《【2017年整理】卸压消突的理论基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】卸压消突的理论基础（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1第二章 卸压消突的理论基础首采煤层（保护层）工作面开采之后，采空区顶（底）板邻近煤岩层发生破坏、移动和变形，引起顶（底）板煤岩体应力场与裂隙场的重新分布。使得顶（底）板邻近煤岩层在特定的空间和时间内存在一定范围的卸压区，且卸压区内煤层膨胀、裂隙发育、透气性系数呈数百倍以上的增加， ，煤层吸附瓦斯大量解吸，这为邻近煤层的卸压瓦斯抽采提供了有利条件。下面对保护层开采技术原理进行详细阐述。2.1 顶底板煤岩层的应力分布2.1.1 顶底板围岩的应力重新分布特征首采煤层（保护层）工作面开采之后，原有的应力平衡环境被打破，随着围岩的移动变形，采场围岩应力进行重新分布，应力向煤岩层深部转移，并最终获得新的
2、应力平衡。图 2-1 为采用 FLAC 软件模拟获得的保护层开采之后采场（底）板煤岩层的应力重新分布情况。以沈阳煤业集团红菱煤矿的地层条件为原形，模拟首采层 1 1 煤层开采后顶底围岩的应力变化特征。模型为走向模型，保护层工作面从左向右开采，首采层 1 1 煤层的开采厚度为 1.4rn，走向开采长度 100m，前后两侧各留设 100m 煤柱。从图中可以明显的看出，在保护层工作面采空区的顶(底）板内形成大面积的应力降低区，应力降低区的范围与保护层的采高、顶(底)板岩性等有很大关系。在工作面前方煤柱及采空区后方煤柱附近应力较最，出现应力集中现象。由于采空区顶板岩层随时间的冒落、压实，保护层采空区的
3、后部出现了应力恢复现象。图 2-2 为模拟获得的保护层工作面底板不同深度处的应力值大小，从中可以看出在上保护层的采动作用下围岩应力随岩层间距的变化情况（工作面由水平位置 100m 开始回采、至 200m 处结束） 。在离保护层工作面采空区较近的区域，煤岩体的应力值下降很大，采空区下部一定深度范围内的煤岩体应力降至 5MPa 以下(原始应力为 15MPa)。在采空区的后部区域随着顶板矸石的冒落压实，出现应力恢复现象。随着岩层间距即底板深度的增加，采空区下部区域卸压程度逐渐减弱，应力逐渐增大，有效卸压范围也逐渐减小。由此可见，达到一定深度后，保护层采空区下部煤岩体的应力下降较小、卸压作用减弱。2.
4、1.2 沿走向顶底板煤岩层的应力分布在走向上，随着保护层工作面的向前推进，采空区顶（底）板煤岩层发生移动变形，采场围岩应力获得重新分布。根据围岩应力分布的不同，沿走向可划分为 4 个区，从前至后分别为：原始应力区、支撑应力区、卸压区和应力逐渐恢区。如图 2-3 所示。下面对各区的应力大小及瓦斯动力参数做详细阐述。1)原始应力区原始应力区即为未受到保护层开采影响的区域，一般处于保护层工作面前方 50100m以外，该带承受正常应力，其承受的垂直应力与埋深成正比。煤层瓦斯动力参数未发生变化，保持原始数值，抽采钻孔瓦斯量同预抽煤层瓦斯效果相同，按负指数规律自然衰减。2)支撑应力区支撑应力区指的是保护层
5、工作面附近，由于采动影响、应力转移，形成的集中应力区，一般在保护层工作面前方 50m 至后方 20m 处，其长度取决于工作面的开采深度、工作面2长度、开采厚度、倾角和层间距等。最大支撑应力点的位置，一般位于保护层工作面前方230m 处，且大多数在工作面前方 l0m 的范围。支撑应力区影响范围内的被保护层处于压缩状态，根据淮南潘一矿开采 Bll 煤层保护 C13 煤层的现场考察数据，被保护层 C13 煤层的最大压缩变形达 3.37。由于应力加大、煤层压缩，煤层裂隙闭合，造成该区煤层的透气性系数下降，该区内的钻孔瓦斯抽采量低于原始应力区的瓦斯抽采量。支撑应力的应力集中系数与层间垂距有关，随着层间距
