1. 引言
我国很多煤矿的煤系地层条件复杂，煤层瓦斯含量较高、透气性较差，煤与瓦斯突出问题严重，对煤矿的安全生产影响巨大。为此，国内外学者对煤层保护层开采后被保护层的卸压效果、裂隙分布以及增透效果进行了大量的研究，李胜伟等 [1] 采用UEDC模拟软件分析了平煤十矿保护层开采时煤岩层的体积应变，计算了采场增透率的空间分布特征，揭示了卸压范围与增透区域基本一致。贺爱萍等 [2] 采用相似材料模拟实验分析了长平煤矿保护层开采被保护层裂隙分布与增透效果，表明被保护层覆岩裂隙有效发育，卸压区域增大，具有较好增透效果。以上研究对保护层开采煤层防突处理具有指导意义，但不能定量描述保护层开采对被保护层保护范围 [3]。《煤矿安全规程》 [4] 第二百零四条、《防治煤与瓦斯突出细则》 [5] 第六十一条规定“具备开采保护层条件的突出危险区，必须开采保护层”。因此结合蹬槽煤矿的工程实际，运用FLAC3D软件进行下保护层开采的数值模拟 [6] [7] [8] [9]，并结合现场试验，定量描述被保护煤层的保护范围和保护效果 [10] [11] [12]，为被保护层工作面设计提供依据。
2. 工程概况
磴槽煤矿属于煤与瓦斯突出危险的矿井，且具有煤层群赋存特征，可采煤层为二1、一5、一3煤层。其中，二1煤层平均煤厚4.99 m，为磴槽煤矿的主要开采煤层；一5、一3煤层属于局部开采煤层，均位于二1煤层下部，一5、一3煤层分别上距二1煤层42.1 m和52.86 m。该矿井现矿井浅部资源基本回采结束，仅剩部分斜井井筒煤柱，扩大区根据现有已经形成的采区进行划分，以F6断层为界，将划分为2个采区，21和22采区，其中，扩大区西翼22采区为首采区。22521保护层工作面布置在22采区，标高为−126.8~−203.7，走向长249 m，倾斜长120 m，煤层倾角平均为30˚，煤层厚度为0.6~1.2 m，平均煤厚为0.8 m。22041被保护层工作面位于22采区上部，设计走向长度为350 m，倾向长度143 m，工作面由西向东进行回采。22041工作面二1煤层为较稳定煤层，煤层厚度为0.5~5 m，平均煤厚为3.3 m，煤层结构单一，不含夹矸，回采率按93%计算，可采储量为21.5万t。整体上煤层发育存在中西部厚东部薄、北部厚南部薄的特点。煤层倾向为345˚~355˚，煤层倾角为28˚~30˚，平均倾角为29˚，该煤层结构简单。
磴槽煤矿本次试验区域为22采区的一5煤层的22521下保护层工作面与二1煤层的22041被保护层工作面，煤层间距为42.1 m。
3. 数值模拟建立及结果分析
3.1. 建立数值分析模型
以磴槽煤矿22521工作面试验区煤岩层赋存情况作为模拟实验背景原型，为分析突出煤层保护层开采后的被保护层保护范围，此次实验研究选用FLAC3D数值模拟软件。
结合试验工作面的埋深，构建模型边界条件，如图1所示。模型的上部采用应力边界条件，应力为15 MPa；四周采用滚动边界条件，应力为13 MPa；下部边界采用固定边界条件。
结合煤系地层综合柱状图，利用FLAC3D数值模拟软件，构建煤岩层走向、倾向开挖数值计算模型，如图2、图3所示。走向开挖模型尺寸为320 m × 300 m × 71.9 m。倾向开挖模型尺寸为300 m × 262 m × 236 m。模拟开采的工作面与保护层工作面基本一致，总开挖长度设为100 m，倾向长度设为120 m，采高设为0.8 m。工作面每推进2 m，设定的迭代次数为250次。
3.2. 模拟结果分析
3.2.1. 走向卸压角模拟结果分析
图4~8是22521保护层工作面推进至不同位置(20 m、40 m、60 m、80 m和100 m)时，走向应力变化分布图，用于分析随着工作面的推进保护层应力场分布规律。
Figure 4. Stress change of surrounding rock around mined-out area after 20 m mining
图4. 开采20 m后采空区周边围岩应力变化
Figure 5. Stress change of surrounding rock around mined-out area after 40 m mining
图5. 开采40 m后采空区周边围岩应力变化
Figure 6. Stress change of surrounding rock around mined-out area after 60 m mining
图6. 开采60 m后采空区周边围岩应力变化
