0 引 言
煤炭是我国的主导能源，到2030 年煤炭占一次能源消费的比例仍在50%以上，煤炭仍将是保障我国能源安全稳定的基础能源[1-2]。然而，我国53%的资源埋深在千米以下，随着开采能力和机械化程度的提高，矿井正以平均每年8～25 m(局部达40 m)的速度向深部延伸[3]，采深最大的已超过1 300 m[4]，深部矿井煤与瓦斯突出(简称“突出”)危险性显著加大[5]。
突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质共同作用的结果[6]，是煤矿井下一种复杂动力现象，突出机理复杂、影响因素众多[7-8]，突出防治仍是一项世界性难题。国内外学者对深井突出机理进行了大量研究，普遍认为高应力的作用显著加强[9]，我国安徽、辽宁、江西等省份深部矿井均出现了以地应力为主导的动力灾害[10-11]，深井突出防治应采取有效的卸压方法[12]。开采保护层被国内外实践证明是防治突出的一种最经济、最可靠的卸压措施[13]，保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采已成为我国煤矿优先推广的一种区域性瓦斯治灾技术[14]，部分矿井甚至选择岩层作为保护层开采[15]。
我国煤矿煤层群保护层开采主要依据《防治煤与瓦斯突出细则》进行[16]，其只定性的给出了对于不同煤层类别的保护层选取方法和有效保护垂距范围。但是，深部矿井采动卸压影响程度有别于浅部矿井，远距离煤层群保护层开采卸压效果还与保护层采高、煤层层间距、被保护层厚度等因素有关[17]。基于此，基于特定的工程背景条件，模拟研究远距离煤层群开采卸压关键主控因素及其耦合关系，提出深部远距离煤层群首采保护层优选方法，对类似条件的矿井具有一定的指导意义。
1 工程概况
1.1 基本情况
淮南矿区是我国十分重要的煤炭生产基地之一，矿区可采煤层11～19 层，为典型的煤层群条件。其中，位于主采煤层上段自上而下赋存的13-1、11-2、8煤层为远距离煤层群赋存，在试验矿井朱集西矿一水平(-967 m)平均厚度分别为3.81、1.59、3.19 m，平均间距依次为73.19、80.16 m。朱集西矿13-1、11-2、8煤层赋存情况见表1。
表1 朱集西矿13-1、11-2、8煤层赋存特征
Table 1 Occurrence characteristics of No.13-1，No.11-2 and No.8 coal seams in Zhujixi Mine
注：煤层厚度：
煤层煤层厚度/m煤层间距/m顶底板岩性顶板底板稳定性13-11.69～6.363.8111-20.66～2.271.5980.94～5.823.1963.63～84.3673.1965.1～92.3280.16泥岩粉砂岩泥岩稳定泥岩细砂岩泥岩稳定泥岩砂岩泥岩稳定
1.2 灾害情况分析
经测试，朱集西矿13-1、11-2、8煤层突出危险性参数见表2，各煤层均为突出煤层，11-2煤层的突出危险性相对较弱。根据矿井地质报告，在-951 m东翼回风大巷测得最大和最小主应力分别为27.90、17.76 MPa，地应力侧压比(最大水平主应力与垂直主应力的比值)最大为1.57；13-1、11-2、8煤层顶板厚硬岩层分别为粉砂岩、细砂岩、砂岩，平均厚度分别为10.44、5.50、15.00 m，且对应区段埋深依次增加、动力灾害危险性逐渐加大。同时，依据《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出细则》等相关标准规定[16、18]，从矿井煤层赋存及各煤层动力灾害特征看，13-1、11-2、8煤层中11-2煤层突出危险性相对较小、动力灾害危险性相对较低。
表2 朱集西矿13-1、11-2、8煤层突出参数测试结果
Table 2 Test results of outburst parameters of No.13-1, No.11-2 and No.8 coal seams in Zhujixi Mine
煤层瓦斯压力/MPa瓦斯含量/(m3·t-1)放散初速度/mmHg坚固性系数破坏类型13-11.368.48120.43Ⅲ11-21.208.39130.36Ⅲ81.4510.50110.29—
2 保护层开采卸压主控因素模拟分析
2.1 模拟方案设计
根据朱集西矿工程背景情况，运用FLAC3D5.0数值模拟软件建立模型，模拟开采保护层11-2煤层后，上、下邻近层的应力变化及膨胀变形，进而分析深部远距离煤层群保护层开采卸压主控因素。模型尺寸为380 m×380 m×163 m，各岩层物理力学参数见表3。
表3 数值模拟材料物理力学参数
Table 3 Physical and mechanical parameters of numerical simulation materials
