近距离保护层开采遗留煤柱应力集中区瓦斯赋存规律研究_王海东.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 近距离保护层开采遗留煤柱应力集中区 瓦斯赋存规律研究 王海东， 路丽刚， 孙鑫， 杨涛 （华北科技学院 安全工程学院， 北京 065201） 摘要 针对阳煤集团新景矿 9 号煤层 9106 工作面过 8 号煤层遗留煤柱的矿压显现规律， 采用 了理论分析、 数值模拟及现场实测相结合的方法， 首先建立了保护层力学模型， 获得了保护层力 学计算公式； 其次通过 FLAC3D数值模拟揭示了煤柱压煤区应力分布规律及影响范围； 最后进行 现场监测验证。结果表明 保护层开采完成时垂直应力状态以遗留煤柱为中心， 依次对称向两边 扩散， 距离遗留煤柱越远， 其扩散范围就越广， 遗留煤柱影响范围 33 m， 最大应力 38.6 MPa； 通 过现场实测煤层应力集中区及卸压区瓦斯钻屑指标， 得到钻屑瓦斯解吸指标 K1值、 钻屑量 S 值 与应力分布状态具有良好的相关性， 同时得出在近距离保护层开采情况下煤层瓦斯可以得到充 分释放。 关键词 保护层开采； 遗留煤柱； 数值模拟； 应力集中； 影响范围 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0199-07 Study on Gas Occurrence Law in Stress Concentration Zone of Remaining Coal Pillars in Close Protection WANG Haidong, LU Ligang, SUN Xin, YANG Tao （School of Safety Engineering, North China Institute of Science and Technology, Beijing 065201, China） Abstract According to the law of mine pressure appearance of No.9 coal seam 9106 working face passing through No.8 coal seam in Xinjing Mine of Yangmei Group, the combination of theoretical analysis, numerical simulation and field measurement is adopted, firstly, the mechanical model of protective layer is established, the mechanical calculation ula of protective layer is obtained; secondly, through FLAC3Dnumerical simulation, the stress distribution rule and influence range of coal pillar pressure area are revealed; finally, the field monitoring verification is carried out. The results show that the vertical stress state at the completion of protective layer mining is centered on the residual coal pillar, spreads to both sides in sequence; the further away from the remaining pillar, the wider its spread; the influence range of the remaining coal pillar is 33 m, the maximum stress value is 38.6 MPa; through actual measurement of the gas drilling cutting index in stress concentration zone and the pressure relief zone, the result shows that cuttings desorption index K1value, amount of cuttings S value and stress distribution state have good correlation, at the same time, it is concluded that the coal seam gas can be fully released under the condition of close protection seam mining. Key words protective layer mining; remaining coal pillar; numerical simulation; stress concentration; scope of influence DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.043 王海东， 路丽刚， 孙鑫， 等.