王 晶，王晓蕾

( 吕梁学院 矿业工程系，山西 吕梁 033000 )

我国是一个煤炭大国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位[1-2]，对我国经济发展具有重要的促进作用[3]。随着我国煤炭的大量回采，浅埋深煤炭资源已趋于枯竭，煤炭企业不得不转向深部开采，我国煤矿开采深度正以每年8～12 m的速度向下延 伸[4-5]。随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量增加、吸附性增强、渗透率降低[6]。煤与瓦斯突出事故发生概率越来越高，严重影响煤矿的安全生产[7]。

保护层开采是区域防突的有效方法之一。当开采保护层时，原始应力平衡状态被打破，保护层周围煤岩体发生破坏[8]，形成应力降低区，同时产生裂隙，透气性发生改变。被保护层内瓦斯得以卸压，瓦斯压力和含量降低，从而降低煤层瓦斯突出危险性[9-10]。所以，保护层开采时被保护层裂隙演化和卸压特征是判断保护层开采效果的关键因素。

针对保护层开采时被保护层裂隙演化和卸压特征的研究，闫浩[11]等采用上保护层开采技术对深部矿井无常规保护层的高瓦斯透气煤层安全开采进行了研究，通过数值模拟软件进行了有效模拟，并应用于平煤十二矿，取得了良好的效果；涂敏[12]等利用数值模拟软件对保护层开采后覆岩裂隙发育特征以及卸压增透效果进行了研究，并利用该成果对顾桥煤矿瓦斯进行了治理，瓦斯抽采率达到50%以上，实现了工作面的安全回采；齐庆新[13]等为解决沙曲煤矿近距离突出危险煤层群开采瓦斯防治问题，采用理论分析、模拟研究以及现场实测对其22201工作面进行了分析，得出了保护层开采后具有较好效果的结论，并在实测中进行了应用，保证了良好的抽采效果；何祥[14]等以潘二煤矿为试验矿井，采用相似模拟试验和数值模拟试验以及现场测试相结合的方法对保护层开采煤层卸压增透以及抽采效果进行了研究，卸压瓦斯抽采率可达69%以上，煤层渗透率增加了2 000倍以上，证实了该技术的可行性；施峰[15]等采用相似模拟技术对南桐矿区不同间距下保护层开采时被保护层开采效果进行了研究，随着间距的增加被保护层的卸压范围增加，且随层间距的增加保护范围呈加速减小趋势；霍丙杰[16]等采用相似模拟技术对长平矿保护层开采煤层渗透性变化进行了分析，保护层开采后被保护层变形率和渗透率都较大，渗透性增大了1倍多，对于矿井瓦斯治理具有很好的理论支撑；张宏伟[17]等采用相似模拟技术对长平煤矿低渗透煤层开采卸压效果进行了研究，卸压后渗透率提高了30多倍，达到了开采卸压的保护效果。

以上学者主要通过相似模拟、数值模拟对保护层开采影响范围以及覆岩移动变化特征进行了研究，但缺乏对被保护层裂隙演化以及渗透性的研究。为此本文以某矿为试验矿井，采用钻孔电视窥视和分段注水试验对保护层开采过程中被保护层裂隙及渗透变化特征进行分析，并对保护层开采过程中渗透特性进行了模拟研究。

1 工程概况及观测设备

1.1 工程概况

该煤矿生产能力0.3 Mt/a。井田内存在19号、25号两层煤，其平均厚度分别为2.0，1.8 m。采用综采一次采全高的开采工艺，自然垮落法管理顶板。其中19号煤层属于煤与瓦斯突出煤层，瓦斯压力达到1.01 MPa，瓦斯含量为14.01 m3/t，煤层透气性较差，进行常规钻孔瓦斯抽采时很难达到治理效果，无法实现抽放瓦斯的目的。25号煤层气瓦斯压力为0.5 MPa，瓦斯含量7.9 m3/t，与19号煤层的瓦斯压力和突出危险性相比均较低。为了提高19号煤层的透气性，可选择25号煤层作为下保护层开采从而防治煤与瓦斯突出事故发生，在25号煤层中布置首采工作面11023。根据工作面实际情况以及地质特征布置编号分别为①，②的2个钻孔进行观测，钻孔布置如图1所示，①和②号钻孔深度为35 m，垂直于煤壁仰角45°布置，钻孔间距35 m。

