徐 超，杨 港，付 强，王逸夫，马思博，赵 伟，郭海军
（1.中国矿业大学（北京）共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；
2.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）
保护层开采可以降低被保护层的地层应力，增大被保护层的透气性[1-4]，进一步实现煤和卸压瓦斯的综合开采[5-12]。
保护煤层开采过之后，被保护层的卸荷效果直接影响消突措施的实施效果[13-24]。为此，以新景矿15303 工作面实际开采及地质条件为工程背景，研究高瓦斯煤层群交叉叠置工作面重复采动条件下被保护层的卸压效果，并对保护层开采后被保护层的地应力特征进行精细化表征；
同时开展交叉叠置工作面开采被保护层的卸压效果现场试验，对研究结果进行验证。
1.1 工程背景
本次工程背景为阳泉矿区新景矿芦南分区15303 和8123 工作面。8123 综采工作面沿东西方向布置，15303 综放工作面沿南北方向布置，8123 上方的3#煤层未采。由于新景矿8#和15#煤层芦南分区特殊的地质构造，两工作面呈交叉叠置型位置关系，该采区多个区域呈现这种位置关系。交叉叠置工作面位置示意图如图1。
1.2 数值模型
数值模型及开采设置如图2。FLAC3D数值模型长600 m，宽500 m，高度209 m，煤层倾角0°，共87 000个单元。在3#被保护煤层中布置网格测点，用以记录保护层开挖过程中被保护煤层的应力位移变化。
第1 步：设置8#煤层开采工作面从模型y=100 m 处沿着模型x 轴正向开挖，设置每次开挖10 m，x轴方向开挖300 m，最终开挖尺寸为300 m×200 m×3 m（长×宽×高）；
第2 步：设置15#煤层开采工作面从模型x=100 m 处沿着y 轴正向开挖，设置每次沿走向开挖10 m，y 轴方向开挖400 m，15#煤层工作面最终开挖尺寸为400 m×200 m×6 m（长×宽×高）。
1.3 模型力学参数及边界条件设置
本模型使用摩尔-库伦准则。模型顶部实际埋深为250 m，在模型最上部施加6.6 MPa 的均匀分布压力补偿上覆岩层的压力。最下部使用固定边界固定节点在空间内的移动，其余面均使用滚支边界，边界上的节点只可沿边界做二维的滚动。主要煤岩层的力特性参数见表1。
表1 主要煤岩层的力学特性参数Table 1 Mechanical property parameters of main coal strata
2.1 被保护层塑性区演化特征
2.1.1 单一保护层工作面开采
模拟过程中，分别输出8#煤层工作面回采50、100、150、200、250、300 m 时，地层的塑性区分布状态云图。单一保护层开采地层塑性区分布演化云图如图3。
由图3 可知：当8#煤层工作面回采至50 m 时，工作面前方和开切眼侧的采空区底板率先发生塑性破坏，且受到剪应力而发生塑性破坏的区域越来越大，水平方向的破坏区域略大于8#煤层采空区；
当工作面推进至300 m 时，在8#煤层采空区中部，3#煤层煤体遭到拉伸破坏，这表明8#下保护煤层的工作面不断推进使得3#煤层的卸荷空间进一步加大，而8#煤层底板塑性区域较小，15#煤层未出现塑性破坏。
2.1.2 交叉叠置保护层工作面开采
重复采动影响下地层塑性区分布演化云图如图4。
由图4 可知：15#煤层回采100 m 后，8#煤层发生塑性破坏的区域主要集中在15#煤层开切眼附近，上方地层的塑性区向四周扩展；
15#煤层工作面推进至200 m 时，3#和8#煤层煤体均发生剪切破坏，3#煤层位于8#煤层和15#煤层重复采动的区域较15#煤层单一采动的区域发生塑性破坏的程度更大；
15#煤层工作面推进至300 m 时，位于8#煤层采空区上方的3#卸压区域煤体遭受到二次剪切破坏，8#煤层采空区上方部分垮落岩层受力状态由压应力转变为剪切力，受到剪切破坏；
15#煤层工作面回采至400 m 时，8#煤层大部分发生破坏损伤，破坏区域略大于采空区，而3#煤层发生破坏域远远大于8#煤层，表明下伏保护层开采对地层破坏的影响从开切眼和工作面以一定的角度向上部地层辐射，且两端地层的破坏范围较大，破坏范围最远可达距15#煤层140 m 的地层；
