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摘要：针对薄煤层煤层开挖后覆岩破裂移动规律、煤岩体应力和变形分布特征一般特征规律，运用理论分析的方法分析了北翼2号薄煤层上保护层开采时煤层底板裂隙发育规律和应力分布情况，将底板受到采动影响的煤岩层分为底板底鼓裂隙带和底板底鼓变形带;沿工作面推进方向上，将底部煤岩层应力划分为应力集中区、应力降低区和应力恢复区。结合煤岩题裂隙分布对煤层群卸压瓦斯运移规律进行了分析。
关键词：上保护层;裂隙分布;卸压瓦斯;应力分布
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-04-324
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我国薄煤层（煤层厚度小于1.3m）资源分布广泛，且煤质较好，在已探明矿区中，全国84.2%的矿区均有薄煤层分布，储量占全国煤炭储量的20%以上，在一些特殊省份的薄煤层比重更大，由于薄煤层开采难度大、投入产出比低等原因，产量只占总产量的10.4%，对薄煤层没有进行更好的开发利用。所以未来我国对薄煤层的开采将会更加广泛。因此，对薄煤层上保护层沿空留巷无煤柱开采全面卸压数值模拟研究提供了研究对象。
1 矿井基本概况
某煤矿位于六盘水市钟山区大湾镇和威宁县东风镇境内，某煤矿全长约50km;矿区东到贵阳290km，北至重庆580km，西至昆明450km。该煤矿为平硐+斜井开拓，单水平上下山开采，开采方式为走向长壁后退式，采用综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板，设计生产能力90万t/a，服务年限79a。某煤礦自投产以来，曾发生过多次煤与瓦斯突出现象，突出发生在11#煤层。
井田含可采及局部可采煤层6层，即2#、4#、7#、8#、9#、11#煤层，总厚度为5.55～18.48米，一般为11.27米，主要可采煤层为2#、4#、11#，局部可采煤层为7#、8#、9#，煤层平均倾角在7～12°，其余煤层均不可采。矿井属于煤与瓦斯突出矿井，建矿至今在11#煤层掘进工作面发生过4次瓦斯动力现象。经重庆煤炭科学研究院于2003年8月鉴定：11#煤层为突出煤层，矿井为煤与瓦斯突出矿井。根据《某煤矿2009年度矿井瓦斯等级鉴定报告》，全矿井绝对瓦斯涌出量为78.03m3/min（其中四采区绝对瓦斯涌出量为43.27m3/min，三采区绝对瓦斯涌出量为34.76m3/min），相对涌出量为36.26 m3/t。
2上保护层开采后下伏煤岩体裂隙分带及应力分布
薄煤层上保护层开采后，地层原岩应力状态被破坏，采空区底板煤岩层受采动影响发生卸压增透过程，透气性增大，卸压煤层瓦斯发生“解吸—扩散—渗流”的活化流动现象，且大量卸压煤层瓦斯将沿层间离层和穿层裂隙涌入保护层工作面，结合瓦斯运移积聚规律，提出针对性的卸压被保护层瓦斯抽采技术措施，以保障高瓦斯煤层群的安全高效开采[1-2]。国内许多学者从采场底板突水预防的角度对底板下伏煤岩体的变形破坏状态展开了研究，取得了大量的研究成果，有将分为“下三带”，从下至上依次划分为：承压导水带、隔水带和底板破裂带，或称为承压水导升带、保护层带和底板导水破坏带;也有划分为“下四带”，从下至上依次划分为：原始导高带、原始损伤带、新增损伤带和矿压破坏带。虽然从采场底板突水防治技术方面对底板分带展开了研究，但研究结果没有形成统一的指导性理论，底板分带种类较多，研究结果无法直接应用于保护层开采技术中。
随着对煤层瓦斯研究的深入，国内研究学者从保护层开采的角度对底板进行分类，将上保护层工作面开采后，在一定深度范围内，采空区底板煤岩层发生底鼓破坏和底鼓变形，在纵向方向上，受到上保护层开采采动影响，在一定深度范围内，采空区底板煤岩层裂隙发育状况呈现一定的规律，将其划分为两带：底鼓裂隙带和底鼓变形带，如图1所示。
