川南煤业泸州古叙煤电有限公司石屏一矿 何飞 四川古蔺 646500
摘要：近距离煤层群下保护层开采时，上覆煤岩体将经受一段复杂的应力变化过程，煤岩体本身受复杂应力影响后将变形、拉裂甚至可能造成上覆煤层不可逆的破坏而失去开采条件。本文通过对下保护层开采后的上覆煤岩体进行受力分析，结合多种工程技术手段验证其受力影响情况，从而得出近距离煤层群下保护层开采上覆煤岩体变形规律。
关键词：近距离煤层； 下保护层开采；工程技术手段；变形规律
1前言
目前，保护层开采和被保护层卸压瓦斯抽采是突出危险煤层群开采首选的防突技术，也是国家法律规范强制性的、最经济有效的防突技术。保护层开采引起煤层顶、底板覆岩应力重新分布，导致上覆煤岩层的移动、变形和破坏，在其顶、底板一定范围内形成卸压增透效应。在近距离煤层群下保护层开采过程中，必须确保上覆可采煤层不因保护层的开采而破坏，要准确测定下保护层开采后上覆煤岩体破坏变形的最大高度。
川南煤业泸州古叙煤电有限公司石屏一矿是古叙矿区规模化开发的首对大型矿井，设计生产能力120万吨/年，服务年限为44年，属煤与瓦斯突出矿井。可采煤层从上到下依次为C13、C14、C15、C19上、C19、C23 、C24、C25煤层，其中C19 、C25煤层全区可采，其余煤层大部或局部可采。该矿在建设初期选择C13煤层作为解放层，但由于C13煤层属于“三软”煤层，煤层透气性差，保护层瓦斯治理特别困难，开采难度大，2012年该矿将保护层选择为煤层透气性系数高、顶底板稳定的C25煤层，保护层开采后对上覆各煤层的破坏影响及上覆煤岩体变形规律研究也同时展开。
2近距离下保护层开采上覆煤岩体受力分析
2.1提出模型方案
大量科研人员和工程技术人员对煤层开采覆岩冒落移动裂隙演化进行了研究，在此以较著名的钱鸣高院士的 “横三区”、“竖三带”理论进行分析， 模型如图1所示。
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图1 采煤工作面上覆岩层分区分带示意图
A-煤壁支撑影响区(a-b) B-离层区（b-c） C-重新压实区（c-d）
1-竖向破断裂隙 2-离层裂隙 Ⅰ-冒落带 Ⅱ-裂隙带 Ⅲ-弯曲下沉带
2.2 破坏范围判断
“竖三带”范围一般采用经验公式进行计算，冒落带和裂隙带高度计算经验公式如下：
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2.3破坏范围计算
C25煤层采高平均1.3m，煤层平均倾角16°，上覆岩层主要为砂岩、砂质泥岩、煤层等，其抗压强度在20～40MPa，岩层性质为中等硬度。根据式（1）和（2）可以计算出其冒落带最大高度为6.40～10.80m，裂隙带最大高度为17.29～28.49m。 因此，根据矿井综合地质柱状C25煤层与C24煤层平均间距为6.39m、C25煤层与C23煤层平均间距为10.46m、C25煤层与C19煤层平均间距为19.80m，基本可以判断C25煤层开采后，C24、C23煤层位于冒落带中，C19煤层位于裂隙带中。
3近距离煤层下保护层开采上覆煤岩体受力变形规律考察
3.1考察地点选择
本次试验选择一采区11024工作面和二采区12524工作面进行考察。两工作面煤层倾角9°～25°，平均16°，工作面煤层最大厚度2.4m，最小厚度0.8m，平均厚度1.3m。两回采工作面采用全部冒落法管理顶板，选用ZY2800/09/21型掩护式液压支架，支架最大支撑高度为2.1m，最小支撑高度0.9m，采高为1.3m。
3.2煤层相对变形测定
采用扩张式基点法测定煤层顶底板相对变形，见图2所示。测定煤层变形的钻孔施工时要求钻孔进入煤层0.5～1m，分别在煤层顶、底板安装一变形仪基点，变形仪主要由：扩张式基点、钢丝绳及重锤三部分组成。当变形仪安装好之后，利用连接在扩张式基点上的钢丝绳传递位移量来测定岩层的绝对位移量或煤层的相对变形量。对测得的任意钻孔方向的煤层变形值，需按下述公式换算为垂直层面方向的变形，变形曲线见图3。
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3.3钻孔工程检验