近距离保护层开采遗留煤柱应力集中区瓦斯赋存规律研究 ［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （8） 199-205. WANG Haidong，LU Ligang，SUN Xin，et al. Study on Gas Occurrence Law in Stress Concentration Zone of Remaining Coal Pillars in Close Protection［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 199-205.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51974127） ； 中央高校基本 科研业务费资助项目 （3142018028， 3142018002） ； 华北科技学院科 技基金资助项目 （3142019038） 煤与瓦斯突出是指在地应力和瓦斯压力相互作 用下，在很短时间内煤和瓦斯由煤岩体内突然猛烈 地喷出到采掘空间的复杂动力现象[1-4]。 煤矿安全 199 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 18 号和 9 号煤层与煤柱之间关系图 Fig.1Relationship between No.8 and No.9 coal seams and coal pillars 表 18 号煤层、 9 号煤层瓦斯突出参数 Table 1Gas outburst parameters of No. 8 coal seam and No. 9 coal seam 煤层 瓦斯压力 p/MPa 瓦斯含量/ （m3 t-1） 坚固性系 数 f 瓦斯放散 初速度△p 煤层倾角/ （ ） 8 号 9 号 3.3 4.0 23.1 32.4 0.3 0.4 31 36 6～8 6～8 图 2遗留煤柱应力传递图 Fig.2Stress transfer diagram of legacy coal pillar 规程 明确规定“在煤与瓦斯突出矿井开采煤层群 时， 必须首先开采保护层。 开采保护层后， 在被保护层 中受到保护的区域按无突出危险煤层进行采掘工作， 未受到保护的区域， 必须采取防止突出危险措施” 。 由 此可见， 保护层开采技术已经广泛应用， 并被法规确 定及实践证明为防治煤与瓦斯突出危险的办法[5-10]。 上保护层对被保护层的卸压保护效果取决于保护层 与被保护层之间的层间距，层间距越小，被保护层 的保护卸压效果越好。然而被保护层卸压瓦斯涌入 的威胁对近距离保护层安全的开采工作面带来很大 困难及造成一定的安全隐患[11-15]。针对新景矿 9 号 煤层 9106 工作面过 8 号煤层遗留煤柱的矿压显现 规律，对遗留煤柱下方应力集中区瓦斯赋存规律进 行研究，分析近距离保护层开采遗留煤柱对的影响 范围并在此基础上建立数值模型，重点研究遗留煤 柱下的应力分布规律及对下煤层开采所形成的应力 集中影响，并进行了工程验证，通过分析煤柱压煤 区及卸压区的瓦斯钻屑指标，得到 K1值、 S 值与应 力分布状态具有良好的相关性，并且得到在近距离 保护层开采情况下煤层瓦斯可以得到充分释放。 1试验矿井概况 山西新景矿为突出矿井， 东西走向长 12.0 km， 南 北倾斜宽约 7.5 km， 面积为 64.7477 km2。主采 3、 8、 9、 15 号煤层， 煤层赋存稳定， 厚度变化不大， 8 号煤层 与 9 号煤层间距平均为 13 m， 8 号煤层直接顶为泥 岩、 砂质泥岩， 基本顶为中细粒砂岩 （K7） ， 底板为中 细粒砂岩， 局部相变为泥岩， 煤层厚度 1.65 m； 9 号 煤层直接顶为中细粒砂岩 （即 8 号煤层底板） ， 局部 相变为泥岩，底板为中粗粒砂岩，局部相变为粉砂 岩， 煤层厚度 1.99 m。 8 号和 9 号煤层与遗留煤柱之 间关系如图 1， 具体瓦斯突出参数见表 1。 2保护层力学模型 2.1遗留煤柱自身重应力 保护层遗留煤柱所受的应力主要由 2 部分组 成， 其中一部分是自身重应力， 另一部分是来自煤体 采空区传递的侧支承应力。 对于工作面宽度来说，遗留煤柱的宽度相对很 小，可认为遗留煤柱的应力呈均匀分布。由于遗留 煤柱下方的空间很大，其结构可假设为半平面体， 遗留煤柱应力传递图如图 2。 取煤柱下方中点为坐标原点， 垂直方向为 x 轴， 水平方向为 y 轴， 建立直角坐标系。 