高山矿近距离低透煤层上保护层开采底板卸压增透效应研究_刘雨涛.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 高山矿近距离低透煤层上保护层开采 底板卸压增透效应研究 刘雨涛 1， 信连凯2， 3， 谌志勇1 （1.贵州能发高山矿业有限公司， 贵州 毕节 551500； 2.中国矿业大学， 江苏 徐州 221116； 3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221116） 摘要 针对低透高瓦斯近距离煤层上保护层开采合理性问题， 以高山煤矿二采区 4 号和 9 号 煤层作为研究对象， 对上保护层开采后底板卸压增透效应进行研究。结果表明 保护层开采后， 底板卸压区域呈现为倒梯形， 卸压角度约为 65， 卸压竖直范围超过 50 m， 垂直应力由原始应力 7.1 MPa 降低到 3 MPa 左右， 平均卸压值为 3.6 MPa 左右， 卸压率平均为 60， 垂直应力的总体 变化趋势为 “降低-升高-稳定” ； 被保护层位移变化规律与垂直应力一致， 随保护层开采， 被保护 层竖直方向出现上升， 平均上升距离为 40 mm 左右， 最大位移出现在两侧， 为 53 mm 左右， 膨胀 率由两侧向中部逐渐升高， 并稳定在 7‰左右； 被保护层在距开切眼 50～270 m 范围内出现明显 的增透现象， 渗透率平均升高 70， 且增透范围呈现倒梯形分布。 关键词 低透煤层； 上保护层； 底板卸压； 膨胀变形； 煤层增透 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0032-06 Effect of Pressure Relief and Permeability Increase of Bottom Layer of Protective Layer in Low Permeability Coal Seam of Gaoshan Mine LIU Yutao1, XIN Liankai2,3, CHEN Zhiyong1 （1.Guizhou Nengfa Gaoshan Mining Co., Ltd., Bijie 551500, China;2.China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;3.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, Xuzhou 221116, China） Abstract In view of the rationality of the exploitation of the protective layer to the coal seam with low permeability and high gas, the 4th and 9th coal seams in the second mining area of Gaoshan Coal Mine are taken as research objects, and the effect of pressure relief and permeability increase of the bottom layer after mining of the upper protective layer is studied. The results show that after the protective layer is mined, the pressure relief area of the bottom plate is inverted trapezoidal, the pressure relief angle is about 65, the vertical pressure relief range is more than 50 m, the vertical stress is reduced from the original stress 7.1 MPa to about 3 MPa, and the average pressure relief value is around 3.6 MPa, the pressure relief rate is 60 on average, and the overall trend of vertical stress is “decrease -increase -stability” . The displacement change law of the protected layer is basically synchronized