下保护层开采卸压保护范围及可行性分析魏建平1，李鹏1，王登科1，李波2（1．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作4540002．中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）摘要：基于有限差分计算方法，对李雅庄矿下保护层开采进行数值模拟分析，得出下保护层开采时被保护层应力分布、变形规律及卸压保护范围等，同时借助模拟结果，运用有效隔水层突水系数法对下保护层突水危险性区域进行划分，并对保护层开采可行性进行分析判断。
结果表明，下保护层开采后卸压保护层角为50ʎ左右，下保护层开采不可行。
关键词：保护层开采；保护范围；突水；可行性中图分类号：TD745文献标志码：A文章编号：1003－496X（2012）10－0158－03Analysis of Pressure－relief Protective Range and Feasibility of Under－protecting Coal Stratum MiningWEI Jian－ping1，LI Peng1，WANG Deng－ke1，LI Bo2（1．School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo454000，China；2．School of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing100083，China）Abstract：Based on finite difference method，the numerical simulation analysis on under－protecting coal stratum in Liyazhuang mine is carried out，the stress distribution，deformation laws and pressure－relief protective range of protected coal seam are achieved．Mean-while，according to the simulation results，using water inrush coefficient method of effective waterproof layer to divide water inrush risky area of under－protecting coal stratum，the feasibility of protective coal seam mining is analyzed and judged．The results show that the under－protecting coal stratum is not feasible when the pressure－relief protective angle reaches up to about50ʎafter mining under－protecting coal seam．Key words：protective layer mining；protection range；water inrush；feasibility《煤矿安全规程》［1］规定：“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层防治突出措施”。
长期理论研究和开采实践表明，开采保护层是有效地防治煤与瓦斯突出的区域性措施之一［2－4］。
山西焦煤集团霍州煤电李雅庄煤矿主采2#煤层，实测最大瓦斯含量为7．2m3/t，最大瓦斯压力为0．72MPa，进入深部开采以来由于矿压较大，出现了煤炮、喷孔、夹钻、卡钻和吸钻等煤与瓦斯突出等动力特征，严重威胁了矿井的安全生产和接替工作。
李雅庄煤矿下部有5#煤层和6#煤层，距离上部现采1#、2#煤层30m左右，特别是6#煤层平均厚度1．25 m，具备很好的保护层开采条件，若能够采用下保护层开采，对防治煤岩动力灾害和瓦斯治理都将提供最原始的保障。
1下保护层开采卸压保护范围采用FLAC3D对下保护层开采进行数值模拟。
1．1数值模型的建立及参数选取为了得到较为真实的模拟，综合考虑了整个矿区的地形、断层、岩层和6#煤层的开采等多种因素，数值模拟的主要对象确定为六采区，模拟范围为：x 方向共4338m，y方向共4863m，z方向由6#煤层底板标高以下568m至标高+542．62m平面。
同时考虑到断层的影响，模型中设置了F10和F142个断层。
建立的数值模型共分为533070个单元，91735个结点。
所建三维数值模型与网格如图1。
图1三维模型网格图1．2边界条件及开采方案固定模型的左、右边界和下边界，同时考虑到模·851·（第43卷第10期）分析·探讨型的上部边界位于地表下面一段距离，计算得到上部边界所加载荷为8．6975MPa 。
模拟计算所取工作面的走向长度为800m ，倾向长度为240m ，工作面采用走向长壁后退式开采方法，对工作面分别开挖200、400、600、800m ；考虑到保护层开采的安全性，将防水煤柱宽度设置为120m ，此时工作面距2个断层距离均为120m 。
