深部回采区段极近距离煤层的卸压消突响应范围

Response range of pressure relief and outburst elimination in extremely close distance coal seams of deep mining sections

摘要

为研究深部极近距离上覆煤层开采对下伏煤层卸压消突范围，确定掘巷位置，以平煤股份六矿为研究对象，采用压力拱与极限平衡分析方法，分析了卸压带与消突带分布及两者之间的关系。采用物理相似模拟试验，研究回采区段下方的极近距离煤层应力与变形系数的变化规律，确定极近距离煤层的卸压范围。采用数值模拟分析方法，考虑瓦斯抽采的影响，研究了回采区段下方极近距离煤层瓦斯压力的变化规律与消突范围。采用现场实测方法，测定了回采区段下方极近距离煤层的瓦斯含量（单位为m³/t)、瓦斯压力随回采距离的变化规律，综合确定了极近距离煤层的消突范围。研究结果表明：考虑井下抽采影响，戊_9-10煤层距戊₈-32030机巷13.95 m范围内为卸压带，30 m范围内为消突带。消突带一般位于卸压区与塑性变形区内，可超过卸压范围但不超出极限平衡范围。

Abstract

In order to study the range of pressure relief and outburst elimination of the underlying coal seam by the mining of the overlying coal seam with very close distance in the deep part, and to determine the location of the roadway, the No.6 Coal Mine of Pingdingshan Coal Industry Company Limited was taken as the research object. Based on the pressure arch theory and limit equilibrium analysis, the distribution patterns of the pressure-relief and outburst-prevention zones and their interrelationship were theoretically analyzed. Physical similarity simulation tests were conducted to examine the variations in stress and deformation coefficients of the extremely close underlying seam beneath the mined panel, thereby determining the pressure-relief range. Numerical simulations, considering the effect of gas drainage, were performed to study the variation of gas pressure and to delineate the outburst-prevention range. Field measurements of gas content(unit: m³/t) and gas pressure with increasing distance from the mined panel were carried out to comprehensively determine the actual outburst-prevention range. The results indicate that, under the influence of underground gas drainage, the Wu 9-10 seam within 13.95 m of the Wu 8-32030 roadway constitutes the pressure-relief zone, while the area within 30 m constitutes the outburst-prevention zone. The outburst-prevention zone generally lies within the pressure-relief and plastic deformation zones, may extend beyond the pressure-relief range, but does not exceed the limit equilibrium range.

Graphical abstract

关键词

极近距离煤层 / 卸压 / 消突 / 瓦斯 / 变形系数

Key words

extremely close coal seam / pressure relief / outburst elimination / gas / deformation coefficient

0 引言

煤炭是中国的主要能源，其安全、高效开采是矿业工程领域的重点研究方向^[1-3]。随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，越来越多的矿井转向深部开采，煤岩瓦斯复合动力灾害风险增加^[4-5]。在极近距离煤层开采过程中，由于煤层间距较小，层间应力集中与变形破坏问题尤为突出；若其中一层为突出煤层，则更容易诱发煤与瓦斯突出灾害，严重影响开采安全与效率^[6-8]。

学者对极近距离煤层开采的卸压和消突效果开展诸多研究。郭明功等^[9]研究表明，巷道正上方区域卸压效果最佳。针对近距离煤层开采下部煤层回采巷道布置难题，孔德中等^[10]研究了残留煤柱在底板的应力分布特征及巷道在非均布载荷下的破坏机理，发现煤柱两侧边缘形成应力降低区而正下方出现应力增高区，导致底板应力分布呈现显著非均匀性。侯建军等^[11]研究煤层群叠加开采对上覆岩层采动裂隙的演化特征，发现卸压区域外会形成较大应力集中，而卸压保护范围内的应力集中现象不明显，其应力峰值甚至低于煤层原始应力。赵灿等^[12]运用室内试验、数值模拟和现场试验，分析近距离煤层群下行开采的底板应力分布特征、卸压范围及钻孔瓦斯抽采布置方案。刘建高等^[13]阐明了薄煤层保护层开采的卸压机理，确定了薄煤层保护层开采对下邻近煤层的卸压保护范围及解放煤量。许鸣皋等^[14]采用UDEC软件建立近距离煤层群下向卸压开采模型，研究近距离煤层群上部煤层开采时对下部煤岩层产生的应力分布影响。李海涛等^[15]对保护层开采时底板卸压效果进行分析，研究结果表明，在2号煤层作为保护层开采的情况下，底板卸压深度可达20～36 m，大于“3号+4号”煤层与3号煤层之间的最大垂直距离。