with the vertical stress change. As the protective layer is mined, the protective layer increases in the vertical direction. The average increase distance is about 40 mm, and the maximum displacement appears on both sides, about 53 mm. The expansion rate gradually increases from the sides to the middle and stabilizes at around 7‰. The protected layer showed obvious permeability increase in the range of 50 m to 270 m away from the open cut, the permeability increased by 70 on average, and the permeability increase range showed an inverted trapezoidal distribution. Key words low permeability coal seam; upper protective layer; bottom plate pressure relief; expansion deation; permeability enhancement DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.007 刘雨涛， 信连凯， 谌志勇.高山矿近距离低透煤层上保护层开采底板卸压增透效应研究 ［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （3） 32-37. LIU Yutao, XIN Liankai, CHEN Zhiyong. Effect of Pressure Relief and Permeability Increase of Bottom Lay- er of Protective Layer in Low Permeability Coal Seam of Gaoshan Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 32-37. 移动扫码阅读 32 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 开采保护层是防治煤与瓦斯突出最简单、最有 效、 最可靠、 使用最广泛的区域性措施， 通常在突出 矿井中开采煤层群时首先考虑保护层的开采[1-2]。保 护层开采后，原岩应力平衡遭到破坏，保护层周围 岩体及煤层出现应力降低等卸压现象，同时产生裂 隙，透气性增大，被保护煤层内瓦斯得以卸压、 解 吸，瓦斯压力及含量下降，进而消除瓦斯突出危险 性。因此， 被保护煤层的卸压增透效果， 是判断保护 层开采瓦斯治理合理性的关键问题之一[3-4]。针对保 护层开采的底板卸压效应，国内外学者分别从现场 实测、 理论分析、 数值模拟等角度进行了大量研究， 取得了一系列研究成果[5-12]。基于现有研究， 结合贵 州高山矿 4 号和 9 号近距离低透煤层条件，通过理 论分析、 数值模拟的研究方法， 从卸压、 膨胀变形、 渗透率变化 3 个方面分析其在上保护层开采条件下 的卸压增透情况，判断 4 煤作为上保护层开采的合 理性， 以期为高山矿安全生产提供借鉴。 1工程概况 高山煤矿二采区主采煤层为 4 号和 9 号煤层， 2 个煤层层间距平均 24 m， 为较近距离煤层。其中， 4 号煤层地面标高1 361.7～1 456.3 m，厚度 0.27～ 2.62 m， 平均厚度 1.77 m， 不含夹矸， 属全区可采、 稳 定煤层， 综合柱状图如图 1。 矿井各煤层瓦斯含量均较高， 据测定， 二采区内 4 号煤层瓦斯含量相对较低，不具有瓦斯突出危险 性； 9 号煤层瓦斯含量达 12.447 9 m3/t， 且透气性差， 瓦斯抽采难度大，有较高突出危险性。煤层突出危 险性单项指标测定结果见表 1。 根据矿井各煤层的赋存条件和特征，同时考虑 到保护层的开采不应对被保护层造成破坏，结合各 煤层相对位置关系以及煤层瓦斯含量和突出危险性 大小，可将没有瓦斯突出危险性的 4 号煤作为 9 号 煤的上保护层进行优先开采。 2上保护层开采底板破坏深度 开采保护层是有效防治煤与瓦斯突出的首选区 域性防突措施，其关键问题之一是矿井被保护层的 有效保护范围的划定。