保护层开采条件下煤层力学扰动规律及抽采半径考察_崔聪.pdf

保护层开采条件下煤层力学扰动规律及抽采半径考察崔聪1,2，马延崑1,2，舒龙勇1,2，李宏艳1,2（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013）摘要：为分析新集一矿6-1煤在上保护层开采条件下煤层力学扰动特征及煤层抽采半径，根据采场分布及力学参数建立了几何模型，进行360804工作面的开挖模拟计算，结果表明，6-1煤体经历应力升高峰值状态降低趋于初始状态恢复的过程，6-1煤经历透气性降低急剧增长逐渐降低的过程，工作面累积推进198 m时，采空区形成“见方”状态，下方煤体透气性系数急速增长，推进360 m时，采空区中部地应力恢复，透气性系数减小，形成一个“O”形高透气性区域；结合现场实际情况，建立了4种网格式钻孔布置方式，通过数值模拟及现场测试方法考察了被保护层抽采半径，结果表明4种布置方式12个月抽采条件下，瓦斯压力有显著降低，20 m网格间距效果最佳。当采用20 m20 m网格式抽采下伏6-1煤层瓦斯，历经12个月抽采量达到134.94万m3，划定保护范围内6-1煤层平均瓦斯含量由3.62 m3/t降低至2 m3/t，煤层瓦斯预抽率达到了39.8%，煤体瓦斯可解吸量1.5 m3/t。关键词：力学扰动；抽采半径；保护层开采；透气性系数；衰减系数中图分类号：TD322;TD325;TD712文献标志码：A文章编号：10088725（2023）0206105Investigation on Mechanical Disturbance Law and Extraction Radius ofCoal Seam under Condition of Protective Seam MiningCUI Cong1,2,MA Yankun1,2,SHU Longyong1,2,LI Hongyan1,2(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)Abstract：In order to analyze the mechanical disturbance characteristics of coal seam and therelationship with the extraction radius of coal seam 6-1in Xinji No.1 coal mine under the condition ofupper protective seam mining,according to the stope distribution and mechanical parameters,thenumerical model is established,and the excavation simulation of 360804 working face is carried out.The mechanical disturbance law of the protected seam under the condition of mining protective seam isanalyzed.It shows that 6-1coal body experiences the process of stress increase-peak state-decreaseinitial state recovery,and 6-1coal body experiences the process of permeability decrease-rapid growth-gradually decrease.When the cumulative advance of the working face is 198 m,the goaf forms a squarestate,and the permeability coefficient of the coal below increases rapidly;when advancing 360 m,thein-situ stress in the middle of the goaf recovers and the permeability coefficient decreases,forming anO shape high permeability area.Four kinds of grid are established.The results show that under thecondition of 12-month drainage,the gas pressure is significantly reduced,and the effect of 20 m gridspacing is the best.When using 20 m 20 m grid the underground 6-1coal seam gas is extracted,after12 months,the gas extraction amount reaches 1.349 4 million m3.The average gas content of 6-1coalseam within the protection scope is reduced from 3.62 m3/t to 2 m3/t,the gas pre drainage rate of coalseam reaches 39.8%,and the gas desorption amount of coal body is 1.5 m3/t.Keywords:mechanicaldisturbance;extractionradius;protectionlayermining;permeabilitycoefficient;attenuation coefficient第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0150引言保护层开采是一种有效的瓦斯治理技术，尤其对于突出煤层群的高效安全开采有重要的工程价值。