目前，针对深部极近距离上覆煤层开采对下伏煤层卸压消突作用的研究较少，尤其是当两煤层间距小于5 m时，卸压与消突范围的合理确定问题更为突出^[16-18]。本文以平煤股份六矿为工程依托，采用理论分析、物理相似模拟试验与井下现场实测相结合的方法，研究深部回采区域下方的极近距离煤层的应力、变形系数、瓦斯含量与瓦斯压力的变化规律，分析卸压范围与消突范围的关系，确定消突范围，明确极近距离煤层开采的卸压消突作用机制。

1 近距离煤层开采卸压理论分析

随着工作面不断推进，采空区上覆岩层发生移动破坏，依次形成冒落带、裂隙带与弯曲下沉带。冒落带与裂隙带内岩体因破坏发生应力释放，形成低应力区。裂隙带外侧边缘区域的岩体完整性较好、承载能力较强，形成高应力区。在高低应力区的协同作用下，覆岩中形成类似拱形的承载结构（即压力拱），该结构承担上覆岩层载荷并将其传递至采空区两侧实体煤，对维持采场稳定性具有关键作用。随着采空区范围扩大，上覆岩层断裂范围扩展，应力向两侧转移集中，新的小型压力拱在更高层位形成，最终演化为统一的拱结构。结构示意见图1。

采空区覆岩运动稳定后，压力拱形态趋于稳定。在此过程中，采空区两侧实体煤所受的侧向支承压力及其影响范围随压力拱结构的发展而增大。拱顶因低应力状态可能发生离层或断裂。拱腰区域介于拱顶和拱脚之间，应力梯度变化显著。拱脚区域为高应力集中区，主要集中于采空区两侧的实体煤处，该区域的高应力易导致煤体或围岩发生塑性破坏，进而在其附近形成一定范围的卸压区。

设顶板岩层容重为γ，开采深度为H，比例常数为K，则侧向支承压力峰值可表示为KγH。当侧向支承压力峰值大于煤体的抗压强度σ时，煤壁发生塑性破坏，导致压力峰值向煤体深部转移。待采空区上覆岩层运动稳定后，支承压力峰值及其影响范围方能保持不变。一般而言，工作面侧向支承压力的大小受多种因素影响，如开采深度、煤岩体及顶板岩层的物理力学性质、采空区几何尺寸等。具体表现为：开采深度增加时，上覆岩层重量增大，侧向支承压力的影响范围随之扩大；顶板岩层硬度增大时，侧向支承压力的分布范围增大；采空区几何尺寸增大时，顶板岩层运动破坏程度加剧，进而导致侧向支承压力影响范围扩大。

上覆煤层开采后，在下位极近距离煤层侧向支承压力作用下，煤体垂直应力σ_y 随距离x增大呈负指数衰减，见图2。基于煤层破裂特征与应力分布规律，可将实体煤划分为4个区域：Ⅰ区为破裂区（应力释放区/卸压区）、Ⅱ区为塑性区、Ⅲ区为应力升高的弹性区、Ⅳ区为原始应力区。其中，Ⅰ区与Ⅱ区通常合称为极限平衡区，该区域是实施防突措施的潜在有效范围。

根据岩体极限平衡理论^[19]，结合图2得到极限平衡区宽度为

x_{\mathrm{0}}=\frac{m}{\mathrm{2}\xi f}\mathrm{l}\mathrm{n}\left[\frac{K_{\mathrm{d}}{\gamma }_{\mathrm{r}}{H}_{\mathrm{e}}+C\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}\phi }{\xi (P_{\mathrm{1}}+C\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}\phi )}\right]，（1）