底鼓裂隙带受上保护层开采对底板的破坏作用显著，底板煤岩层的弹性性能遭到明显破坏，煤岩层处于粘弹性状态（对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性）;煤岩层的连续性彻底破坏，各种裂隙交织成网，贯通性好，带内裂隙主要为煤岩层破断后垂直、斜交层理形成的穿层裂隙和离层后形成的沿层理的顺层离层裂隙，穿层裂隙是下被保护层卸压瓦斯涌入上保护层工作面的主要通道。底鼓变形带受上保护层开采对底板的影响作用明显，未对其产生明显的破坏作用，仅引起煤岩层的弹性形变，其特点为：底板煤岩层的的弹性状态发生改变，原有抗压强度显著下降;煤岩层发生明显的变形，但其连续性未遭到破坏，底鼓变形带内裂隙以顺层张裂隙为主，沿层理发育扩展，且裂隙随着深度的增加而减少，煤层卸压瓦斯大量解析并汇聚在该裂隙带内。
3煤层群卸压瓦斯在采场空间运移规律
（1）沿煤层走向卸压瓦斯的移动规律
沿煤层走向方向上，受上保护层开采的影响，在下被保护层中形成一定的卸压范围，卸压区内煤层瓦斯大量解析。卸压范围通常以卸压角表示，卸压角与煤层倾角和煤岩层的性质等有关，倾角越大卸压角越大，煤岩层性质越软卸压角越大。该煤矿北翼2号薄煤层开采后，沿煤层走向卸压角δ3约为57°，下邻近3+4号、5号煤处于卸压保护范围内。
受2号薄煤层上保护层采动影响，下邻近被保护3+4号、5号煤层产生卸压增透过程，煤层瓦斯大量解析，并沿层间离层和穿层裂隙涌向上保护层回采工作面，最后大量富集于采空区顶板裂隙带内。现场该煤矿北翼2号薄煤层22201上保护层工作面采用Y型通风方式，辅助运输巷和机轨合一巷进风，沿空留巷回风，所以工作面瓦斯有向机轨合一巷侧汇聚的趋势。沿煤层走向上保护层瓦斯的运移和储集如图3所示。
（2）沿煤层倾向卸压瓦斯的移运规律
经过分析可知，该煤矿北翼2号薄煤层上保护层开采时沿倾斜推进方向下被保护层受保护层采动的影响，底板煤岩层依次经历：原岩应力区、应力集中区、应力降低区和应力恢复区，其煤岩体卸压过程大致划分为三个区段：由开始卸压到充分卸压最后达到稳定期，从而引起卸压煤层瓦斯涌出从开始期经活跃期到衰退期向采空区涌出过程的反应，如图4所示。
通过理论分析和数值模拟分析表明：2号薄煤层开采时，工作面后方90m以外为卸压煤层瓦斯涌出的衰退期;工作面后方30～90m为卸压煤层瓦斯涌出的活跃期;工作面煤壁前方约25m至工作面后方30m左右为卸压煤层瓦斯涌出的开始期。当被保护层瓦斯抽采钻孔处于在活跃期范围时，即距离工作面后方30～90m，抽采瓦斯效果最好，一般抽采瓦斯浓度在80%以上，且流量稳定。
（3）沿煤层垂向卸压瓦斯的移动规律
该煤矿北翼2号薄煤层回采时，在煤层顶底板中将发生不同程度的破坏和变形，工作面上部覆岩依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，工作面下部依次形成底板底鼓裂隙带和底板底鼓变形带，距离开采层越近裂隙发育越充分，解析出的瓦斯量越大。图5为垂直工作面方向的顶底板分带与瓦斯分布图。
通过理论分析可知，薄煤层上保护层工作面开采过程中，在倾向方向上形成的卸压角δ1约为76°，δ2约为77°，受上保护层开采采动的影响，按卸压煤层群瓦斯涌出的来源将其划分为两类：一是邻近被保护层卸压瓦斯的解吸涌出，二是保护层本煤层开采的卸压瓦斯涌出。该煤矿北翼2号薄煤层回采后，地层煤岩系原始应力的平衡状态被破坏，引起煤岩体的变形破坏，离层和穿层裂隙大量发育扩展，从而使得煤层透气性增大，煤层原始瓦斯压力的平衡状态被破坏，在垂直煤层方向上形成瓦斯流动，下邻近被保护3+4号、5号煤层卸压瓦斯沿裂隙涌向2号薄煤层保护层回采工作面，造成上保护层回采过程中工作面瓦斯急剧增加。
参考文献
[1]秦子晗，潘俊锋，任 勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理[J].煤矿开采，2010，（4）：85-86.
[2]杨 柳.上保护层开采卸压数值模拟与保护效果考察[J].煤矿安全，2011（7）：129-131.