岩性厚度/m密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)泥岩15.22 4606.083.471.01.230细砂岩9.02 87020.0113.522.93.242粉砂岩14.02 46010.838.132.62.7538泥岩9.02 4606.083.471.01.23013-1煤4.01 3504.912.010.91.2532泥岩18.02 4606.083.471.01.230粉砂岩9.02 46010.838.132.62.7538泥岩12.52 4606.083.471.01.230细砂岩9.52 87020.0113.522.93.242泥岩24.02 4606.083.471.01.23011-2煤1.81 4204.912.010.91.2532泥岩23.02 4606.083.471.01.230粉砂岩14.02 46010.838.132.62.7538泥岩12.02 4606.083.471.01.230粉砂岩3.52 46010.838.132.62.7538细砂岩14.52 87020.0113.522.93.242泥岩13.02 4606.083.471.01.2308煤3.21 4004.912.010.91.2532泥岩6.02 4606.083.471.01.230细砂岩5.02 87020.0113.522.93.242泥岩15.02 4606.083.471.01.230
矿井11-2煤层一水平标高-967 m，结合地面标高+23 m、模型顶部边界距11-2煤层124.2 m，按平均密度2 500 kg/m3计算应施加21.6 MPa等效载荷，同时根据实测结果取测压系数1.5。
对于远距离煤层群其卸压效果影响范围有限，当煤层群间存在厚层坚硬关键层时卸压效果更差[19]，不建议作为保护层开采。因此，深部远距离煤层群开采卸压影响因素，重点考虑保护层采高、煤层群间距、保护层采深、被保护层厚度。为了提高数值分析效率，设计采用正交试验方法[20]进行主控因素影响程度分析，对不同的保护层开采模式分别制定4 个水平的正交模拟因素方案，见表4、表5。
表4 保护层开采卸压主控因素正交模拟试验因素
Table 4 Orthogonal simulation test factors of main control factors for pressure relief of protective layer mining
方式水平保护层采高/m煤层层间距/m保护层埋深/m被保护层厚度/m下保护层11.0454002.022.0606004.033.0758006.044.0901 0008.0上保护层11.0354002.022.0456004.033.0558006.044.0651 0008.0
表5 保护层开采卸压主控因素正交模拟试验方案
Table 5 Orthogonal simulation test scheme for main control factors of pressure relief in protective layer mining
方案保护层采高/m煤层层间距(下/上保护层)/m保护层埋深/m被保护层厚度/m11.045/354002.021.060/456004.031.075/558006.041.090/651 0008.052.045/356006.062.060/458008.072.075/551 0002.082.090/654004.093.045/356006.0103.060/458008.0113.075/551 0002.0123.090/654004.0134.045/356006.0144.060/458008.0154.075/551 0002.0164.090/654004.0
2.2 下保护层开采卸压正交模拟
主要研究影响下保护层开采被保护层卸压主控因素的影响程度，故分别取被保护层最大膨胀变形率、最大卸压程度、最大有效卸压宽度作为试验结果，试验结果统计如图1所示。
根据相关标准法规及工程实践[16、21]，卸压有效的指标主要有应变0.3%或应力降幅10%。按图1数值模拟结果统计分析可得直观分析(图2)。被保护层最大膨胀变形量、最大卸压程度、最大有效卸压宽度3 个指标受保护层采高影响的极差最大、其次受煤层层间距的影响也相对较大，因此，对于远距离煤层群下保护层开采对上覆邻近层的卸压效果影响的关键主控因素为保护层采高、煤层层间距。
图1 不同条件下上被保护层应力、应变
Fig.1 Stress and strain curves of upper protected layer under different conditions
图2 各因素水平对上被保护层卸压程度影响直观分析
Fig.2 Visual analysis of influence of each factor level on pressure relief degree of upper protected layer