1．3模拟结果分析1．3．1被保护层应力分布规律为了更好地分析被保护层的应力分布规律，对采空区及其两端区域对应的2#煤层内最大主应力进行了监测，监测结果如图2，其中横坐标表示工作面走向相对位置，0m 为开切眼位置，200、400、600、800m 对应着不同推进距离时的停采线位置，监测区域为－80 880m。
图2被保护层最大主应力沿走向分布特征曲线图由图2可知：1）2#煤层卸压区域随着6#煤层推进距离的增大而增大；2#煤层的最大主应力沿走向依次经历应力集中区、应力卸压区、应力集中区3个阶段，变化趋势呈现基本对称分布的规律。
2）采空区中部上方区域最大主应力显现为拉应力，说明该区域煤层受到拉应力的作用，有利于裂隙的产生，即有利于透气性的提高；而采空区两端出现应力集中，说明该处的煤层透气性会降低。
采空区上方卸压区内有的最大主应力值为0，说明该位置已经充分卸压。
1．3．2被保护层变形分布规律《防治煤与瓦斯突出规定》中规定：“突出矿井首次开采某个保护层时，应当对被保护层进行区域措施效果检验及保护范围的实际考察。
如果被保护层的最大膨胀变形量＞3ɢ，则检验和考察结果可适用于其他区域的同一保护层和被保护层；否则，应当对每个预计的被保护区域进行区域措施效果检验［5］。
”可见，3ɢ的被保护层最大膨胀变形量可作为衡量保护层保护效果的临界指标。
通过对2#煤层顶底板垂直位移数据的处理，可以得到2#煤层的变形量沿走向随6#煤层工作面推进的变化规律，如图3。
图32#煤层变形量沿走向随6#煤层推进不同距离变化趋势图从图3可以看出：1）随着工作面推进距离的增大，被保护煤层发生膨胀变形的区域逐渐增大，被保护层最大膨胀变形量有增大趋势，但采空区中部部分膨胀变形量略有变小的趋势，主要是由于随着开采距离的增大，上覆岩层不断垮落，膨胀变形区域内被保护层的最大主应力虽然表现为拉应力，但是有所恢复，煤层的膨胀变形逐渐减小，达到一定值后趋于稳定；最大膨胀变形出现在采空区中上部。
2）在采空区外侧一定范围内，应力集中区域内煤层表现为压缩变形，最大压缩变形量约为工作面推进800m 时的0．006709m 。
3）随着保护层工作面向前推进，被保护煤层变形呈现压缩、膨胀、压缩的变化规律。
1．3．3有效卸压保护范围分析以3ɢ作为被保护层膨胀变形的临界指标，参照图3获得工作面推进200、400、600、800m 时3ɢ的被保护层膨胀变形临界点与被保护层采空区始采线和采止线的距离分别为37．5、38．7、38．8、37．5m ，因而可以求得工作面推进不同距离时沿走向的卸压保护角分别为50．6ʎ、51．5ʎ、51．6ʎ和50．6ʎ。
2下组煤层保护层开采可行性分析2．16#煤层底板突水危险性评价2．1．1矿井突水危险性评价方法为合理评价矿井的突水危险性，利用数值模拟结果，采用有效隔水层突水系数法进行李雅庄煤矿6#煤层底板突水危险性评价。
有效隔水层突水系数法的计算公式为：·951·（2012－10）T s =pM－Cp式中：T s为突水系数，MPa/m；p为煤层底板承受水压，MPa；M为底板隔水层厚度，m；C p为矿压扰动破坏厚度，m。
2．1．2计算参数的选取煤层底板承受水压的选取根据李雅庄煤矿的水文地质勘查设计报告及地面水文孔水文动态观测成果表，得到李雅庄煤矿6#煤层底板承受水压情况：6#煤层底板承受K2灰岩水压1．3837 3．1837MPa，6#煤层底板承受奥陶系灰岩水压1．9437 4．4025 MPa之间。
底板隔水层厚度的选取参考水文勘查孔及以往煤田孔资料，K2灰岩含水层突水系数的隔水层厚度取35．5m，奥陶系灰岩含水层突水系数的隔水层厚度取76．5m。
矿压扰动破坏厚度的选取则根据数值模拟结果，并考虑到安全性，6#煤层底板破坏厚度取模拟结果中的最大值20．32m。
2．1．3临界突水系数的确定《煤矿防治水规定》规定计算中底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0．06MPa/m，正常块段不大于0．1MPa/m［6］。
计算得到K2灰岩含水层突水系数在0．091 0．210MPa/m之间，奥陶系灰岩含水层突水系数在0．030 0．078MPa/m之间。
2．1．4煤层突水危险性区域划分矿井突水危险性区域的划分原则：1）非突水危险区。
处在灰岩含水层水位以上的区域，不存在底板灰岩的突水危险性。
2）突水威胁区。
处在灰岩含水层水位以下，正常地段底板隔水层能承受的水压值大于实际水压值（突水系数Ts＜0．1MPa/m），但在断层附近或其他薄弱地段存在突水可能的区域。
3）突水危险区。
处在灰岩含水层水位以下，正常地段底板隔水层承受的水压值小于或等于实际水压值的区域（T s≥0．1MPa/m）。
当突水系数为0．10MPa/m时，K2灰岩顶板标高为253．78m，6#煤层底板标高为289．28m。
由此推之，李雅庄煤矿6#煤层底板标高＜289．28m区域为K2太灰水突水危险区，6#煤层底板标高＞289．28m区域为K2太灰水突水威胁区，6#煤层可采范围内为奥灰水突水威胁区。
2．2下保护层开采可行性分析通过对李雅庄煤矿6#煤层底板突水危险性的预测研究，结果表明，整个6#煤层在开采过程中始终处在突水威胁区内，而且突水危险区的范围较大，井田范围内断层构造十分发育的实际情况又增加了突水危险性，加上在开采过程中必须采取相关防治水措施，这样势必会增加开采成本，从而导致经济效益下降。