因此， 上保护层开采后， 其卸 压增透效果能否影响到被保护煤层，是影响保护层 开采瓦斯治理效果的主要因素之一。 随上保护层的推进与采空区的形成，采场周围 的应力将出现重新分布。研究表明，煤层开采后引 起的底板破坏范围，与开采范围及采空区范围内支 承应力的分布直接相关，一般可采用土力学中地基 的计算方法，根据塑性理论，极限平衡区分为 3 个 区， 支承压力形成的底板破坏深度如图 2[13]。 其中， 由塑性理论推导可知， 煤层开采时采场底 板破坏深度以对数螺线形式变化， 即图中曲线 ABC 所示， 其方程为 r＝r0eαtanφ（1） 式中 r 为以 O 为原点与 r0成 α 角处的螺线半 径， m； r0为 OA 长度， m； α 为 r 与 r0夹角， （） ； φ 为 内摩擦角，（） 。 推导可得底板破坏深度 D 的计算公式为 D＝r0eαtanφcos （α＋φ 2 －π 4 ）（2） 式中 D 为底板破坏深度， m。 煤层 破坏 类型 瓦斯放散 初速度△p/ mmHg 坚固 性系 数 f 瓦斯 压力 /MPa 煤层透气 性系数 / （m2 MPa-2 d-1） 孔隙度 / 4 号Ⅲ390.150.330.020 36 4.67～12.125 号Ⅲ170.500.50- 9 号Ⅳ310.330.800.008 09 图 1综合柱状图 Fig.1Geology columnar section 表 1煤层突出危险性单项指标测定结果 Table 1Coal seam outburst risk single index measurement results 注 1 mmHg133.322 4 Pa。 33 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 2支承压力形成的底板破坏深度 Fig.2Destruction depth of the bottom plate ed by the bearing pressure 取 dD/dα0，则底板最大破坏深度及最大破坏 深度水平位置分别为 Dmax＝ Lcosα＋φ 2 －π 4 2cosπ 4 ＋φ 2 e π 4 ＋φ 2 tanφ （3） α0＝ Lsinα＋φ 2 －π 4 2cosπ 4 ＋φ 2 e π 4 ＋φ 2 tanφ （4） 式中 Dmax为底板最大破坏深度， m； a0为底板最 大破坏深度距采空区边界距离， m； L 为极限平衡区 长度， m。 代入高山矿实际工程地质条件计算，得 Dmax 50.759 m， a027.149 m，即底板破坏深度达到 50.7 m， 位于距采空区边界 27.1 m 位置。 高山矿 4 号煤和 9 号煤间距为 24 m＜Dmax， 表明 4 号煤开采可以影响到 9 号煤。 由图 2 可知， 随采空 区增大，采空区内部逐渐被垮落的矸石填充，处于 应力降低区， 支承应力较小， 底板破坏深度从 a0处 向采空区中部逐渐减小。为判断保护层中部下方底 板破坏范围是否达到被保护层（即平均破坏深度＞ 24 m） ， 可根据 防治煤与瓦斯突出规定 中保护层 有效保护垂距进行判定。计算公式为[14] SupperS′upperβ1β2（5） 式中 Supper、 S′upper为上保护层实际、理论最大保 护垂距， m； β1为保护层开采的影响系数， 取 β11； β2 为层间硬岩 （砂岩、 石灰岩） 含量系数， 取 β21。 由高山矿地质资料得， 4 号煤为缓斜煤层， 工作 面长 140 m， 开采深度为 260 m， 查表得 S′upper76 m。 通过查表法得上保护层最大保护垂距 Supper＜45 m， 计 算得 Supper76 m。 4 号煤和 9 号煤层间距 24 m， 小于 45 m， 即 4号 煤开采后， 9 号煤整体范围均处于底板破坏范围内， 因此 4 号煤作为9 号煤的上保护层开采是合理的。 3底板卸压规律与增透效应 可知， 4 号煤作为 9 号煤的上保护层进行开采， 其底板影响范围可以达到被保护的 9 号煤，但具体 影响的程度，以及是否能够达到预计的卸压增透效 果， 还需要通过确定判定指标进一步分析。 为明确保护层开采后的具体影响情况，利用 FLAC3D数值模拟软件， 建立数值分析模型， 分别对 保护层开采后其底板应力分布及卸压情况、位移分 布情况， 及煤层增透效果 3 个方面进行分析研究， 并 以此为依据判断上保护层开采的增透效果，进而验 证该方法在高山矿实施的合理性。 3.1数值模型 以高山矿二采区 4 号、 9 号近距离煤层群为工 程地质条件， 通过 FLAC3D建立模型。FLAC3D数值计 算模型如图 3。为研究保护层开采过程中对被保护层 的影响， 总结底板卸压增透的变化规律， 模拟试验选 取 4 号煤工作面推进 80、 160、 240、 320 m 时底板被 保护层的应力、 位移及塑性变形情况进行详细分析。 