为了考察下保护层C25煤层开采后的C24、C23、C19下煤层破坏情况，判断“竖三带”经验公式1和2所得结论是否正确，项目特在12519风巷（12524工作面对应采空区内）施工3个钻孔，3个孔分别对应12524工作面开切眼、中部及停采线附近，工程窥视检验近距离C19、C23、C24煤层的破坏程度。工程检验钻孔施工过程中无水、无瓦斯涌出，钻孔岩芯破碎、不完整；钻孔成功后采用钻孔录像仪测试了各钻孔的破坏情况，以1号钻孔位置煤岩层剖面图和各煤层录像对比图如图4和5所示为例说明；根据各钻孔煤岩层剖面图和钻孔煤层录像对比图可以看出：
1、3个钻孔录像均显示C24、C23煤层破坏严重，C19煤层除顶板有小裂隙外很完整。
2、C24、C23煤层位于“竖三带”的冒落带中，大约为开采厚度的5－8倍；裂隙带高度已到C19煤层以上，为煤开采高度的10－20倍；整体弯曲下沉带≧采高20倍，主要是C13煤层顶板完整，与前述经验公式确定范围基本相当。
3、C25下保护层开采后，距C25下保护层开采近的C23、C24煤层已严重破坏不可采，C19煤层有一定的破坏但顶板再生或加固后煤层可采。
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图4 1号钻孔位置煤岩层剖面图
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图5 1号钻孔各煤层录像对比图
3.4 地质雷达物探
1、地质雷达探测方案
为了考察下保护层C25开采后对主采煤层C19煤层底板的破坏情况，C19煤层巷道掘进后底板卸压松动对支护的影响等，特在12519风巷底板采用地质雷达进行了物探。本次使用SIR-20型多通道透视雷达（图6），采用100MHz天线在石屏煤矿12519考察巷进行了150m的底（顶）板探测，前35m为煤柱区，35m以后为C25采空区，每30m探测一个剖面，探测深度为12m，物探测线5条共10个剖面，探测的12519考察巷底板对应的C25煤层垂直高差为28～35m，因探测深度仅为12m，所以探测位置大致在C23煤层顶板至C19煤层底板间岩层破坏情况。
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图6 SIR-20型多通道透视雷达
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2、地质雷达物探结论
根据物探结果统计，12519考察巷底板异常深度如表1所示。从探测结果图（此处只列出图7）可以得出：
（1）12519考察巷0～75m段3m以下底板比较破碎，应该为C25煤层顶板冒落带，3m以下范围进入裂隙带。
（2）12519考察巷75～150m段底板比较完整，仅有小裂纹，判断在探测的12m以浅范围均属于C25煤层顶板裂隙带。
（3）12519考察巷0～75m段与75～150m段差异应该与C25煤层开采时间先后有关系，0～75m段为靠近煤柱的离层区，而75～150m段应为采空区中部的重新压实区。
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3.5井巷验证
为了验证C19主采煤层受下保护层开采后破坏影响程度，采用了最直观的井巷工程验证法。在11024工作面和12519工作面采空区上方C19煤层分别施工考察巷。通过井巷工程表明：C25煤层开采后，对应上覆C19煤层顶底板及煤体较为完整，局部可见细小裂缝。
4结论
（1）理论计算“三带”结果：冒落带最大高度为6.40～10.80m，裂隙带最大高度为17.29～28.49m。
（2）通过深基点法结果：C25煤层回采后，对应C19煤层平均相对变形量13.6%。
（3）地质雷达考察“三带”结果：冒落带5.3~13.3m（C25采高4~11倍）, 裂隙带最大高度为23.8~27.3m（C25采高19~21倍）。
（4）12519考察巷施工3个钻孔，工程窥视检验近距离C19下、C23、C24煤层的破坏程度结果：3个钻孔录像均显示C24、C23煤层破坏严重，开采条件被破坏；C19煤层位于裂隙带中，开采条件完好。
（5）对比分析数据模拟、考察钻孔参数和《防突规定》三中方法所得缷压角结果，确定出石屏一矿C25下保护层开采后C19被保护层走向缷压角为59°；倾向缷压角机巷侧为72°、风巷侧为81°。
参考文献：
[1]张宏伟等.长平矿下保护层开采上覆煤岩体卸压变形分析[J]. 辽宁工程技术大学学报.2016. ，35（3）:225 ～230.
[2]方昌才.保护层开采上覆煤岩变形移动及瓦斯抽采效果[J]. 安徽理工大学学报.2012. ，32（2）:35 ～40.