根据防治煤与瓦斯突出细则等有关规定，保护层开采过程中，需要考察被保护层的膨胀变形量、煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、透气性系数及衰减性系数等。当采用保护层开采方法无法解决煤层消突问题或不能满足矿方需求时，需要进一步采取瓦斯抽采措施，由于煤层卸压后透气性系数与衰减系数均发生成倍增加，因此煤层抽采半径需要重新考61察。本文针对中煤新集能源股份有限公司新集一矿突出煤层6-1煤，当保护层8煤开采后，分析被保护层6-1煤力学扰动规律及抽采半径考察，建立与现场条件接近的采场几何模型，调研相关文献资料，收集地应力和岩体力学的相关参数，建立数值计算模型，设定采场初始条件，进行360804工作面的开挖模拟计算，分析6-1煤的应力、透气性系数、变形的演化规律。在此基础上，模拟抽采负压13 kPa、钻孔孔径94 mm、初始压力0.74 MPa、透气性系数55.8 m2/(MPa2d)条件下20 m20 m、25 m25 m、30 m30 m、35 m35 m型4种网格式钻孔布置煤体瓦斯抽采效果，为新集一矿提供保护层开采条件下煤层抽采半径。进而为煤层瓦斯治理工作提供数据支撑与理论指导。1工作面试验区概况3608(6)采区东翼8煤南部为240805采空区，上覆11-2煤已回采南半部分，上覆13煤已全部回采，其他煤层未开采；采区西翼上覆13煤仅回采1个面（靠近F10断层），其他煤层均未开采。360804工作面设计切眼至设计停采线范围，如图1所示，风巷可采走向长1 501.8 m，机巷可采走向长1 558.2 m，工作面平均可采走向长1 530 m，工作面平均倾斜长180 m，平均斜面276 910.1 m2，风巷预计底板标高-656.6-690.9 m，机巷预计底板标高-682.2-710.2 m。采面圈定储量125.92万t，回采储量119.62万t。3608采区8煤层走向7595，倾向3455，倾角315；煤厚较稳定，厚度2.04.6 m，平均煤厚2.94 m，8煤与上覆9煤间距20 m、11-2煤层间距85 m，与下伏7-2煤间距5 m、7-1煤间距10 m、6-1煤间距37 m。3608（6）采区东侧8煤瓦斯含量3.51 m3/t，360804面回采过程中瓦斯涌出量最大12.1 m3/min，其透气性系数可参考邻近矿井新集一矿的实测值0.104 5 m2/(MPa2d)。3608(6)采区6-1煤底板瓦斯抽采巷布置在6-1煤层底板约2030 m层位，沿工作面走向施工，倾向位于6-1煤设计工作面中部，巷道终止位置位于6-1煤工作面切眼正下方。图1360804工作面布置2工作面开采扰动规律研究360804工作面采动数值模拟的流程：建立与现场条件接近的采场几何模型，收集地应力和岩体力学的相关参数，建立数值计算模型，设定采场初始条件，进行360804工作面的开挖模拟计算，分析6-1煤的应力、透气性系数、变形的演化规律。依据3608（6）采区综合柱状图、360804工作面布置及周围采动状况，采用FLAC3D建立600 m400 m260 m工作面开挖模型，倾斜角度9，如图2所示。图2360804工作面开挖计算模型底部和水平方向为固定边界，上部为自由边界。岩石力学参数如表1所示。地应力大小竖直方向施加16.8 MPa应力代替省略岩层，水平X方向施加22.4MPa，Y方向施加28.4MPa。241104采空区100m450 m，240805采空区140 m 450 m，360804工作面开挖范围180 m 360 m。岩层采用摩尔-库伦模型描述，煤层采用应变软化模型描述，采空区采用双屈服模型描述。表1岩体力学参数6-1煤由初始状态、上覆采空区形成（241107采空区）、邻近采空区形成（240805采空区）、360804工作面推进过程中应力、位移和透气性系数的分布演化如图3所示。6-1煤应力分布受到上覆采空区、邻近采空区影响，上覆采空区距离较远，对6-1煤体透气性系数几乎不产生影响，邻近采空区对6-1煤透气性系数影响剧烈。邻近采空区下伏6-1煤区域煤体透气性系数达到最大。360804工作面对下伏6-1煤产生明采动影响，6-1煤体经历应力升高-峰值状态-降低-趋于初始状态恢复的过程。下伏6-1煤卸压，发生膨胀，有较大的位移，透气性系数也随之急剧增大；下伏6-1煤应力集中位置透气性处极低水平。工作面累积推进198 m时，采空区形成“见方”状态，下方煤体透气性系数急速增长；工作面的采动影响，下伏6-1煤经历透气性降低急剧增长逐渐降低的过程；推进360 m时，采空区中部地应力恢复，透气性系数减小，形成一个“O”形高透气性区域。保护层开采条件下煤层力学扰动规律及抽采半径考察崔聪，等第42卷第02期Vol.42 No.02体积模量/GPa13.678.050.2413.670.210.231.66密度/kgm-32 5302 5502 1002 6001 4501 4001 550岩层石英砂岩细砂岩泥岩砂质泥岩6煤8煤11煤剪切模量/GPa9.4124.790.169.410.171.910.5内聚力/MPa6.226.32.36.120.140.32.09内摩擦角/()34.1363230303223抗拉强度/MPa3.396.61.14.390.190.160.15360804机巷（轨道顺槽）360804工作面 综采3