3#煤层受8#煤层和15#煤层重复采动影响区域塑性破坏较为充分，该区域3#煤层与8#煤层之间裂隙充分发育，透气性增加幅度更大。
2.2 3#被保护煤层垂向应力分析
2.2.1 单一保护层工作面开采
8#煤层回采不同距离3#煤层应力分布演化云图如图5、垂向应力曲线如图6。
由图5 可知，在8#煤层回采过后，8#煤层回采区域3#煤层出现卸压，在工作面前方和开切眼后方被保护层煤体产生应力集中；
随着保护层开采的距离加大，8#煤层采空区区域3#煤层的卸压程度也逐步加大，走向两端应力集中程度也大幅提高；
工作面回采至200 m 时，由于8#煤层中部的顶板垮落、压实，采空区中部的3#被保护煤层煤体出现应力恢复，并且应力恢复的区域随保护层工作面推进逐渐扩大；
8#煤层工作面回采300 m 过后，3#煤层的垂向应力在倾向上呈对称分布，由于工作面回采后时间不够不充分，在工作面回采前方的卸压程度要小于开切眼侧，同样，应力集中程度也小于开切眼侧。
由图6 可知：在8#煤层开始回采50 m 时，3#煤层垂向压力最低达到5.75 MPa，始采线后方和工作面前方的被保护层煤体应力升高幅度较小；
当8#煤层工作面推进至150 m 时，采空区中部的应力最小为3.8 MPa，开切眼后方最大应力为8.5 MPa；
当工作面采到200 m 时，3#煤层在采空区中部出现应力恢复，开切眼侧和工作面侧的应力显著提高至11 MPa，并且两侧应力集中区域的应力大幅增高，而卸压区域的应力降低程度基本保持不变，采空区在走向方向上的应力曲线呈现“波浪式”特点，即卸压充分区域与应力恢复区域交替出现；
当工作面推进至300 m 时，卸压区域中部靠近工作面的一侧有最小垂向应力2.8 MPa，3#煤层工作面前方最大应力集中系数为1.79，开切眼侧最大应力集中系数为1.86。
2.2.2 交叉叠置保护层工作面开采
重复采动影响下3#煤层应力分布如图7。
由图7 可知：15#煤层回采100 m 过后，3#煤层在15#煤层采空区产生卸压区域，此时8#煤层的回采对3#煤层的有效卸压起着主要作用；
当15#煤层工作面推进至200 m 时，3#煤层受15#煤层的采动影响，卸压区域大幅增加，在15#煤层工作面与8#煤层工作面相交的区域，产生2 种不同的卸压效果，3#煤层原卸压区应力进一步降低，原应力集中区的应力集中程度减小，8#煤层与15#煤层工作面相交的2个交点所在的区域应力大幅升高，产生了应力集中的现象；
当15#煤层工作面推进至300 m 时，15#煤层工作面穿过了8#煤层的工作面，3#被保护层在8#煤层与15#煤层工作面相交的区域垂向应力降低；
当15#煤层工作面推进至400 m 时，3#煤层在8#煤层和15#煤层工作面相交的区域煤层应力降低，两工作面相交的4 个点所在的区域应力集中程度大大提高。
模拟过程中，在3#煤层y=250 m 处，以及x=150、200、250、300 m 处设置监测线，监测15#煤层回采时，3#煤层走向方向以及倾向方向上采空区中部的应力变化规律。15#煤回采不同距离3#煤层应力曲线如图8。
由图8（a）可知：走向方向上，15#煤层工作面回采100 m 时，3#煤层在15#煤层采空区应力降低至6 MPa，3#煤层在工作面前方30 m 处应力地应力达到16 MPa，应力集中系数为2.22；
当15#煤层工作面回采200 m 时，3#煤层地应力先升后降，原应力集中区垂向应力由16 MPa 降低至14 MPa；
当15#煤层工作面回采300 m 时，15#煤层工作面和8#煤层工作面完全交叉，交叉区域3#煤层的应力呈现中央高，两侧低的“M 型”分布，15#煤层工作面前方3#煤层应力集中程度由16.9 MPa 降低至16 MPa；
当15#煤层工作面回采400 m 时，3#煤层的应力集中程度显著降低，地应力最高为13 MPa，应力集中系数为1.8，在15#煤层工作面后方100 m 区域内煤体压力降低，同时在15#煤层工作面前方50 m 区域内产生应力集中的现象，地应力达到9 MPa，应力集中系数为1.25。