式中：K_d为应力集中系数；H_e为煤层埋深，m；γ_r为煤层上覆岩层平均体积力，kN/m³；P₁为支护阻力，MPa；m为煤层开采厚度，m；C为煤体的黏聚力，MPa；φ为煤体的内摩擦角，°；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数；ξ为三轴应力系数，\xi =\left(\mathrm{1}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi \right){\left(\mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi \right)}^{-\mathrm{1}}。

当K_d=1时，由式（1）计算得出的x₀为卸压区宽度。

煤层的卸压消突范围受多种因素影响。现有理论模型未充分考虑时间因素（特别是煤岩体的蠕变效应），导致难以通过理论计算精确确定该范围。因此，工程实践中一般需结合现场地质与开采条件，采用物理模拟试验与现场监测相结合的方法来确定卸压消突范围。

2 研究区域工程地质及瓦斯概况

戊₈-32030工作面主采戊₈煤层的煤层厚度为0.2～3.0 m（平均2.0 m），倾角为0°～8°（平均3°），工作面切眼向外1 500 m范围内煤层含一层不稳定夹矸，厚度为0.1～1.2 m；其中外段400 m范围煤层无夹矸。局部受构造影响，煤层厚度变化显著。工作面走向长为2 050 m，倾斜长度为220 m，对应地表标高为150～210 m（地势东高西低），平均埋深为899 m。工作面井下位置位于三水平戊二采区东翼。其有效回采范围：东起三水平戊二采区上山保护煤柱，西至38号勘探线以西250 m；南邻戊₈-32010采空区，北接未采区；上覆戊_9-10煤层与下伏丁_5-6煤层均未采动，见图3。煤层直接顶为8.0 m厚砂质泥岩，基本顶为11.5 m厚中粒砂岩；直接底为砂质泥岩，厚度为1.0～13.0 m（平均7 m），岩性分布见图4。

戊₈-32030工作面测得戊₈煤层原始瓦斯压力最大为0.56 MPa，原始瓦斯含量最大为5.68 m³/t，煤体最高破坏类型为Ⅲ类，最小坚固性系数为0.67，最大瓦斯放散初速度为8.4 mL/s，综合判定戊₈煤层为非突出煤层。其下伏戊_9-10煤层原始瓦斯压力最大为1.33 MPa，原始瓦斯含量最大为4.47 m³/t，综合判定为突出煤层。

戊₈-32030工作面切眼向里300 m范围内，戊₈煤层与戊_9-10煤层的法向距离均小于5 m，属于极近距离煤层。在此法向间距小于5 m的特殊地质条件下，于煤与瓦斯突出煤层（戊_9-10煤层）中进行采掘作业时，煤岩瓦斯动力灾害危险性增加。根据《防治煤与瓦斯突出细则》规定，在距突出危险区（戊_9-10煤层）法向距离小于5 m的邻近煤层（戊₈煤层）或岩层内进行采掘作业前，必须对突出煤层（戊_9-10煤层）相应区域采取区域防突措施。

若两煤层法向间距足够小，可视为单一煤层时，上煤层（戊_9-10煤层）某一区段开采后，其采空区上覆岩层运动将对邻近下煤层（戊₈煤层）一定范围产生卸压消突作用。在此卸压消突区域内进行采掘作业时，可减少甚至免予采取防突措施。

3 物理相似模拟试验研究

3.1 物理相似模型建立

基于戊₈-32030工作面及其下伏极近距离戊_9-10煤层的地质赋存条件和煤岩层物理力学性质，建立物理相似模拟试验模型。模型两侧边界约束水平方向位移，底部为固定端，限制水平和垂直方向位移。模型尺寸为285 cm×30 cm×150 cm，几何相似比为1∶100，容重相似比为1∶1.5，应力相似比为1∶150，泊松比、应变相似常数为1。