6、的加大，应力集中系数逐澎减小，但支撑应力影响的范围有所加大。这就要求，在保护层开采过程中，被保护层工作面与保护层工作面之间需要留有足够的间距，防止被保护层工作面推进速度加快进入保护层工作面形成的支撑应力区，进而引发煤与瓦斯突出事故。为确保被保护层的卸压效果，防止发生意外， 防突规定规定，正在开采的保护层工作面超前于被保护层的掘进工作面，其超前距离不得小于保护层与被保护层层间垂距的 3倍，并不得小于 l00m。3)卸压区卸压区指的是由于保护层的采动作用，产生应力转移，在采空区顶（底）板一定范围的煤岩层内形成的应力降低区。被保护层从保护层工作面后方 020m，有时甚至从保护层工作面前开始出现卸压现
7、象，被保护层开始卸压的位置与层间岩性、层间距等有直接的关系。被保护层的卸压程度有一个由小到大的变化过程，最大卸压点在保护层工作面后方201 3 0m 处，过了最大卸压点，由于岩层冒落，应力逐渐恢复，被保护层的卸压程度逐渐减小。卸压区内被保护层承受的应力远 小于原始应力。在卸压区，被保护层所承受的应力低于原始应力，煤层发生膨胀变形，发生裂隙张开，且随着煤岩体的移动形成次生裂隙，被保护层透气性呈几何级倍数增加，为被保护层的卸压瓦斯抽采提供了有利条件。钻孔瓦斯抽采量也呈现由小到大的变化过程。根据淮南潘一矿远距离下保护层开采的考察数据，被保护层膨胀变形可达 26.33，煤层透气性系数增加了 2880
8、倍，穿层钻孔单孔瓦斯抽采量达到了 1m3min 以上，有效的降低了煤层瓦斯含量。在被保护层之上，卸压区是一个时空概念，与时间、空间有关，卸压区过后是应力逐渐恢复区，在应力逐渐恢复区内煤层透气性有所下降，其瓦斯抽采效果无法与卸压区相比，因此需要对处于卸压区范围的被保护层煤层进行及时的瓦斯抽采。这就要求被保护层的瓦斯抽采工程必须提前施工、提前投入使用，能够保证保护层开采过程中及时地进行卸压区瓦斯抽采，以实现保护层开采技术应用效果的最大化。4)应力逐渐恢复区应力逐渐恢复区是由于采空区后部矸石冒落，顶板岩层充分移动形成的，位于采空区后部较远处。进入应力逐渐恢复区，煤岩体所承受的应力还是小于原始应力，被
9、保护层的透气性与卸压区相比有所下降，但还是远高于原始煤体的透气性。由于卸压区内对被保护煤层瓦斯的有效抽采，进入该区后，钻孔瓦斯抽采量逐渐下降，直至煤层瓦斯枯竭，失去抽采价值。2.2 顶底板煤岩层的移动变形及裂隙发育规律2.2.1 保护层采空区顶底板围岩的移动变形保护层工作面开采之后，在地应力重新分布的过程中，采空区顶（底）板煤岩层向采空区方向发生移动变形，顶板煤岩层在地应力及重力作用下向下移动，在采空区顶板岩层内形成“三带”分布，底板煤岩层在综合应力作用下向上移动，在采空区内形成底鼓现象。顶板岩层移动与底板岩层移动有着较大的差别，顶板岩层的下沉移动可发展至地表，下沉3量与煤层的开采厚度、岩层岩
10、性和倾角有着较大的关系，而保护层的采动作用对底板岩层的影响范围有限，影响的强度较弱，底板岩层的向上移动量较小，且随着岩层间距的加大逐渐减小，直至消失。煤层开采厚度大于一定值后，底板岩层的移动量大小与煤层开采厚度关系不大，而与层间岩性、层间距有着较大关系。图 2-4 给出了上保护层采动卸压作用下不同层间距处底板岩层的向上移动量大小（工作面由水平位置 l00m 开始回采、至 200rn处结束） 。从图中可以看出，在采空区附近，煤岩层移动量较大，随着层间距的加大煤岩层移动量逐渐减小。图 2-5 为阳泉煤业集团新景煤矿开采下保护层 1 5 煤层后顶板煤岩层的移动变形相似材料模拟结果。 1 5 煤层厚度
11、为 6.14m，与上部的被保护层 3 煤层的层间距为 125m，层间距大于防突规定的下保护层有效保护范围。从图中可以看出，顶板岩层形成了明显的“三带”划分，岩层移动发展至地面。图 2-6 为淮北矿业集团海孜煤矿开采 1 0 煤层后顶板岩层的移动变形相似材料模拟结果。下保护层 1 0 煤层平均厚度为 2.67m，与上部 9 煤层的平均距离为 84m，9 煤层上部 3.lm 为 8 煤层，8 煤层上部 22m 为 7 煤层，7 煤层上部55m 处赋存有一厚度达 120m 的火成岩。从图中可以看出，顶板岩层也同样形成了 “三带”划分，但由于上部存在巨厚火成岩，对上部岩层起到了支撑作用，地表下沉不明显