由图8（b）可知：倾向方向上3#煤层在15#煤层工作面两侧区域产生了明显得应力集中，当15#煤层工作面回采至400 m 时，倾向方向上的垂向应力显著降低，由于8#煤层和15#煤层的重复采动作用，3#煤层在倾向方向上的应力状态呈现“波浪式”的特点，即充分卸压区域和非充分卸压区域交替出现。
8#煤层与15#煤层交叉叠置工作面开采之后，3#煤层的应力状态重新分布，应力呈现非均匀的分布状态，在平面上可以分为5 个区域[24]，分别为：①充分卸压区Ⅰ；
②非充分卸压区Ⅱ；
③应力弱集中区Ⅲ；
④应力强集中区Ⅳ；
⑤原岩应力区Ⅴ。重复采动被保护煤层采动应力分区示意图如图9。
充分卸压区Ⅰ分为Ⅰ-a、Ⅰ-b、Ⅰ-c 和Ⅰ-d 4个受不同开采扰动充分卸压的区域。Ⅰ-a 区为8#煤层开采单一扰动增透区；
Ⅰ-b 区为15#煤层开采单一扰动增透区；
Ⅰ-c 区为8#和15#煤层开采重复扰动增透区，该区域在8#煤层回采后中部地应力恢复，15#煤层回采之后，该区域的煤体再次卸压；
Ⅰ-d区为8#和15#煤层开采重复扰动增透区，该区域在8#煤层回采后被保护层得到充分卸压，15#保护层开采之后，卸压程度进一步加大。非充分卸压区Ⅱ位于充分卸压区与应力集中区的中间区域，该区域由8#煤层回采后3#煤层的非充分卸压区和15#煤层回采后工作面侧和开切眼侧的非充分卸压区组成。应力集中区Ⅲ位于15#煤层工作面侧和开切眼侧采空区的外侧，应力集中程度较小。高应力集中区Ⅳ分别位于15#煤层与8#煤层工作面垂直交叉的4 个交点区域和8#煤层始采线和终采线外侧的应力集中区。
2.3 3#被保护层变形特征
2.3.1 单一保护层工作面开采
在3#煤层回采工作面走向中线设置监测线，监测8#煤层回采不同距离时3#煤层变形量。工作面开采不同距离3#煤层膨胀变形量演化曲线如图10。
由图10 可知：当8#煤层工作面推进至50 m时，3#煤层煤体最大相对膨胀变形量为1.2‰，3#煤层在采空区中部的最大相对变形量为2.5‰；
当工作面推采过200 m 时，开切眼前方50 m 和工作面后防50 m 处由于上覆岩层的重新压实作用，3#煤层煤体的相对变形量在该区域降低；
当8#煤层工作面推进至300 m 时，3#煤层在8#煤层采空区中部出现充分膨胀变形和非充分膨胀变形交替出现的情况，3#煤层煤体最大膨胀变形出现在开切眼前方60 m 处，3#煤层相对变形量达到5.46‰；
开切眼后方和工作面前方由于应力集中现象，3#煤层的煤体被压缩，相对压缩变形量为4.7‰左右。
2.3.2 交叉叠置保护层工作面开采
在3#煤层回采工作面设置监测线，监测8#煤层回采300 m 后，15#煤层回采400 m 后，采空区上方3#煤层的相对变形量情况。重复采动影响下3#煤层相对变形量等高线图如图11。
导出8#与15#煤层工作面开采之后3#煤层的相对变形量等高线。8#与15#煤层工作面开采之后，3#煤层在8#煤层采空区内形成了环形的充分卸压区，该区域的相对变形量在3‰～12.8‰之间，相对变形量最高的区域位于环形区域中15#与8#煤层工作面相交的区域；
在8#煤层采空区中央、15#与8#煤层工作面非交叉区域形成非充分卸压区，该区域的相对变形量在0～3‰左右；
在15#与8#煤层工作面的开采边界外形成应力集中区，该区域的相对变形量在-9‰～0 之间，相对变形量最低的区域位于15#煤层工作面与8#煤层工作面垂直交叉的4 个交点区域，该区域的相对变形量-9‰～-11.7‰之间。
3.1 测试钻孔施工方案
测定地点为芦南分区8123 工作面东三主巷，测定过程中在巷道内布置3 个钻场，向理论计算的有效卸压区域内施工上向穿层钻孔与本煤层顺层钻孔，钻孔孔径均为85 mm，设计施工钻孔共计6 个，穿层钻孔终孔位置位于3#煤层，顺层钻孔终孔位置位于8#煤层。各施工钻孔参数及用途见表2。
表2 施工钻孔参数及用途表Table 2 Drilling parameters and usage table
3.2 被保护层采动应力测定
