杨科，博士，教授，安徽理工大学博士研究生导师，入选国家百千万人才工程，享受国务院特殊津贴。致力于深部煤炭资源安全、智能、绿色开采及灾害防控基础与技术研究。提出了煤基固废绿色充填、煤岩动力灾害预测预警防控方法，发展了深部煤层群安全精准和绿色充填开采理论与技术，研究成果在两淮及类似矿区得到推广应用，推动了煤炭科技进步。主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学区域创新发展联合基金等国家、省部级项目以及与企业合作科研项目50余项。授权发明专利30项、出版（参编）教材5部、专（合）著4部。获国家科技进步二等奖1项、省部级和行业协会科技进步一等奖7项。以第一及通讯作者发表SCI、EI期刊论文90余篇。

主要内容

1  工程概况

 图  1  8煤层和10煤层位置关系

表  1  瓦斯参数指标

2   远距离下保护层开采卸压特征

2.1   远距离下保护层开采相似模拟试验研究

2.1.1   相似模型建立

表  2  主要相似常数

采用50 mm×50 mm的网格式位移测点观测方法，对采动过程中覆岩运移情况进行更准确的观测。设置3条应力测线，分别位于10煤层直接顶、8煤层顶板和底板，用于监测10煤层和8煤层应力变化规律，每条测线布置9个压力盒(共27个)，如图 2所示。10煤层自左向右开采，在模型两侧各留设300 mm边界煤柱以消除边界效应的影响。每间隔2 h开采50 mm，直至煤层模型开挖完成。

图  2  工作面相似模型和应力测线布置

2.1.2   保护层开采覆岩裂隙演化特征研究

图  3  10煤层上覆岩层裂隙发育过程

        由图 3可知：当工作面推进至25 m时，由于直接顶的顶板持续弯曲和变形，其在拉应力的影响下产生崩塌垮落，此时基本顶是完好的，没有发生破裂; 当基本顶达到最大跨度时断裂，其上部产生离层裂隙，在底板两侧产生纵贯式(竖向穿层)裂隙; 基本顶发生平均步距为15 m左右的周期破断，覆岩竖向裂隙与离层裂隙呈现出梯形动态演化; 继续开采，工作面两侧裂隙持续发育，采空区中部原有的裂隙逐渐被压实；开采至235 m时，被保护层底板已经出现离层裂隙，但10煤层与8煤层之间岩层还未被竖向穿层裂隙完全贯穿。上覆岩层在断裂后，在开切眼和工作面处形成基本对称的垮落角，垮落角分别约为67°和64°。

2.1.3   上覆岩层变形运移特征

图  4  不同推进距离下采空区顶板上方不同层位垂直位移曲线

图 4中的下沉曲线形态表明，距顶板不同位置测线的垂直位移呈现连续波动变化特征。随着工作面推进，基本顶破断，采空区内顶板位移量增大，覆岩垮落范围也在逐步扩大，但开切眼前方及煤壁后方顶板垂直位移较小。其原因是基本顶发生周期性破断后, 岩石互相作用，构成一种三铰拱状平衡结构，从而造成下沉曲线的波动性。推进至235 m时，8煤层底板岩层开始下沉，但下沉趋势较为平缓，最大下沉量为1.1 m。垂直位移数值表明，不同层位的岩层下沉量不同，且与10煤层顶板的距离越近，其位移量越大。

2.1.4   覆岩应力演化特征

图  5  8煤层底板不同位置应力变化曲线

由图 5可以看出，初采阶段应力一直在降低，说明开采过程中工作面顶板前方因覆岩垮落而一直在卸压，其卸压范围也在逐步增大；下保护层开采到压力传感器前15~20 m时应力达到峰值，当工作面开采通过传感器后开始快速卸压。随着工作面推进，在采空区走向中部应力开始逐渐增大，说明采空区中部垮落的岩体被弯曲下沉的岩层重新压实。

上述表明Ⅲ1031工作面开采过程中对8煤层产生了明显的应力扰动，使得8煤层底板一定范围内的原岩应力场发生变化。综上分析，下保护层开采后，覆岩断裂和应力变化的时机不同，从而使得被保护层处于卸压状态，导致岩层错断，形成大小不同的裂隙。