模型骨料选用细砂，胶结料选用石灰和石膏。将骨料、胶结料与适量含柠檬酸钠缓凝剂的蒸馏水溶液搅拌均匀，按设计尺寸分层装填模型，并在岩层分界面处铺设云母片进行模拟。煤岩相似材料的配比依据其原型单向抗压强度确定，材料损耗系数取1.05，配比见表1。模型制备完成后，需进行标准养护。待养护至设计强度后，在模型顶部施加0.119 MPa的均布载荷，用以模拟上覆岩层的自重应力。

3.2 开采及监测方案

采用应力监测与数字散斑测量技术相结合的方法，分析戊₈-32030工作面回采过程中，其下伏极近距离戊_9-10煤层的应力分布与围岩变形演化规律。监测布置方案见图5。

在戊₈-32030工作面机巷巷帮正下方的戊_9-10煤层中布置监测点1，随后间隔5 m依次布置测点2至测点8，如图5（a）。各测点安装LY-350型微型压力盒，监测范围覆盖机巷巷帮右侧35 m区域。模拟开采按时间节点进行，每30 min推进3 cm。同步记录各测点应力数据，持续至试验结束。

设置11组变形系数监测点，如图5（b）所示。模型架上下两端布设两根定位标尺，并在模型四周布置编码点。采用内径为10 mm、外径为20 mm的非编码点粘贴在模型上。相邻非编码点上下间隔为5 cm，加密区水平间隔为5 cm，非加密区水平间隔为10 cm。在距离右侧边界60 cm处向左5 cm开挖机巷，在距离右侧巷道向左200 cm处再开挖5 cm的风巷，在巷道左侧预留5 cm的煤柱，再向左开挖一个约10 cm的采空区直至左侧边界。

3.3 采动影响下围岩裂隙扩展特征

回采过程中围岩裂隙的扩展特征见图6。可见，当戊₈-32030工作面回采60 m时，采空区顶板发生大规模垮落并呈现逐渐压实趋势。垮落带呈梯形发育，高度约5 m。垮落带上方岩层裂隙带扩展显著，范围持续增大。由图6（b）可见，当戊₈-32030工作面回采90 m时，采空区顶板垮落范围持续增大，层状裂隙开始出现贯通，并向上覆岩层及回采方向继续扩展，裂隙带发育较为显著。由图6（c）可见，回采150 m时，模型受到强烈采动的影响，整体有向前倾的失稳垮塌趋势，因此可在模型上方增加槽钢护板，以保持模型整体稳定。由图6（d）可见，回采200 m时，煤层已经全部开采完毕，为防止模型前倾失稳，在模型中部增设了第二道槽钢支护。当采空区覆岩稳定后，采空区右侧的煤岩出现裂隙，并与采空区上方裂隙贯通连接，下方的戊_9-10煤层也出现较小裂隙，这是应力释放的前兆。

3.4 回采后极近距离煤层应力变化规律

相似模拟试验中，戊_9-10煤层在未受采动影响时的初始垂直应力为21.07 MPa。随着戊₈-32030工作面的推进，戊_9-10煤层各应力监测点的垂直应力发生显著变化情况见图7。

测点1～测点3的应力随工作面推进先增大后减小。其中，测点1（位于戊₈-32030工作面机巷正下方）在回采完成后应力降幅最大，最终降至0.44 MPa。表明靠近戊₈-32030工作面的戊_9-10煤层测点先受到采动影响使应力增大，当煤体发生破坏后，应力向深部转移。最终测点1～测点3的应力分别为0.44 MPa、11.20 MPa和18.33 MPa，均低于回采前应力，处于卸压区范围内。

测点4和测点5应力变化与测点1～测点4的趋势相似，同样呈现“先增大后减小”的特征，但最终的垂直应力大于回采前的原始应力，说明测点4和测点5不在卸压范围内。距戊₈-32030工作面更远处的戊_9-10煤层测点6～测点8，垂直应力随戊₈-32030工作面的回采而缓慢增大，表明以上测点受戊₈-32030工作面的采动影响产生应力升高，而煤体并未发生破坏，仍然具有较高的强度，最终的应力分别为28.60 MPa、29.41 MPa、33.60 MPa，均高于回采前应力，属于极限平衡的塑性区范围。