3#及8#煤层采动应力的测定采用YHY60 型钻孔应力计。在测定地点安装YHY60 型应力采集系统配套的钻孔应力探头、钢线及数据传感器，使用数据采集器采集采动应力信息。应力记录区间为测点距离15303 工作面采前200 m 和采后200 m，收集的数据还要结合打钻俯仰角度进行转换，得到被保护层的垂向应力。测点采动应力如图12。
由图12 可知：3#及8#煤层一次扰动区和重复扰动区内煤层采动应力都是先增大后减小，最后又升高；
当工作面位于应力探头前方50 m 时，3#及8#煤层应力探头位置应力升高。
当工作面位于应力探头前方约60 m 时，3#煤层一次扰动区内煤层地应力最高为19.6 MPa；
当工作面位于应力探头前方30 m 左右时，8#煤层一次扰动区内煤层地应力最高为21.8 MPa；
3#煤层重复采动区域内，工作面位于应力探头前方约50 m 时，3#煤层重复采动区内煤体应力最高为17.1 MPa。
采过探头位置之后，钻孔应力数值快速下降，当工作面推过至3#煤层应力探头约20 m 时，3#煤层应力最小为4.4 MPa，8#煤层应力最小为5.5 MPa；
3#煤层重复采动区域内，工作面采过3#煤层内应力探头10 m 时，3#煤层重复扰动区内煤层地应力最低为3.8 MPa，地应力显著降低。15303 工作面的不断推进使得上方采空区顶板垮落压实，地应力出现升高，应力探头所测位置地应力恢复。最终，地层扰动稳定后3#煤层应力约为5.3 MPa 左右，8#煤层应力为6.4 MPa 左右。3#煤层重复扰动区域应力为4.8 MPa 左右，卸压效果明显优于单一保护层开采。
3.3 被保护层透气性系数测定
在保护层开采前和开采后，分别记录钻孔瓦斯流量、钻孔压力，根据钻孔径向流量法计算煤层透气系数。15303 工作面推进至距离东三主巷80 m 左右时，工作面的超前应力集中使得巷道变形加剧，为了安全起见，中断了瓦斯流量的观测，工作面推过东三主巷100 m 后继续观测。测点瓦斯流量如图13。被保护层卸压前后透气性系数对比如图14。
由图14 可知，8#及15#煤层回采过后，在15#煤层单一扰动区域，3#煤的煤层透气性系数由0.339 3 m2/（MPa2·d）增加至18.007 9 m2/（MPa2·d），增加52.0倍，8#煤的煤层透气性系数由0.439 6 m2/（MPa2·d）增加至33.383 8 m2/（MPa2·d），增加74.9 倍。在8#及15#煤层重复扰动区域，3#煤的煤层透气性系数由0.881 6 m2/（MPa2·d）增加至94.595 7 m2/（MPa2·d），增加106.3 倍。单一15#保护煤层开采卸压后被保护煤层的透气性都大幅度提高，8#及15#煤层重复采动卸压后，3#被保护层的卸压效果远高于单一15#保护煤层开采的卸压效果，再次验证了保护层开采的卸压效果。
以新景矿15303 工作面实际开采及地质条件为工程背景，研究了高瓦斯煤层群交叉叠置工作面重复采动条件下被保护层的卸压效果，并对开采后被保护层的地应力特征进行了精细化的表征；
同时开展了现场试验，验证了卸压的效果。
1）交叉叠置工作面开采之后，被保护层应力状态呈现非均匀的分布状态。在两保护层工作面重叠区域内，被保护层的应力集中程度降低，卸压区域内的卸压程度增加，两工作面垂直交叉的4 个交点区域，被保护层的应力集中程度大幅升高。
2）交叉叠置工作面开采之后，被保护层的应力状态在平面上可以分为5 个区域，分别为：充分卸压区Ⅰ；
非充分卸压区Ⅱ；
应力集中区Ⅲ；
高应力集中区Ⅳ；
原岩应力区Ⅴ。
3）交叉叠置工作面开采之后，充分卸压区Ⅰ的相对变形量在3‰～12.8‰之间，非充分卸压区Ⅱ的相对变形量在0～3‰左右，应力集中区Ⅲ的相对变形量在-9‰～0 之间，高应力集中区Ⅳ的相对变形量在-9‰～-11.7‰之间。
4）现场试验结果表明：在15#煤层开采单一扰动区域，3#煤层地应力约为5.3 MPa 左右，8#煤层为6.4 MPa 左右，3#煤的煤层透气性系数增加52 倍，8#煤增加74.9 倍；
在8#及15#煤层重复扰动区域，3#煤层地应力为4.8 MPa 左右，透气性系数增加106.3倍。交叉叠置工作面的卸压效果明显优于单一保护层开采。