充分變形，裂隙溝通程度較高，瓦斯治理較為容易，同時(shí)垂向應(yīng)力相對(duì)較低，有利于后期煤巷的支護(hù)與維護(hù)，是布置煤巷的最佳位置；除此之外，以底抽巷中心點(diǎn)為原點(diǎn)，在兩側(cè)-5～17 m 的區(qū)間是布置煤巷的第二選擇；煤巷布置要避開離底抽巷下山方向-15 m 以外以及上山方向17～40 m 范圍的高應(yīng)力區(qū)。

4.3 工程應(yīng)用

在平煤八礦己15-21050 工作面機(jī)巷底抽巷施工過(guò)程中，機(jī)巷底抽巷頂板與己16-17煤層保持10 m左右的凈巖距離。己15-21050 機(jī)巷掘進(jìn)期間，沿機(jī)巷底抽巷施工268 組上向穿層鉆孔，每個(gè)鉆場(chǎng)施工10 個(gè)鉆孔為1 組，鉆孔布置方式如圖13，封孔后聯(lián)網(wǎng)抽放控制機(jī)巷卸壓范圍內(nèi)的混合瓦斯氣體。為了考察底抽巷在不同凈巖距離下煤層卸壓瓦斯預(yù)抽效果，選取了煤層褶曲附近的鉆場(chǎng)進(jìn)行瓦斯抽采濃度對(duì)比。

根據(jù)鉆孔記錄統(tǒng)計(jì)顯示，煤層褶曲附近底抽巷與己16-17煤層的凈巖距離達(dá)到了15 m，將該處鉆場(chǎng)與10 m 凈巖距離下的瓦斯抽采濃度進(jìn)行對(duì)比。不同底抽巷凈巖距離下鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)如圖14。

圖14 不同底抽巷凈巖距離下鉆場(chǎng)瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)Fig.14 Gas extraction concentration in drilling field with different distances

由圖14 可知，當(dāng)凈巖距離為10 m 時(shí)，鉆場(chǎng)的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為28.1%；當(dāng)凈巖距離為15 m 時(shí)，鉆場(chǎng)的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降為17.1%，證明底抽巷在該布置層位下取得了良好的抽采效果。另外，己15-21050 機(jī)巷掘進(jìn)期間的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了效果檢驗(yàn)，掘進(jìn)期間煤層殘余瓦斯壓力為0.37 MPa，煤層殘余瓦斯含量為4.27 m3/t，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界值0.6 MPa 和6 m3/t。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）底抽巷與己16-17煤層的凈巖距離越近，卸壓程度越高。凈巖距離為3、5 m 時(shí)底抽巷上方煤層受到采動(dòng)影響可以分為卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)凈巖距離為8～15 m 時(shí)，上方煤層受到采動(dòng)影響可以分為卸壓區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

2）隨著底抽巷與己16-17 煤層的凈巖距離不斷增加，底抽巷的四周的塑性區(qū)面積呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，平煤礦區(qū)較大的水平構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致底抽巷頂?shù)装鍏^(qū)域破壞較兩幫更為嚴(yán)重；凈巖距離越大，上覆煤層產(chǎn)生的卸壓區(qū)越大，最大膨脹變形量越低，當(dāng)凈巖距離高于10 m 時(shí)，卸壓區(qū)域的面積基本不變。

3）在綜合考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性的條件下，確定了底抽巷最優(yōu)的布置層位為凈巖距離為8～10 m；并根據(jù)底抽巷掘進(jìn)上覆煤層應(yīng)力擾動(dòng)的特征，確定了上覆煤巷布置的合理位置。應(yīng)用結(jié)果表明：底抽巷在該層位布置下結(jié)合上向穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，能夠有效消除深部極近距離煤層群掘進(jìn)工作面的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，保證了煤巷工作面的安全掘進(jìn)。