根据弹塑性力学 中知识，可求得遗留煤柱对被保护层传递下来的应 力。设任意一点 A （x， y） 在半平面体上， 在 CD 段距 坐标原点 O 为 ε 处， 取微小长度为 dε， 可求得应力 q 在点 A 处产生的应力值为 σx＝ 2 π a -a ∫ qx 3 x 2 （y-ε） 2 ［］ 2 dε σy＝ 2 π a -a ∫ qx （y-ε） 2 x 2 （y-ε） 2 ［］ 2 dε σxy＝ 2 π a -a ∫ qx 2 （y-ε） x 2 （y-ε） 2 ［］ 2 d ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ε （1） 200 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 3保护层残余支承压力分布图 Fig.3Residual support pressure distribution of protective layer 图 4保护层工作面始采线和采止线及煤柱的影响范围 Fig.4The influence range of the starting line, stoping line and coal pillar of the working face of the protective layer 式中 σx为垂直方向的应力； σy为水平方向的 应力； σxy为剪切方向的应力； q 为遗留煤柱上均布 压应力； a 为遗留煤柱边缘与遗留煤柱中心的距离。 将式 （1 ） 积分以后得到 σx＝- q π arctan y-a x -arctan ya x x （y-a） x 2 （y-a） 2 - x （ya） x 2 （ya） 2［］ σy＝- q π arctan y-a x -arctan ya x x （ya） x 2 （ya） 2 - x （y-a） x 2 （y-a） 2［］ τxy- qx 2 π 1 x 2 （ya） 2 - 1 x 2 （y-a） 2［］ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ （2） 根据式 （2） 可得， 在遗留煤柱受到应力一定的 前提下， 即 xH， 此时 σx值由水平坐标 y 决定。当 y0 时， σx为最大值 σx ［ ］ max σx［ ］ max 2q π （arctan a H Ha H 2 a 2） （3） 式中 H 为被保护层与遗留煤柱的垂直距离。 2.2保护层残余支承压力 除了遗留煤柱自重应力外，还存在遗留煤柱周 围采空区传递下来的残余支承压力，保护层残余支 承压力分布如图 3。 从图 3 可以看到， 距离遗留煤柱越近， 残余支承 压力越小， 因为保护带的存在。距离遗留煤柱远时， 残余支承压力开始升高。为了计算简便，可把采空 区应力变化看作线性增加。所以保护层残余支承压 力△σq可表示为 △σq - ρH′ l （ya） ，（-l-a≤y≤-a） -ρH′，（y≤-l-a ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■） （4） 式中 ρ 为上覆岩层热密度； H′为保护层平均埋 深， m； l 为煤柱对被保护层的影响范围， m。 此外被保护层煤体受到两煤层间的岩层自重应 力△σg的表达式为 △σg ρ （yb） tanα，（-b≤y≤ H tanα -b） ρH，（y≥ H tanα -b ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ） （5） 式中 b 为遗留煤柱中点与煤壁的水平距离； α 为岩层移动角。 综上分析得， 保护层力学模型 σj可表示为 σjσx△σq△σg（6） 3保护层沿走向方向保护范围的确定 为了更好的对遗留煤柱下方应力集中区瓦斯赋 存规律进行研究，下面针对保护层沿走向方向的保 护范围进行分析计算。 若保护层采煤工作面停采时间超过 3 个月， 且 卸压比较充分，则该保护层沿走向方向的保护范围 可按卸压角 δ556～60划定，保护层工作面始采线 和采止线及煤柱的影响范围如图 4。 保护层与被保护层之间的最大保护垂距可用式 （7 ） 、 式 （8 ） 计算确定[16] S1S′1β1β2（7） S2S′2β1β2（8） 式中 S1、 S2分别为下保护层和上保护层的最大 保护垂距； S′1、 S′2为下保护层和上保护层的理论最 大保护垂距， m； β1为保护层开采的影响系数； β2为 层间硬岩 （砂岩、 石灰岩） 含量系数。 