12、，造成弯曲带内长时间存在离层区，为邻近煤层的卸压瓦斯抽采提供了充足的抽采时间。该条件下煤层瓦斯的充分卸压时间要远远长于一般地质条件下的煤层瓦斯卸压时间。图 2-7 为沈阳煤业集团红菱煤矿开采上保护层 1 1 煤层后底板的移动变形相似材料模拟结果。上保护层 1 1 煤层平均厚度为 0.4m，工作面采高为 1.4m，与下部的被保护层 1 2 煤层的层间距离为 16m。通过图中的参考线可以看出底板岩层的向上移情况，由于顶（底）板移动变形的作用机理不同，造成底板岩层移动量小，没有顶板岩层移动变形明显。2.2.2 顶底板煤岩层的裂隙发育规律工作面开采使得采空区顶（底）板煤岩层发生移动、变形、破断，顶板煤
13、岩层自然冒落，底板煤岩层向上底鼓，使得地应力向外转移，在一定范围内形成应力降低区。根据矿山压力理论，工作面开采后，随着顶板煤岩层的不断冒落，采空区顶板内由下至上逐渐形成垮落带、断裂带和弯曲带，如图 2-8 所示。垮落带是上覆岩层破坏并向采空区垮落的岩层带，在垮落带内破断的岩块以较大的松散系数呈不规则堆积。断裂带是垮落带上方的岩层产生断裂或裂隙，但仍保持其原有层状的岩层带，在断裂带内形成的裂隙主要为岩层离层后形成的顺层张裂隙和岩层破断后形成的穿层裂隙。弯曲带是断裂带上方岩层产生弯曲下沉的岩层带，在弯曲带下部一定范围的岩层内形成的裂隙主要为岩层离层后形成的顺层张裂隙和少部分岩层破断后形成的穿层裂隙
14、。处于垮落带内的邻近煤层在保护层开采后，煤层的开采条件将受到破坏，无法再进行开采，其邻近煤层的瓦斯解吸后全部涌入保护层工作而处于断烈带内的邻近煤层在保护层开采后，煤层获得卸压效果，透气性增大，煤层瓦斯部分进入保护层工作面，需要对其进行瓦斯抽采，将卸压瓦斯涌入保护层工作面的比例控制在一定范围之内，断裂带上限一般为采高的 1222 倍。处于弯曲带下部一定范围的邻近煤层也同样获得卸压效果，但裂隙发育程度较断裂带要小，层间岩层内导通裂隙发育有限，煤层瓦斯无法大量的向层外流动，必须采取措施进行卸压瓦斯描采，消除其突出危险性、降低煤层瓦斯含量。工作面开采使得采空区底板一定范围的煤岩层发生底鼓破坏和膨胀变形
15、，结合采场底板岩层的裂隙发育状况，将底板受到采动影响的煤岩层分为底鼓裂隙带和底鼓变形带两个带。根据现场试验考察及相关资料统计分析，底鼓裂隙带下限为底板下方 1525m，该4带内的裂隙主要为煤岩层离层后形成的沿层理的顺层张裂隙和岩层破断后垂直、斜交层理形成的穿层裂隙，穿层裂隙将该带内的煤层与采空区导通，卸压瓦斯可沿穿层裂隙进入保护层采空区，瓦斯涌入采空区的阻力随层间距的增加逐渐加大。底鼓变形带下限为底板下方 5060m，该带内裂隙以沿层理形成的顺层张裂隙为主，处于该带的被保护层发生膨胀变形，煤层透气性增大，为卸压瓦斯抽采创造了有利条件，裂隙发育随层间距加大逐渐减少。由于顶（底）板煤岩层性质不同、
16、受采动破坏条件不同，造成底板煤岩层内的裂隙发育没有顶板煤岩层内的裂隙发育充分，采动的影响范围也较小。顶板煤岩层的裂隙发育状况、卸压程度及影响范围与工作面的开采厚度、工作面倾斜长度和顶板煤岩层的物理力学性质等有很大关系。而底板煤岩层的裂隙发育状况、卸压程度及影响范围与煤岩层性质和倾角关系很大，而工作面的开采厚度影响较小。煤层为急倾斜煤层时，上保护层开采对底板的影响范围比近水平和缓倾斜煤层的影响范围大。保护层与被保护层之间存在坚硬岩层时，坚硬岩层在一定程度上限制了岩层的移动变形，相应也就减弱了对被保护层的卸压保护作用。处在不同分带内的邻近煤层裂隙发育状态、透气性变化、瓦斯的解吸及流动条件均不相同，针对上述情况需选用不同的瓦斯抽采工艺及参数对邻近煤层进行卸压瓦斯抽采，有效降低煤层瓦斯含量，彻底消除邻近煤层的突出危险性，实现突出煤层的安全高效开采。2.2.3 邻近煤层（被保护层）的垂向变形规律在保护层采空区顶（底）板煤岩层移动的过程中，由于应力的变化，邻近煤层会发生垂向变形，在卸压区煤层会发生膨胀变形，在支撑应力区煤层会发生压缩变形