戊_9-10煤层应力随距巷帮距离的变化见图8，可知在距戊₈-32030工作面机巷巷帮0～12.8 m内的垂直应力小于原始应力，说明距戊₈-32030工作面机巷巷帮12.8 m以内为卸压区域；而距戊₈-32030工作面机巷巷帮12.8～35.0 m内的垂直应力高于原始应力，为应力升高区，且在35.0 m处未见应力下降。根据矿压理论基础，可判断距戊₈-32030工作面机巷巷帮12.8～35.0 m内属于极限平衡塑性区。

3.5 回采后极近距离煤层变形系数变化规律

在卸压过程中，煤层因应力释放会产生弹塑性变形，进而引发煤体及其围岩的形态改变与位移。通常以3‰的变形系数作为煤层卸压变形量的判定标准，旨在确保煤层变形控制在合理范围内。基于此，采用3‰的煤层变形系数作为界定“卸压解吸带”范围的依据。

卸压前煤体主要以垂向受压变形为主，卸压后煤体也主要在垂向发生膨胀，因此煤层变形系数可近似为垂向变形系数，表示为

k\approx k_c=\frac{h{\mathrm{\text{'}}}_{n~n+\mathrm{1}}}{h_{n~n+\mathrm{1}}}-\mathrm{1}，（2）

式中：k_c 为煤体垂向的变形系数；h' _n~n+1卸压后两相邻点的距离，m；h_n~n+1为卸压前两相邻点的距离，m。

距戊₈-32030工作面机巷右侧52.5 m范围内的11组散斑测点变形系数的变化规律见图9。1组～3组监测点最终的变形系数分别为0.004 7、0.003 7、0.003 2，均大于3‰。4组～11组监测点最终的垂直变形系数分别为0.002 9、0.002 7、0.002 3、0.002 1、0.001 7、0.000 7、0.000 3、0，均小于3‰。可见，戊_9-10煤层变形系数随与戊₈-32030工作面距离的增大而逐步减小。

当戊_9-10煤层的变形系数取3‰时，该点与戊₈-32030工作面机巷巷帮的距离为15.1 m，表明距戊₈-32030工作面机巷巷帮15.1 m以内为卸压带。在此试验条件下散斑监测的卸压范围比应力监测大，其原因为：①散斑点在模型表面，易首先发生变形破坏，应比实际偏大；②压力盒布置没有散斑点密集，导致局部位置无法得到有效监测，只能通过有限的传感器进行估算。因此，卸压带范围可取卸压距离与消突范围的平均值，即13.95 m。

4 极近距离煤层消突带模拟分析

4.1 三维模型

根据现场的抽采方案，采用COMSOL数值模拟软件，建立煤层开采瓦斯渗流数值模型，根据岩性进行赋值，并设置边界条件，模型与材料属性见图10和表2。模型尺寸为500 m×400 m×150 m，共分16层。模型下表面设置为固定约束，四周设置法向位移约束，上表面设置为自由表面并施加20 MPa的均布载荷。

戊₈煤层工作面长度设为200 m，在戊₈-32030工作面不断回采的过程中，针对下方极近距离戊_9-10煤层的瓦斯压力变化监测方案见图11。

4.2 回采区段极近距离煤层瓦斯压力变化特征

随着戊₈-32030工作面不断回采，戊_9-10煤层瓦斯压力发生变化，因此可通过戊_9-10煤层瓦斯压力变化得到其瓦斯消突范围，小于0.74 MPa的区域为消突带。未抽采条件下瓦斯压力变化特征见图12。

由图12可知，未进行瓦斯抽采时，当戊₈-32030工作面回采290 m后，戊_9-10煤层瓦斯消突范围最大值为16.7 m，高于物理模拟试验的卸压范围，与理论分析一致。但戊_9-10煤层瓦斯消突范围受瓦斯压强差影响程度较大，高瓦斯压力区内瓦斯向低瓦斯压力区转移，导致回采过后的区域瓦斯压力回升，且逐渐趋近原始瓦斯压力。