[3]王金安，王树仁，冯锦艳，等.岩土工程数值计算方法实用教程[M].福建：科学出版社，2010.
作者简介：
邓成海（1997.09-），男，汉族，贵州省赫章县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究
项目基金：国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202010977017）
作者单位：六盘水师范学院矿业与土木工程学院
关键词：上保护层;裂隙分布;卸压瓦斯;应力分布
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-04-324
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我国薄煤层（煤层厚度小于1.3m）资源分布广泛，且煤质较好，在已探明矿区中，全国84.2%的矿区均有薄煤层分布，储量占全国煤炭储量的20%以上，在一些特殊省份的薄煤层比重更大，由于薄煤层开采难度大、投入产出比低等原因，产量只占总产量的10.4%，对薄煤层没有进行更好的开发利用。所以未来我国对薄煤层的开采将会更加广泛。因此，对薄煤层上保护层沿空留巷无煤柱开采全面卸压数值模拟研究提供了研究对象。
1 矿井基本概况
某煤矿位于六盘水市钟山区大湾镇和威宁县东风镇境内，某煤矿全长约50km;矿区东到贵阳290km，北至重庆580km，西至昆明450km。该煤矿为平硐+斜井开拓，单水平上下山开采，开采方式为走向长壁后退式，采用综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板，设计生产能力90万t/a，服务年限79a。某煤礦自投产以来，曾发生过多次煤与瓦斯突出现象，突出发生在11#煤层。
井田含可采及局部可采煤层6层，即2#、4#、7#、8#、9#、11#煤层，总厚度为5.55～18.48米，一般为11.27米，主要可采煤层为2#、4#、11#，局部可采煤层为7#、8#、9#，煤层平均倾角在7～12°，其余煤层均不可采。矿井属于煤与瓦斯突出矿井，建矿至今在11#煤层掘进工作面发生过4次瓦斯动力现象。经重庆煤炭科学研究院于2003年8月鉴定：11#煤层为突出煤层，矿井为煤与瓦斯突出矿井。根据《某煤矿2009年度矿井瓦斯等级鉴定报告》，全矿井绝对瓦斯涌出量为78.03m3/min（其中四采区绝对瓦斯涌出量为43.27m3/min，三采区绝对瓦斯涌出量为34.76m3/min），相对涌出量为36.26 m3/t。
2上保护层开采后下伏煤岩体裂隙分带及应力分布
薄煤层上保护层开采后，地层原岩应力状态被破坏，采空区底板煤岩层受采动影响发生卸压增透过程，透气性增大，卸压煤层瓦斯发生“解吸—扩散—渗流”的活化流动现象，且大量卸压煤层瓦斯将沿层间离层和穿层裂隙涌入保护层工作面，结合瓦斯运移积聚规律，提出针对性的卸压被保护层瓦斯抽采技术措施，以保障高瓦斯煤层群的安全高效开采[1-2]。国内许多学者从采场底板突水预防的角度对底板下伏煤岩体的变形破坏状态展开了研究，取得了大量的研究成果，有将分为“下三带”，从下至上依次划分为：承压导水带、隔水带和底板破裂带，或称为承压水导升带、保护层带和底板导水破坏带;也有划分为“下四带”，从下至上依次划分为：原始导高带、原始损伤带、新增损伤带和矿压破坏带。虽然从采场底板突水防治技术方面对底板分带展开了研究，但研究结果没有形成统一的指导性理论，底板分带种类较多，研究结果无法直接应用于保护层开采技术中。
随着对煤层瓦斯研究的深入，国内研究学者从保护层开采的角度对底板进行分类，将上保护层工作面开采后，在一定深度范围内，采空区底板煤岩层发生底鼓破坏和底鼓变形，在纵向方向上，受到上保护层开采采动影响，在一定深度范围内，采空区底板煤岩层裂隙发育状况呈现一定的规律，将其划分为两带：底鼓裂隙带和底鼓变形带，如图1所示。