保护层与被保护层之间的最大保护垂距见表 201 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 7开挖 500 m 时垂直应力图 Fig.7Vertical stress diagram at 500 m excavation 表 3岩体力学参数 Table 3Mechanical parameters of rock mass 煤岩层 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 密度 / （n m-3） 摩擦角 / （ ） 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 煤 泥岩 砂质泥岩 石灰岩 中粒砂岩 5.04 4.12 5.23 15.00 75.00 5.51 3.34 5.54 13.80 62.10 1 400 2 400 2 580 2 600 2 660 47.0 42.0 27.3 27.8 35.4 10.5 10.7 8.4 17.6 35.2 0.28 0.37 0.57 2.50 37.00 表 2保护层与被保护层之间的最大保护垂距 Table 2Maximum protection vertical distance between protective layer and protected layer 煤层类别 急倾斜煤层 缓倾斜和倾斜煤层 ＜60 ＜50 ＜80 ＜100 最大保护垂距/m 上保护层下保护层 图 5数值模拟力学模型 Fig.5Numerical simulation mechanical model 图 6初始平衡时垂直应力图 Fig.6Vertical stress diagram at initial equilibrium 2。根据表 2 规定， 上保护层开采时， 缓倾斜煤层下 部被保护层最大间距为 50 m， 所以 8 号煤层开采过 程中， 9 号煤层处于卸压区内。 选取卸压角为 60， 则 8 号煤层煤柱对 9 号煤层影响范围可以通过公式计 算得出 S1Htan30， 8 号煤层距 9 号煤层平均间距 为 13 m， 因此可计算得出遗留煤柱最大影响范围为 36 m， 8 号煤层遗留煤柱下方及两侧外延区域 5.5 m 区域为应力集中区域，影响范围根据上述公式计算 得出为 5.5 m， 所以可以得出大致的影响范围。 此影响范围是根据经验公式得出的，是否适用 符合新景矿的具体情况，根据新景矿覆岩结构情况 进行数值分析及现场试验验证。 4FLAC3D数值模拟 4.1模型建立 建立模型尺寸长 800 m， 宽 625 m， 高 400 m， 上 保护层 8 号煤层的高度为 1.65 m， 下保护层 9 号煤 层的高度为 1.99 m； 与上边界相距 202 m， 8 号煤层 与 9 号煤层间距为 13 m， 9 号煤层与下边界相距 198 m。根据模型建立方案， 设定保护层工作面宽为 150 m， 在工作面两端各留 25 m 煤柱。 所模拟煤层与围岩的岩体力学参数见表 3， 利 用弹塑性本构模型来进行计算，利用摩尔库仑定律 作为屈服准则， 数值模拟力学模型如图 5。 4.2数值模拟结果 初始平衡时垂直应力图如图 6。应力完全处于 平衡状态， 最大应力值为 17.5 MPa。开挖 500 m 时 垂直应力图如图 7。由图可见，以遗留煤柱为中心 线，开挖到 500 m 时垂直应力场呈均匀对称分布， 外观来看应力分布呈现 “马鞍型” ， 遗留煤柱下方及 边缘是煤岩层垂直应力聚集地，图中深蓝色为遗留 煤柱影响区域，遗留煤柱产生应力集中影响范围在 25～33 m， 包括遗留煤柱边缘， 其最大的影响范围为 33 m； 在遗留煤柱两侧是工作面开挖完成后的采空 区， 随着工作面开挖的进行， 煤层底板出现裂隙， 煤 体膨胀卸压产生变形， 基本顶破断， 煤层应力得到充 分释放， 从而煤层透气性逐渐升高， 最终得到降低突 出危险性的效果。 202 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 8开挖 500 m 时垂直应力变化曲线 Fig.8Curve of vertical stress at 500 m excavation 图 99106 工作面概况 Fig.99106 working face overview 图 10钻屑量 S 变化曲线 Fig.10Drilling cutting amount S change curves 开挖 500 m 时垂直应力变化曲线如图 8。从图 8 可以看出， 垂直应力状态以遗留煤柱为中心， 依次 对称向两边扩散，与遗留煤柱的距离越远，其扩散 的范围就越广，呈现先减小再升高的状态；在保护 层开采过程中， 当距开切眼 10 m 时， 对比初始平衡 时的垂直应力值，被保护层垂直应力有所上升， 随 着开采的距离不断推进，被保护层垂直应力逐渐降 低， 在距开切眼 37～88 m 阶段逐渐稳定， 卸压程度 和卸压范围都很大，说明在这个范围内保护层开采 效果最好，被保护层得到充分卸压，卸压采空区最 小垂直应力达到 0.3 MPa；继续开采到距离开切眼 126～157 m 范围内，此范围形成遗留煤柱的应力集 中区，采空区周围挤压使此影响范围应力急剧升 高， 最高垂直应力达到 38.6 MPa， 遗留煤柱边缘垂 直应力值达到 27.5 MPa，比初始平衡的应力值高 2 倍之多， 遗留煤柱的影响范围为 33m， 跟经验公式计 算的 36 m 基本一致。 