2.2   数值模型分析

2.2.1   数值模型建立

表  3  主要岩层力学参数

2.2.2   应力场演化规律

图  6  Ⅲ1031工作面不同推进距离下垂直应力分布情况

由图 6可知：初采阶段，上覆岩层中部出现应力降低区即卸压区，但此区域内垂直应力为5~8 MPa，说明该区域出现拉应力，对采空区顶板造成宏观拉伸破坏；随工作面推进，在围岩内形成应力增高区域，最大集中应力在煤壁处达43.2 MPa，离采空区越远垂直应力越小，直至减小为原岩应力；采空区内部形成应力恢复区，在其边缘垂直应力几乎为0，由外向内则是以近似于圆弧状的应力递减圈发育，最大影响范围230 m，其中有效卸压范围达100 m。采空区中部弯曲下沉岩层压实顶板垮落的岩体形成压实区，此后压实区应力开始逐渐增大。

综上分析可知，10煤层开采后，顶底板产生位移变形，应力状态发生改变，随着工作面推进，垂直应力增幅减缓，其有效卸压范围波及8煤层区域，可对其产生卸压效应。

为更好地反映被保护层应力动态变化情况，在被保护层中间相应位置设置应力测量点，其应力分布如图 7所示。

图  7  被保护层垂直应力随开采距离的变化曲线

2.2.3   被保护层位移分析

图  8  随开采距离增加被保护层垂直位移分布

由图 8可见，随着开采距离增加，被保护层(8煤层)的垂直位移在变化趋势上与应力基本保持一致，8煤层顶底板岩层受到采动应力变化的影响而发生变形破断。随开采距离的增大，被保护层卸压范围逐渐增大，沿工作面走向被保护层卸压位移呈现先增至最大，后逐渐降低的变化趋势，工作面中部的下沉位移最大，卸压效果较好。垂直应力和垂直位移在沿工作面走向呈现出相同的变化趋势。

图  9  被保护层膨胀变形率

由图 9可知，随10煤层开采距离的增大，被保护层的膨胀变形率也在逐渐增大，最高为2.5%左右，并且在对应区域内的膨胀变形率均大于《防治煤与瓦斯突出细则》规定的0.3%，因此可认为远距离下保护层(10煤层)开采能达到预期效果。

3  卸压增透效果评价

3.1下保护层开采后覆岩“三带”发育高度确定

      1) 为明确工作面开采后覆岩“三带”发育高度，依据“三下”采煤规程，对于下保护层开采厚度小于3.0 m的煤层，其垮落带、裂隙带高度计算公式如下：

    计算得到最大导水裂隙带高度Hd(垮落带与裂隙带高度之和)约为73.91 m。

        2) 在此基础上，通过前文相似模拟，得到在上覆岩层稳定后，“三带”发育的整体分布规律。工作面开采结束后，根据上覆岩层不同分带内矸石分布形态及裂隙发育特征，判断32 m以下为垮落带，离层裂隙发育高度56 m为裂隙带，即导水裂隙带发育高度为88 m，如图 10所示。

图  10  覆岩“三带”分布特征图

煤矿灾害一体化防治建立在柔模墙沿空留巷形成的工程平台基础上, 柔模墙沿空留巷技术主要适用于采高6 m以下、日推采24 m以内、顶板中等稳定及以上、煤层倾角45°以内的采煤工作面。

       3) 利用应力判别法分析覆岩“三带”的发育程度。开采至360 m时走向方向采空区中央位置覆岩主应力随采空区顶板距离的变化曲线如图 11所示。

图  11  工作面推进360 m时最大主应力、最小主应力变化曲线

          判别法[22]规定垮落带位于2个方向均为拉应力的区域(σ1>0，σ3>0)，而垮落带外围岩层中分布着拉应力和压应力共同存在的区域(σ1>0，σ3＜0)，可以把这个区域规定为裂隙带上限。由图 11可知，当距离未超过38 m时，2条主应力曲线数值均大于0，即最大和最小主应力都是拉应力；当距离增大时，最小主应力首先朝着小于0的方向变化，即首先转变为压应力；当最大主应力也由正值变为负值时，此时距离增大到87 m。分析数据可得，当工作面推进距离达到360 m时，垮落带发育高度为38 m，导水裂隙带发育高度为87 m。