抽采条件下瓦斯压力变化特征见图13，可知，当戊₈-32030工作面推进至290 m时，戊_9-10煤层瓦斯压力趋于稳定，此时测得的瓦斯消突范围最大值为37.2 m（以机巷巷帮为基准）。该范围内瓦斯压力均低于临界值，此结果与实测数据吻合。

5 回采区段戊_9-10煤层消突带现场测定

5.1 现场测试方案

在戊₈-32030工作面高位巷布置3个测点，各测点同时进行瓦斯压力与瓦斯含量测定。测点1距切眼365 m，测点2距切眼235 m，测点3距切眼85 m。每个测点布置3个测孔。钻孔布置情况见图14，各测点钻孔参数见表3。

5.2 回采区段戊_9-10煤层瓦斯含量变化特征

回采后各测点的瓦斯含量见图15。由图15可见，戊₈-32030工作面回采后极近距离戊_9-10煤层的测点1、测点2和测点3的瓦斯含量随与巷帮距离的增加而增大，且小于原始瓦斯含量，增加幅度有明显差异。如测点1在25 m以前瓦斯含量加速增长，25～30 m内增长速率变缓；测点2的瓦斯含量与巷帮距离呈线性增加关系；测点3在25 m以前瓦斯含量缓慢增加，25～30 m范围内增长速率加快。以上说明，从瓦斯含量角度来看，极近距离戊_9-10煤层距戊₈-32030机巷巷帮水平距离30 m范围内属于消突带，与数值模拟结果一致。

5.3 回采区段戊_9-10煤层瓦斯压力变化特征

回采后戊_9-10煤层各测点的瓦斯压力见图16，在戊₈-32030工作面回采前，戊_9-10煤层测点1、测点2和测点3的瓦斯压力分别为0.76 MPa、0.32 MPa和0.6 MPa。回采后，在极近距离煤层条件下，各测点的瓦斯压力随与巷帮距离的增加而上升，且均低于原始瓦斯压力，这一变化特征与瓦斯含量的整体变化规律一致。其中，测点1和测点2在20～25 m内瓦斯压力缓慢增加，25～30 m内瓦斯压力增长速率加快；测点3的瓦斯压力变化规律与前两个测点相反。

通过对回采前后瓦斯压力变化特征的对比分析可知，受戊₈-32030工作面采动影响，极近距离戊_9-10煤层在距戊₈-32030机巷巷帮30 m范围内的瓦斯压力显著降低。基于瓦斯压力变化特征分析，可将极近距离戊_9-10煤层距戊₈-32030机巷巷帮水平30 m范围界定为消突带。由于戊₈煤层开采期间，戊_9-10煤层持续处于瓦斯抽采状态，该消突带范围过大。数值模拟结果进一步验证了现场实测数据的准确性。

6 结论

（1）由理论分析可知，当上覆煤层回采后，在与下方间距小于5 m的极近距离煤层之间，形成一定范围的卸压带与消突带。其中，消突带通常分布于卸压区与塑性变形区的重叠范围内，即卸压带必然属于消突带的组成部分，而消突带的实际分布范围可能超出卸压带区域，且该区域处于煤层的极限平衡状态范围内。

（2）通过物理相似模拟试验对回采区段下方极近距离煤层的应力与变形系数进行监测，结果分析表明：应力监测数据相对保守，而散斑监测获得的变形系数略高。取两种监测方法结果的平均值作为判定依据，确定回采区段下方极近距离戊_9-10煤层在距戊₈-32030机巷13.95 m范围内为卸压带。

（3）现场测试与数值模拟分析结果表明，煤层瓦斯抽采对瓦斯压力具有显著影响。在极近距离戊_9-10煤层中，距戊₈-32030机巷巷帮30 m范围内属于有效消突带。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52374205)