2.3 上保护层开采卸压正交模拟
使用同样方法，统计上保护层开采被保护层卸压主控因素的影响程度试验结果，如图3所示，最大膨胀变形量、最大卸压程度直观分析如图4所示。
图3 不同条件下下被保护层应力、应变
Fig.3 Stress and strain of lower protected layer under different conditions
图4 各因素水平对下被保护层卸压程度影响直观分析
Fig.4 Visual analysis of influence of each factor level on pressure relief degree of lower protected layer
被保护层最大膨胀变形量、最大卸压程度2个指标受煤层层间距影响的极差最大，因此，对于远距离煤层群上保护层开采对下伏邻近层的卸压效果影响的关键主控因素为煤层层间距。
3 深部远距离煤层群首采层选择方法
3.1 现有标准选择首采保护层的方法
依据《防治煤与瓦斯突出细则》，在突出矿井开采煤层群时，如.在有效保护垂距内存在厚度0.5 m及以上的无突出危险煤层，除因突出煤层距离太近而威胁保护层工作面安全或可能破坏突出煤层开采条件的情况外，首先开采保护层；当煤层群中有几个煤层都可作为保护层时，综合比较分析，择优开采保护效果最好的煤层；当矿井中所有煤层都有突出危险时，选择突出危险程度较小的煤层作保护层先行开采，但采掘前必须按本规定的要求采取预抽煤层瓦斯区域防突措施并进行效果检验；优先选择上保护层，在选择开采下保护层时，不得破坏被保护层的开采条件。
矿井进入深部开采后，地应力显著增加，煤层气压力、含量明显增高而煤岩层透气性更差。但理论分析表明，采动顶板裂隙带高度、底板破坏带深度与采深均密切相关，在深部高应力条件下采动扰动更加剧烈，随着采深的增加顶底板裂隙带分别逐渐增加(后趋于稳定)、急剧增大，采深对深部煤层群采动卸压影响较大。因此，深部远距离煤层群首采保护层的选择，需要根据深部远距离煤层群保护层开采被保护层有效卸压耦合关系进行优化。
3.2 深部远距离被保护层有效卸压耦合关系
依据《防治煤与瓦斯突出细则》，当被保护层应变大于0.3%时得到有效卸压保护的规定，结合正交模拟的深部远距离被保护层有效卸压情况及主控因素，对于远距离下保护层开采卸压效果关键主控因素为保护层采高、其次为煤层层间距，根据数值模拟结果可得不同保护层采高时、不同层间距与被保护层最大应变的关系如图5所示，进一步可得到对远距离下保护层开采被保护层卸压有效是层间距与最小保护层采高的关系如图6所示。
图5 远距离下保护层开采卸压的关键主控因素耦合关系
Fig.5 Coupling relationship of key control factors for pressure relief of protective layer mining under long distance
图6 远距离下保护层开采有效卸压最小保护层开采厚度关系
Fig.6 Relationship between effective pressure relief and minimum thickness of protective layer in long distance mining
同样，对于远距离上保护层开采，其卸压效果关键主控因素为煤层层间距，根据数值模拟结果可得不同层间距时、不同保护层采高与被保护层最大应变的关系如图7所示。而当前我国保护层开采高一般不会超过10 m，结合图7拟合关系可得到充分采动影响下对远距离上保护层开采被保护层最大卸压与层间距的关系如图8所示。
图7 远距离上保护层开采卸压的关键主控因素耦合关系
Fig.7 Coupling relationship of key control factors for pressure relief of protection layer
图8 远距离上保护层开采有效卸压最大层间距关系(采高10 m)
Fig.8 Relationship between maximum layer spacing of effective pressure relief for mining protective layer over long distance(mining height of 10 m)
3.3 深部远距离煤层群首采保护层选择理论方法
深部远距离煤层群开采卸压关键主控因素，下保护层开采为保护层采高、上保护开采为层间距。对于煤层群上保护层开采，正常开采条件下(采厚不超过10 m)下伏被保护层最大相对变形率与层间距的拟合关系为ε=-0.1621Hd+10.978，显然对于远距离煤层群(H≮50 m)被保护层最大应变仅为0.287%，不能达到有效卸压。