3.2底板应力分布及卸压效果分析 3.2.1底板垂直应力分布 保护层开采后， 地应力产生重新分布， 其顶底板 一定范围内煤岩体原有的应力-应变状态随之改 变。为直观描述保护层开采对被保护层应力的降低 情况， 以走向垂直应力的变化特征为例， 在被保护层 顶板位置布置测点进行应力观测。不同推进距离下 被保护层垂直应力分布如图 4。 由图 4 可知， 当保护层回采后， 被保护层出现了 明显的卸压情况， 底板卸压区域呈现为倒梯形， 卸压 角度约为 65， 垂直应力的总体变化趋势为 “降低- 图 3FLAC3D数值计算模型 Fig.3FLAC3Dnumerical model 34 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 4被保护层垂直应力分布 Fig.4Vertical stress distribution of the protected layer 升高-稳定” 垂直应力在距采空区及煤壁距离 30 m 左右达到最小值，与前文计算所得 27.1 m 相近， 说 明模拟结果可较准确地描述实际情况，之后因支承 应力减小，垂直应力出现部分升高，并逐渐稳定在 一较低的应力值。保护层推进 80 m 时， 被保护层保 护层范围内出现应力降低，最低值出现在距开切眼 40 m 位置， 但未出现卸压稳定区； 保护层推进 160、 240、 320 m 时， 被保护层中部位置出现应力稳定区， 且应力值平均降低 3 MPa 左右， 稳定在 4 MPa。 3.2.2被保护煤层卸压效果分析 保护层开采可以对被保护层进行有效卸压。具 体卸压效果可以卸压率为判断指标， 计算公式为 ηs＝σ′z/ σz（6） 式中 ηs为卸压率； σ′z为卸压垂直应力， 为原始 垂直应力与卸压后垂直应力之差， MPa； σz为原始垂 直应力， MPa。 通过式 （6） 计算得到被保护层卸压率曲线， 被保 护层卸压率如图 5。 由图 5 可知， 当保护层推进 320 m 时， 被保护层 320 m 范围内均出现卸压现象，距开切眼及工作面 40 m 处卸压率最高， 达到 1.7， 向中部逐渐减小并稳 定在 0.6 左右， 被保护层平均应力下降了 60以上， 表明上保护层开采有很好的卸压效果。 3.3被保护层位移分布 对于同一推进距离， 被保护层由于煤厚的影响， 顶底板上升速度不协调， 产生位移差， 导致被保护层 整体出现体积膨胀， 煤层透气性增加。因此， 对被保 护层位移情况进行分析研究十分必要。保护层推进 过程中， 被保护层垂直位移分布如图 6。 从图 6 可以看到， 在保护层不同推进距离下， 被 保护层位移变化规律与垂直应力变化一致，均呈现 “降低-升高-稳定” 的变化趋势。随保护层开采， 被 保护层竖直方向出现上升，平均上升距离为 40 mm 左右， 最大位移出现在两侧， 为 53 mm 左右。 为研究被保护层的膨胀变形，监测保护层推进 320 m 时被保护层顶底板位移量，被保护层顶底板 垂直位移如图 7。 以膨胀率为判断指标， 描述其实际效果， 计算公 式为 图 5被保护层卸压率 Fig.5Pressure relief rate of the protected layer 图 7被保护层顶底板垂直位移 Fig.7Vertical displacement of roof and floor of the protected layer 图 6被保护层垂直位移分布 Fig.6Vertical displacement distribution of the protected layer 35 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 ζu/M（7） 式中 ζ为膨胀变形率， ‰， ζ＞0 说明膨胀变形， 反之为压缩变形； u 为被保护层顶底板相对位移量， mm； M 为被保护层厚度， mm。 由图 7 可知， 被保护层顶板位移大于底板位移， 差值为 20 mm 左右。 通过式 （7） 计算， 得到膨胀变形 率， 并绘制曲线， 被保护层膨胀变形率如图 8。 由图 8 可以看到，被保护层膨胀率由两侧向中 部逐渐升高， 并稳定在 7‰左右， ＞3‰， 满足 防治煤 与瓦斯突出规定对于保护层开采膨胀变形的要求， 因此可认为高山矿上保护层开采可以达预期效果。 3.4被保护层增透效果分析 由以上分析可知， 上保护层开采后， 被保护层出 现了明显的应力降低及膨胀变形，为煤层的增透及 瓦斯的解吸、流动提供了良好的条件。