3.2   卸压增透效果分析

图  12  不同推进距离下被保护层增透率分布

图  13  塑性区变化情况

4  远距离下保护层开采卸压瓦斯抽采方案

4.1   保护层卸压瓦斯抽采方案

1) 网格式密集穿层钻孔：穿层钻孔设计在底板瓦斯抽排巷内，实行密集布置；工作面内部全覆盖布置钻孔，钻孔穿透煤层施工至煤层顶板0.5 m处。在瓦斯抽排巷内按每隔15 m布置一钻场，钻场设计为4.6 m×3.8 m×5.0 m(宽×高×长)，钻孔孔径为113 mm，工作面倾向中部钻孔终孔轴间距5 m×8 m，如图 14所示。

图  14  网格式密集穿层钻孔布置示意图

2) 顺层钻孔：在机巷、风巷中沿着煤层的斜坡上，每隔5 m布置钻孔，孔径为94 mm，封孔长度不小于8 m。

3) 高位钻孔：沿工作面风巷，按走向间距80 m布置钻孔，钻场施工至煤层顶板岩层内，钻孔孔径为113 mm，钻孔长度不小于100 m；每个高位钻场内施工布置高位钻孔6个，钻孔倾向间距10 m，终孔位置距煤层顶板10~15 m，钻孔间距不大于20 m。

4) 采空区埋管布置方式：在回采过程中，按照每15 m提前预埋管线，2趟管线以交替方式逐步进行抽采，利用所产生的负压，对采空区和上隅角所积聚的瓦斯进行抽采。

4.2   被保护层瓦斯抽采方案

        1) 地面钻井：设计的地面钻井需要穿过8煤层直至10煤层底板处，钻井开孔ø216 mm，钻井间距120~150 m，第一口钻井位于煤层倾斜方向距保护层工作面回风巷50~80 m，距离开切眼40 m。

2) 上向拦截钻孔：布置在Ⅲ1031工作面风巷高位钻场内，如图 15(a)所示。钻孔孔径为113 mm，钻孔内设置套管至垮落带2 m以上，封孔长度不小于8 m；钻孔以30 m×20 m(走向×倾向)标准覆盖工作面，钻孔终孔位于8煤层底板5~8 m位置，在保护层开采期间，根据保护层回采进度，利用抽采系统对被保护层开采卸压区域瓦斯实行递进式高负压抽采，如图 15(b)所示。

图  15  上向穿层拦截钻孔示意图

4.3   被保护层开采效果考察方案

通过施工效果检验钻孔，直接测定煤层残余瓦斯含量、煤层瓦斯压力，对保护层开采卸压边界进行考察，以及通过考察瓦斯抽采量、抽采率，间接计算被保护层8煤层工作面煤层残余瓦斯含量。保证被保护层工作面布置在保护层有效卸压边界范围内，煤层瓦斯含量降低至5 m3/t以下，实测残余瓦斯压力小于0.5 MPa。

1) 采动裂隙随工作面推进是动态变化的，且基本顶出现周期性运动，周期来压步距平均在15 m左右。当工作面推进至235 m时，覆岩形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带“三带”空间分布特征。此时，被保护层卸压更充分，卸压保护角为67°，开切眼和工作面位置两侧的卸压范围基本对称。

2) 对被保护层的位移进行分析得出：开采距离增加导致被保护层垂直位移与应力变化趋势一致，岩层受到采动应力变化的影响发生变形破断。随开采距离增大，被保护层卸压范围扩大，工作面中部下沉位移最大，卸压效果最佳。垂直应力和位移在工作面走向呈现出相同的变化趋势；膨胀率从工作面两端至中间有增大的趋势，最高在2.5%左右，满足相关规定要求。

3) 数值模拟结果表明：当工作面推进距离达到360 m时，垮落带发育高度为38 m，导水裂隙带发育高度为87 m，数值模拟结果与相似模拟和公式计算结果基本一致。

4) 开采保护层过程中，分析了远距离煤层下保护层开采过程中的卸压增透效应，8煤层下方的增透率提高，增幅为5%~20%，说明保护层开采对改善瓦斯抽采效果具有一定作用。结合保护层开采和瓦斯抽采方案，可达到矿井在低瓦斯状态下安全生产的目的。研究结果可以为其他矿区选择下保护层开采和瓦斯抽采提供一定的借鉴。