图1 钻孔布置示意 Fig. 1 Schematic of borehole layout

1.2 测试设备

1.2.1 钻孔电视窥视装置

钻孔电视采用防爆型钻孔成像装置，其主要由成像系统、测深系统、处理系统3部分组成。其系统结构如图2所示。

图2 钻孔电视系统 Fig. 2 Drilling television system

其成像原理是在井下设备中采用了一种特殊的反射棱镜成像的CCD光学耦合器件将钻孔孔壁图像以360°全方位连续显现出来，利用处理系统将采集到的钻孔图像进行处理，测试中不断采集和保存，最后通过二维或三维的图片形式呈现，通过图片能够清楚地查明钻孔裂隙张开特征以及构造特征等全方位信息。图像转变系统结构如图3所示。

图3 钻孔图像转变系统结构 Fig. 3 Structure of drilling image transformation system

1.2.2 钻孔注水设备

钻孔设备采用山东科技大学的双栓塞分段注水装置，其包含测试装置、封孔装置、操作装置3部分。其系统结构如图4所示。

图4 分段注水系统 Fig. 4 Subsection water injection system

钻孔分段注水装置测试原理是保护层回采前被保护层处于原始状态，当保护层开采后，原始状 态被打破，受到采动影响的作用，被保护层发生位移、破断，同时形成采动裂隙，裂隙发育度会发生改变，通过测试不同段的注水量，可定性判断其裂隙发育程度。

2 被保护层裂隙发育

采用钻孔电视窥视和分段注水装置探测被保护层裂隙发育情况，为了准确掌握裂隙发育情况和提高测试效率，采用多孔测试、一孔多用的原则。试验中为了避免注水对裂隙的破坏造成钻孔电视窥视结果不准确，在试验中先进行钻孔电视窥视，再进行分段注水试验。

2.1 钻孔电视窥视

采用钻孔窥视装置对被保护层进行裂隙观测，观测图像如图5所示。

图5 裂隙发育特征 Fig. 5 Characteristics of fracture development

由钻孔电视窥视结果可知，保护层开采前，被保护层裂隙数量较少，裂隙宽度较小，裂隙发育度较低；当保护层开采后，裂隙数量明显增多且裂隙宽度有一定增加。为了进一步分析裂隙发育特征对保护层开采前后裂隙进行数字化分析，分析裂隙数量与宽度的关系特征，得出裂隙数量与宽度曲线、裂隙宽度比例的曲线图，如图6，7所示。

裂隙宽度反映了受保护层开采影响被保护层裂隙发育的程度。由图6和图7可知，保护层开采后，被保护层裂隙宽度多集中在10 mm以下，占所有裂隙的83.3%。当保护层开采后，受采动影响，裂隙宽度和数量有所增加，主要集中在10～20 mm之间，占所有裂隙的75%。这说明保护层开采后被保护层受采动影响，裂隙发育度升高。

图6 裂隙数量与宽度关系曲线 Fig. 6 Relationship between the number and width of fractures

图7 裂隙宽度分布曲线 Fig. 7 Fracture width distribution curves

2.2 分段注水试验

试验中测试段长度为1 m，为了提高试验准确度，每个测试段进行3次试验，取平均值，注水时间设置为5 min，注水压力为0.4 MPa。保护层开采前被保护层注水特征如图8所示。

由图8可知，保护层开采前被保护层钻孔注水量保持在8 L/min左右，裂隙发育程度整体偏低。当保护层开采后，被保护层钻孔注水量明显提高，注水量可达到24 L/min，是开采前的3倍，受保护层采动影响，被保护层裂隙发育程度明显提高。采动对于裂隙发育具有很好的促进作用。

图8 钻孔注水量曲线 Fig. 8 Water injection curves

3 被保护层增透相似模拟试验

由裂隙演化可知，25号煤层进行下保护层开采，其影响范围可以达到被保护的19号煤层，其影响程度以及卸压增透效果如何还需要进一步分析，为了明确下保护层开采后被保护层的影响特征，采用相似模拟对其进行分析，试验中采用可伸缩箱式渗透性测试系统，系统结构如图9所示[18]。