为描述被保 护层增透效果，通过对被保护层塑性区情况进行分 析，并选用增透率作为评价指标，引入基于平板流 体理论[15]推导的增透率公式进行计算 ω＝ k－k0 k0 ＝ k k0 －1＝ 1－ εV 3η0 （） 2 1－ εV η0 （） （1－εV） －1（8） 式中 ω 为增透率， 单位体积渗透率变化量， ； k0、 k为裂隙煤体的初始渗透率及某一状态的渗透 率， 10-15m2； εV为煤体体积应变（仅考虑膨胀变形， 负值） ； η0为初始孔隙度， 根据高山矿条件， 取 0.06。 计算得增透率曲线，被保护层增透率分布如图 9， 被保护层塑性破坏情况如图 10。 结合增透率曲线及保护层开采后底板塑性区分 布可知，被保护层开采后，受应力降低与膨胀变形 的双重影响，底板呈倒梯形塑性破坏，其中被保护 层范围表现为剪切-拉伸破坏，煤层内部原有裂隙 出现扩张， 同时产生新的穿层、 顺层裂隙， 为瓦斯的 解吸与流动提供了充足的空间，宏观表现为煤层渗 透率增加； 在发生塑性破坏的范围内， 渗透率迅速增 加，在被保护层在距开切眼 50～270 m 范围内出现 明显的增透现象， 增幅幅度为 50～80。 综上所述，高山矿二采区将 4 号煤作为 9 号煤 的上保护层进行开采，可使 9 号煤出现明显的应力 降低及膨胀变形， 进而增加其渗透率， 促进煤层瓦斯 的解吸及扩散， 是有效、 合理的区域瓦斯治理方法。 4结论 1） 通过理论计算得到将 4 煤作为保护层开采的 最大有效垂距为 50 m， 4 号、 9 号煤层间距为 24 m， 使用保护层开采的瓦斯治理方法是合理的。 2） 分析保护层底板及被保护层垂直应力分布 得底板卸压区域呈现为倒梯形，卸压角度约为 65， 卸压竖直范围超过 50 m， 在被保护煤层保护范 围内，平均卸压值为 3.6 MPa 左右，卸压率平均为 60， 卸压效果明显。从两侧向被保护层中部方向， 垂直应力的总体变化趋势为 “降低-升高-稳定” 。 3） 被保护层位移分析结果表明， 保护层不同推 进距离下，被保护层位移变化规律与垂直应力变化 一致。随保护层开采， 被保护层竖直方向出现上升， 平均上升距离为 40 mm 左右，最大位移出现在两 图 8被保护层膨胀变形率 Fig.8Expansion deation rate of the protected layer 图 9被保护层增透率分布 Fig.9The penetration rate distribution of the protected layer 图 10被保护层塑性破坏情况 Fig.10Plastic damage of the protected layer 36 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 侧， 为 53 mm 左右。 膨胀率由两侧向中部逐渐升高， 并稳定在 7‰左右， 满足相关规定要求。 4） 被保护层增透率计算结果表明， 被保护层在 距开切眼 50～270 m 范围内出现明显的增透现象， 渗透率平均升高了 70左右， 且增透范围呈现倒梯 形分布。 参考文献 ［1］ 袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体 系 ［J］ .煤炭学报， 2009， 34 （1） 1-8. ［2］ 周世宁， 林柏泉.煤层瓦斯赋存及流动规律 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 1998. ［3］ 徐东方， 覃佐亚， 旷裕光， 等.近距离煤层群上保护层 开采防突优化设计 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （11） 183. ［4］ 邵晶晶.谢一矿被保护层瓦斯运移规律及保护范围研 究 ［D］ .淮南 安徽理工大学， 2017. ［5］ 袁亮.低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2008， 27 （7） 1370-1379. ［6］ 胡国忠， 王宏图， 李晓红， 等.急倾斜俯伪斜上保护层 开采的卸压瓦斯抽采优化设计 ［J］ .煤炭学报， 2009， 34 （1） 9-14. ［7］ 胡国忠， 王宏图， 范晓刚， 等.急倾斜俯伪斜上保护层 保护范围的三维数值模拟 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2009， 28 （S1） 2845-2852. ［8］ 胡国忠， 王宏图， 袁志刚.保护层开采保护范围的极限 瓦斯压力判别准则 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （7） 1131. ［9］ 王宏图， 黄光利， 袁志刚， 等.急倾斜上保护层开采瓦 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