5工程试验验证 为验证数值模拟结果，对模拟区域被保护层的 K1值、 S 值和瓦斯含量 W 进行现场测试。试验工作 面 9106 位于 8117 工作面和 8118 工作面下方， 9106 工作面概况如图 9。 在工作面推进 10、 30、 50 m 时进行测试，现场 利用直径为 42 mm 的钻头进行打钻， 分别取孔深 2、 4、 6、 8、 10 m 处煤样进行测试记录， 由于所测数据较 多，故测试数据取孔深为 6 m 和 10 m 处的数据进 行分析对比， 钻屑量 S、 钻屑解吸指标 K1、 瓦斯含量 W 变化曲线分别如图 10～图 12。 由图 10 可以得出，工作面推进到 10、 30、 50 m 时， S 值的变化趋势基本一样，都是随着距 9106 运 输巷的距离呈现升高，接近煤柱压煤区附近 S 值急 剧增大，到煤柱压煤区达到曲线的峰值，远离煤柱 压煤区又逐渐减下， 最后趋于稳定； 在图 10 （a） 中可 以看到， 煤柱压煤区为曲线的峰值， 受遗留煤柱的应 力集中影响， S 最大值为 3.67 kg/m，在卸压区观测 数据可看到， S 最小值为 2.18 kg/m，与最大值相比 降低 41； 在图 10 （b） 中可以看到， 煤柱压煤区为曲 线的峰值， 受遗留煤柱的应力集中影响， S 最大值为 3.78 kg/m，在卸压区观测数据可看到， S 最小值为 2.15 kg/m， 与最大值相比降低 43。 由图 11 可以得出， 工作面推进 10、 30、 50 m 时， K1值的变化趋势基本一样，都是随着距 9106 运输 203 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 12瓦斯含量 W 变化曲线 Fig.12Gas content W change curves 图 11钻屑解吸指标 K1变化曲线 Fig.11Drilling cuttings desorption index K1change curves 巷的距离呈现升高， 接近煤柱压煤区附近 K1值急剧 增大，到煤柱压煤区达到曲线的峰值，远离煤柱压 煤区又逐渐减下， 最后趋于稳定； 在图 11 （a） 中可以 看到，煤柱压煤区为曲线的峰值，受遗留煤柱的应 力集中影响， K1最大值为 0.435 mL/ （g min1/2） ， 由卸 压区观测数据可知， K1最小值为 0.208 mL/ （g min1/2） ， 与最大值相比降低 51％； 在图 11 （b） 中可以看到， 煤 柱压煤区为曲线的峰值，受遗留煤柱的应力集中影 响， K1最大值为 0.412 mL/ （g min1/2） ， 在卸压区观测 数据可看到， K1最小值为 0.217 mL/ （g min1/2） ， 与最 大值相比降低 46％。 由图 12 可以得出，随着距 9106 运输巷的距离 呈现升高，接近煤柱压煤区附近 W 有明显增大， 到 煤柱压煤区达到曲线的峰值，远离煤柱压煤区又逐 渐减下， W 曲线波动幅度较小， 在 5.16～5.88 m3/t 之 间， 在煤柱压煤区有微弱的变大， 但变化不明显。 综合上述分析得出， 随着保护层开采的完成， 遗 留煤柱对被保护层形成的应力集中影响，使被保护 层出现煤柱压煤区和卸压区，在煤柱压煤区所测数 据普遍偏高， 卸压区所测数据很明显偏低， S 值和 K1 值在煤柱压煤区及卸压区所测数据相差较大，相差 最大比例为 43％和 51％，而 W 则数据变化幅度不 大，从而得到 K1值、 S 值与应力分布状态具有良好 的相关性， W 与应力分布状态有微弱关系，由于本 次测试数据较少， 还有待研究。 6结论 1） 根据新景矿 8 号、 9 号煤层间距， 留设的煤柱 基础条件，根据经验公式，计算得到遗留煤柱最大 影响范围为 36 m， 8 号煤层留设煤柱下方及两侧外 延区域 5.5 m 区域为应力集中区域。 2） 利用 FLAC3D软件计算分析了保护层开采过 程中上覆岩煤层破坏损伤场及应力场的分布演化规 律， 得到了遗留煤柱影响范围为 33 m， 并且在煤柱 压煤区的应力值达到最大为 38.6 MPa。 3） 通过现场实测煤层应力集中区和卸压区瓦斯 钻屑指标和瓦斯含量 W，分析得到 K1值、 S 值与应 力分布状态具有良好的相关性，同时得出在近距离 保护层开采情况下煤层瓦斯可以得到充分释放， 瓦 斯含量 W 变化不明显， 测试数据较少， 还有待研究。 4） 保护层的开采在未来对煤矿 （无论是高瓦斯 矿井还是突出矿井） 而言， 都是煤矿安全有效开采的 必经之路， 但是在安全有效的前提下， 必须要调整好 保护层与被保护层之间的平衡关系，并且提出多种 合理有效措施来协调保护层开采以实现安全、高产 的目标， 达到对瓦斯的有效治理。 参考文献 ［1］ 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