图9 相似模拟结构 Fig. 9 Characteristics of fracture development

为了更好地观测保护层开采过程中被保护层变化特征，采用二维模拟装置进行研究。相似模拟试验台尺寸为2.9 m×2.0 m×0.3 m( 长×高×宽 )。以细沙、石灰、石膏为骨料，硼砂为胶结材料，以云母模拟岩层分层。根据工作面实际情况确定几何相似比为100∶1，密度比为1.6∶1.0，强度比为160∶1，时间比为10∶1。为了补偿覆岩320 m的自重应力，施加0.05 MPa的垂直应力。开挖过程中两侧留设保护煤柱，根据工作面开采实际情况进行开挖。

3.1 开采被保护层应力特征

保护层开采后，原始应力平衡状态被打破，应力将重新分布，为了分析保护层开采后对被保护层应力的影响，对被保护层应力进行分析。

在19号煤层中每隔10 cm布置1个测点，初始测点距离左侧10 cm。共布置15个测点，测点布置如图10所示。开挖过程中被保护层各测点应力变化特征如图11所示。

图10 应力测点布置 Fig. 10 Layout of stress points

图11 应力分布曲线 Fig. 11 Stress distribution curves

由图11可知，保护层开采后，被保护层应力平衡被打破，出现明显的应力降低区。在保护煤柱以及煤壁两侧出现了应力升高区。沿工作面开采方向将上覆岩层应力划分为原岩应力区、支撑应力区、开采卸压区、应力恢复区4个区，如图12所示。

图12 应力分区特征 Fig. 12 Characteristics of stress zoning

当保护层开采到50 m时，被保护层煤壁和保护煤柱附近出现了应力集中现象，应力集中系数分别为1.50，1.42。工作面后方20～45 m范围内被保护层应力降低到6.8～7.3 MPa，形成了卸压区，卸压系数最高可达到28%。当保护层开采到100 m时，被保护层卸压范围进一步扩大，开切眼前方20～70 m范围内形成了卸压区，应力最低降到3.4 MPa。由此可知，保护层开采后，受采动影响被保护层应力得到有效释放。

3.2 保护层开采过程中被保护层增透特征

当相似模拟试验模型形成后，打开高压氮气瓶，通入1.5 MPa的氮气，同时观察压力表读数，检测该系统的密闭性。当通入高压氮气1 h后，压力表读数为1.481 MPa，压力损耗0.019 MPa，损耗率为1.2%。由此可知，密闭性较好，可以进行被保护层卸压增透效果试验，通过氮气流量测定被保护层渗透率。保护层开采过程中被保护层渗透率变化如图13所示。

图13 渗透率分布曲线 Fig. 13 Permeability distribution curves

当工作面开采到110 m时，工作面煤壁距被保护层渗透率测试系统中的1号垂直距离为30 m，结合应力监测，出气口位置未受到采动影响，该次测试的被保护层渗透率为未采动影响下的渗透率，为3.61×10-11m2。由测定结果可知，被保护层渗透率与应力变化存在紧密联系，当应力增加时渗透率减少，应力减少时渗透率升高。

原岩应力区距离工作面较远，基本上不受保护层采动影响，渗透率保持稳定；支撑应力区属于应力升高区，受应力增高影响，采动裂隙闭合，渗透率降低；开采卸压区主要位于采空区上方，裂隙发育度较高，渗透率较高；应力恢复区受采动影响产生裂隙，但应力已恢复，因此，裂隙有一定闭合，渗透率降低。以保护层开采到170 m进行分析，根据应力特征可知，1号和2号进气口处于卸压区内，其渗透率明显提高，可达到32.2×10-11和24.3×10-11m2。3号至6号出气口位于支撑应力区内，其渗透率明显降低，最低值为1.42×10-11m2。7号至9号出气口基本上处于原岩应力区内，其渗透率基本上与未开采时相同，为3.62×10-11～3.64×10-11m2。以原岩应力区渗透率作为对比值，不同分区渗透强度变化如图14所示。

图14 应力分区与渗透率强度关系 Fig. 14 Characteristics of stress zoning

4 被保护层卸压数值模拟试验

由现场测试以及相似模拟试验可知，25号煤层作为19号煤的下保护层进行开采，其顶板的影响范围可达到被保护层19号煤，但影响程度以及卸压增透效果如何，有待进一步分析。