底鼓裂隙带受上保护层开采对底板的破坏作用显著，底板煤岩层的弹性性能遭到明显破坏，煤岩层处于粘弹性状态（对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性）;煤岩层的连续性彻底破坏，各种裂隙交织成网，贯通性好，带内裂隙主要为煤岩层破断后垂直、斜交层理形成的穿层裂隙和离层后形成的沿层理的顺层离层裂隙，穿层裂隙是下被保护层卸压瓦斯涌入上保护层工作面的主要通道。底鼓变形带受上保护层开采对底板的影响作用明显，未对其产生明显的破坏作用，仅引起煤岩层的弹性形变，其特点为：底板煤岩层的的弹性状态发生改变，原有抗压强度显著下降;煤岩层发生明显的变形，但其连续性未遭到破坏，底鼓变形带内裂隙以顺层张裂隙为主，沿层理发育扩展，且裂隙随着深度的增加而减少，煤层卸压瓦斯大量解析并汇聚在该裂隙带内。
3煤层群卸压瓦斯在采场空间运移规律
（1）沿煤层走向卸压瓦斯的移动规律
沿煤层走向方向上，受上保护层开采的影响，在下被保护层中形成一定的卸压范围，卸压区内煤层瓦斯大量解析。卸压范围通常以卸压角表示，卸压角与煤层倾角和煤岩层的性质等有关，倾角越大卸压角越大，煤岩层性质越软卸压角越大。该煤矿北翼2号薄煤层开采后，沿煤层走向卸压角δ3约为57°，下邻近3+4号、5号煤处于卸压保护范围内。
受2号薄煤层上保护层采动影响，下邻近被保护3+4号、5号煤层产生卸压增透过程，煤层瓦斯大量解析，并沿层间离层和穿层裂隙涌向上保护层回采工作面，最后大量富集于采空区顶板裂隙带内。现场该煤矿北翼2号薄煤层22201上保护层工作面采用Y型通风方式，辅助运输巷和机轨合一巷进风，沿空留巷回风，所以工作面瓦斯有向机轨合一巷侧汇聚的趋势。沿煤层走向上保护层瓦斯的运移和储集如图3所示。
（2）沿煤层倾向卸压瓦斯的移运规律
经过分析可知，该煤矿北翼2号薄煤层上保护层开采时沿倾斜推进方向下被保护层受保护层采动的影响，底板煤岩层依次经历：原岩应力区、应力集中区、应力降低区和应力恢复区，其煤岩体卸压过程大致划分为三个区段：由开始卸压到充分卸压最后达到稳定期，从而引起卸压煤层瓦斯涌出从开始期经活跃期到衰退期向采空区涌出过程的反应，如图4所示。
通过理论分析和数值模拟分析表明：2号薄煤层开采时，工作面后方90m以外为卸压煤层瓦斯涌出的衰退期;工作面后方30～90m为卸压煤层瓦斯涌出的活跃期;工作面煤壁前方约25m至工作面后方30m左右为卸压煤层瓦斯涌出的开始期。当被保护层瓦斯抽采钻孔处于在活跃期范围时，即距离工作面后方30～90m，抽采瓦斯效果最好，一般抽采瓦斯浓度在80%以上，且流量稳定。
（3）沿煤层垂向卸压瓦斯的移动规律
该煤矿北翼2号薄煤层回采时，在煤层顶底板中将发生不同程度的破坏和变形，工作面上部覆岩依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，工作面下部依次形成底板底鼓裂隙带和底板底鼓变形带，距离开采层越近裂隙发育越充分，解析出的瓦斯量越大。图5为垂直工作面方向的顶底板分带与瓦斯分布图。
通过理论分析可知，薄煤层上保护层工作面开采过程中，在倾向方向上形成的卸压角δ1约为76°，δ2约为77°，受上保护层开采采动的影响，按卸压煤层群瓦斯涌出的来源将其划分为两类：一是邻近被保护层卸压瓦斯的解吸涌出，二是保护层本煤层开采的卸压瓦斯涌出。该煤矿北翼2号薄煤层回采后，地层煤岩系原始应力的平衡状态被破坏，引起煤岩体的变形破坏，离层和穿层裂隙大量发育扩展，从而使得煤层透气性增大，煤层原始瓦斯压力的平衡状态被破坏，在垂直煤层方向上形成瓦斯流动，下邻近被保护3+4号、5号煤层卸压瓦斯沿裂隙涌向2号薄煤层保护层回采工作面，造成上保护层回采过程中工作面瓦斯急剧增加。
参考文献
[1]秦子晗，潘俊锋，任 勇.薄煤层作为保护层开采的卸压机理[J].煤矿开采，2010，（4）：85-86.
[2]杨 柳.上保护层开采卸压数值模拟与保护效果考察[J].煤矿安全，2011（7）：129-131.
[3]王金安，王树仁，冯锦艳，等.岩土工程数值计算方法实用教程[M].福建：科学出版社，2010.
作者简介：
邓成海（1997.09-），男，汉族，贵州省赫章县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究
项目基金：国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202010977017）
作者单位：六盘水师范学院矿业与土木工程学院