因此，对于远距离煤层群若要采用保护层开采，应当选择下保护层开采模式。数值模拟表明，深部远距离煤层群开采对上覆一定距离的邻近层形成较大范围的卸压区，明显大于浅部开采的理论卸压范围，但深部远距离煤层群首采保护层选择仍应达到有效卸压最小保护层厚度。基于此，提出深部远距离煤层群首采保护层选择理论方法：①在常规采高条件下(采高≮10 m)，深部远距离煤层群只能选择下保护层开采模式；②必须在《防治煤与瓦斯突出细则》要求的最大保护层垂距范围内，且达到不破坏上被保护层的最小理论层间距；③采高应达到要求的最小保护层厚度要求，工程背景条件下的最小保护层厚度M>0.0017Hd2-0.1766Hd+5.5309。
4 首采层优选方法工程应用
为了检验深部远距离煤层群首采保护层选择方法的合理性，在试验矿井朱集西矿进行应用检验。
4.1 首采保护层选择确定
根据深部远距离煤层群首采保护层选择理论方法，朱集西矿远距离煤层群13-1、11-2、8煤层仅能采用下保护开采模式。朱集西矿11-2、8煤层厚度分别为1.59、3.19 m，依据相关标准[19]计算，首采11-2、8煤层对上覆最大保护垂距分别为114～122 m、104～113 m，不破坏上部被保护层的最小层间距分别为9.96、20.92 m，均满足在最大保护层垂距范围内、达到不破坏上被保护层的最小理论层间距的条件，可以选择11-2、8煤层作为首采保护层。进一步结合11-2、8煤层突出、动力灾害危险性，应该选择11-2煤层作为首采保护层。
选择11-2煤层作为13-1煤层的保护层，保护层应达到的最小采高。朱集西矿13-1、11-2煤层平均层间距73.19 m，根据模拟结果计算得11-2煤层采高M>1.71 m。因此，从下部被保护层应达到最小采高的角度，11-2煤层能够作13-1煤层的下保护层开采的采高应超过1.71 m。
4.2 卸压保护效果考察分析
在试验矿井朱集西矿11501工作面进行应用检验，工作面布置如图9所示，工作面11-2煤层设计采高1.8 m。
1) 保护效果考察。11501工作面开采对13-1、8煤层保护效果考察，采用考察被保护煤层应变的方法进行，考察钻孔布置如图9所示、顶底板位移随工作面推进关系如图10所示。由图10计算可知，钻孔BX1-1、BX1-2、BX2-4、BX2-3对应的煤层相对变形均大于0.3%，位于有效卸压保护范围内，利用插值法计算保护层工作面走向方向卸压角为63.7°、倾向卸压角为80.8°，该范围内13-1煤层得到有效卸压保护；11-2煤层开采后下伏8煤层最大应变小于0.11%，11-2煤层开采对8煤层未能形成有效卸压保护。
图9 11501工作面开采保护效果考察钻孔布置
Fig.9 Drilling holes for exploration and protection effect of No.11501 working face
图10 被保护层顶底板位移随工作面推进曲线
Fig.10 Displacement curve of top and bottom plates of protected layer with advance of working face
2)保护范围区域防突措施效果检验。11501工作面回采期间采用地面钻井及井下穿层钻孔的方式抽排上覆13-1煤层卸压瓦斯，地面钻井和穿层钻孔累计抽采13-1煤层气128.31 万m3，抽采率约为81.4%，表明11501工作面开采对上覆13-1煤层被保护区卸压瓦斯抽采效果较好，可以进行保护区域内13-1煤层气抽采效果及区域防突措施效果检验。
根据11501工作面巷道布置情况，在13-1煤层被保护区域卸压瓦斯抽采相对较差的4个隅角各布置4个残余瓦斯含量测试钻孔，实测13-1煤层残余瓦斯涌出4.14～5.25 m3/t，小于区域防突措施效果检验瓦斯涌出量指标(临界值8 m3/t)，依据相关标准法规该区域13-1煤层采用保护层开采结合卸压瓦斯抽采区域防突措施有效。
综上远距离煤层群开采卸压效果考察表明，深部远距离煤层群应选择下保护层开采模式，首采层选择方法合理。
5 结 论
1)在不考虑煤层群层间厚层坚硬岩层的情况下，远距离煤层群下保护层开采对上覆邻近层的卸压效果影响的关键主控因素为保护层采高、煤层层间距，上保护层开采对下伏邻近层的卸压效果影响的关键主控因素为煤层层间距。
2)常规采高条件下(采高≮10 m)，深部远距离煤层群只能选择下保护层开采模式，层间距必须在《防治煤与瓦斯突出细则》要求的最大保护层垂距范围内且达到不破坏上被保护层的最小理论层间距，同时保护层采高应达到要求的最小保护层厚度要求。
3)朱集西矿远距离煤层群13-1、11-2、8煤层应当选择11-2煤层作为首采保护层，其开采对上覆13-1煤层能够形成有效卸压保护、对下伏8煤层不能形成有效卸压保护，有效卸压保护范围内13-1煤层采用地面井结合井下钻孔进行卸压瓦斯抽采能够实现区域防突措施有效。
4)工程应用表明，基于关键主控因素的深部远距离煤层群首采保护层优选方法合理，以此形成的深部远距离煤层群井上、井下联合抽采防突技术可靠。
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