为了进一步明确下保护层开采后对于被保护层的影响特征，采用FLAC3D数值模拟软件，建立数值模拟模型分别对保护层开采后被保护层卸压特征、膨胀特性两个方面进行分析研究，进一步验证该方法在该矿实施的合理性[19]。

以11023工作面25号煤层开采卸压保护19号煤层为工程背景，构建了数值模拟模型，如图15所示。本次数值模拟试验采用摩尔－库伦模型，其物理力学参数见表1。模型底部和左右设置为固定边界，上部自由。

图15 数值模拟模型 Fig. 15 Numerical simulation model

表1 物理力学参数 Table 1 Mechanical and physical parameters

4.1 开采被保护层卸压特征

保护层开采后，受采动影响被保护层能够进行卸压，采用卸压率对其进行评价，计算公式为

式中，sη为被保护层卸压率； 'zσ为卸压垂直应力； zσ为未开采时的垂直应力。

通过式( 1 )得出工作面开采过程中被保护层的卸压率曲线，如图16所示。

图16 卸压率曲线 Fig. 16 Pressure relief rate curve

由图16可知，当保护层开采到300 m时，被保护层出现了卸压，距离开切眼50和260 m卸压效率最高达到了1.45，中部地区保持在0.5左右，卸压率曲线整体呈“沟渠状”分布，其应力平均下降了将近50%，说明保护层开采对被保护层有很好的卸压作用。

4.2 开采被保护层膨胀特征

对保护层开采过程中被保护层顶底板位移变形量进行监测，以膨胀率为判定依据，其计算公式为

式中，ξ为被保护层的膨胀率；u为保护层开采过程中被保护层顶底板位移差；M为被保护层厚度。

通过计算得出保护层开采过程中被保护层膨胀率曲线，如图17所示。

图17 膨胀率曲线 Fig. 17 Inflation curve

由图17可知，保护层开采后，被保护层顶底板产生了相对位移。其膨胀率曲线呈现两边高中间低的“沟渠状”分布，膨胀率整体大于煤矿《防治煤与瓦斯突出细则》的3‰的要求。该煤矿实行保护层开采达到了卸压增透的效果。

5 综合分析

由保护层开采前后被保护层注水量以及裂隙发育特征对比分析可知，保护层开采前被保护层钻孔注水量较低，在裂隙发育特征图像上裂隙发育量极小且裂隙发育宽度较低；当保护层开采后被保护层钻孔注水量明显提高，是保护层开采前的3倍，在裂隙发育特征图像上裂隙发育量明显提高且裂隙数量明显增加。钻孔电视探测与分段注水试验具有较好的一致性，进一步证实了现场测试的准确度。

保护层开采前被保护层钻孔注水量及裂隙发育量较低，而在相似模拟中保护层未开采前被保护层裂隙渗透率极低，为3.61×10-11m2，其应力处于原始应力状态；当保护层开采后，被保护层钻孔注水量及裂隙发育程度明显提高，而在相似模拟中保护层开采后被保护层裂隙渗透率明显提高，保护层开采能够有效提高被保护层裂隙渗透率；相似模拟试验中当应力增加时渗透率减少，应力减少时渗透率升高，与数值模拟试验中应力相比平均下降了近50%，而被保护层卸压率有较高提升的结论相一致，进一步证实了保护层开采引起的应力变化对于被保护层卸压具有较好的促进作用。

综合现场测试、相似模拟、数值模拟试验，保护层开采后被保护层裂隙发育度明显提高，被保护层具有明显的应力降低和卸压率提高，被保护层膨胀率超过细则规定，当进行保护层开采时，被保护层渗透率增加，促进被保护层瓦斯解吸和扩散速度的提升，提高瓦斯治理效果。因此，该煤矿实行保护层开采是可行的。

6 结 论

( 1 ) 保护层开采前，被保护层裂隙发育数量和宽度较小，保护层开采后，裂隙数量和宽度明显增加，裂隙发育度提高。

( 2 ) 保护层开采后被保护层出现了原岩应力区、支撑应力区、开采卸压区、应力恢复区4个区，卸压区内渗透率是未开采前的7倍以上。

( 3 ) 保护层开采后，被保护层卸压幅度将近50%，卸压率曲线呈“沟渠状”分布。

( 4 ) 保护层开采后，被保护层膨胀率整体大于3‰，满足《防治煤与瓦斯突出细则》的要求，因此实行保护层开采可以达到卸压增透的效果。