Figure 7. Stress change of surrounding rock around mined-out area after 80 m mining
图7. 开采80 m后采空区周边围岩应力变化
Figure 8. Stress change of surrounding rock around mined-out area after 100 m mining
图8. 开采100 m后采空区周边围岩应力变化
由图4~8可知，当煤层开采20 m时，应力降低区域非常窄，表明此时的卸压效果不明显，当煤层开采40 m、60 m时，卸压区域范围逐渐增大，部分区域垂直应力接近0；当煤层开采80 m、100 m时，卸压区域范围进一步增大，切眼后方及工作面煤壁前部出现应力集中；随着采空区范围的扩大，采空区顶板岩层冒落，并逐渐被压实，采空区后部出现应力恢复情况。
为准确反映22521保护层工作面开采过程中，被保护层22041工作面顶底板膨胀变形量随保护层推进的变化情况，以保护层22521工作面开采100 m为例。运用FLAC3D中hist命令，进行数据采集，运用数据处理软件对数据进行处理，得到被保护层顶底板变化量随着保护层开采的曲线，如图9所示。
根据煤层变形卸压保护准则，若被保护层的相对膨胀变形量大于3‰，说明被保护层的保护效果较好。由图9可知，保护层工作面推进小于25 m时，顶底板膨胀变形量小于3‰，膨胀程度较小；保护层工作面推进至25 m时，相对膨胀变形量达到了3‰；保护层工作面推进大于25 m时，顶底板膨胀变形量大于3‰，膨胀程度较大。且在工作面推进至100 m时，被保护层22041工作面达到顶底板最大变形量3.5 cm，故最大相对膨胀变形量为顶底板最大变形量与被保护层22041工作面煤厚的比值，经计算为10.61‰。
因此，可确定被保护层22041工作面走向25 m的位置为数值模拟卸压边界。结合保护层与被保护层之间的间距为42.1 m，可得22521保护层工作面开采时，对被保护层22041工作面沿走向的卸压角约为60˚。
Figure 9. Deformation of the top and bottom of the protected layer after mining 100 m
图9. 开采100 m后被保护层顶底板变形情况
3.2.2. 倾向卸压角模拟结果分析
图10是22521保护层工作面开采后，倾向采空区周边围岩应力变化。
Figure 10. Change of surrounding rock stress in goaf
图10. 倾向采空区围岩应力变化情况
运用FLAC3D中hist命令，进行数据采集，运用数据处理软件对数据进行处理，22521保护层工作面开采后，倾向被保护层顶板、底板应力变化曲线，如图11所示。可知，被保护层22041工作面顶底板最大变形量为3.39 cm，故最大相对膨胀变形量为顶底板最大变形量与被保护层22041工作面煤厚的比值，经计算为10.27‰。
结合煤层变形卸压保护准则与倾向被保护层顶底板变形图可知，被保护层沿工作面下顺槽倾向16 m位置相对膨胀变形量达到了3‰，上顺槽倾向5 m位置相对膨胀变形量达到了3‰，结合保护层与被保护层之间的间距为42.1 m，可得22521保护层工作面开采时，对被保护层沿倾向的卸压角分别约为69˚和90˚。
4. 卸压角现场考察
4.1. 考察钻孔设计
由于煤层倾角较大，保护层开采后，被保护层工作面下付巷外错距离和上付巷内错距离是不一致；然而，在走向上，被保护层工作面始采线、停采线内错距离是一致的。基于此，为了现场实测保护范围，利用22051底抽巷与22041西底抽巷所布置的测点1和测点2对倾向上的保护范围进行分别测定，同时，利用22041底抽巷施工的3#、4#和5#钻孔对走向上的保护范围进行测定，即倾向保护范围测定施工2组钻孔，走向保护范围测定施工1组钻孔。
Figure 11. Deformation of the top and bottom plates of the protective layer
图11. 倾向被保护层顶板、底板变形情况
保护范围测定具体施工地点测点1 (钻孔剖面见图12)的6#、7#、8#钻孔和测点2 (钻孔剖面见图13)的9#、10#、11#钻孔测量倾向保护范围，钻孔终孔位置分别位于理论倾向保护边界以里、理论倾向保护边界及理论倾向保护边界以外。同时，3#、4#、5#钻孔的终孔位置分别位于理论倾向保护边界以里、理论倾向保护边界及理论倾向保护边界以外。
4.2. 考察结果分析
4.2.1. 走向方向卸压角确定
瓦斯含量测试结果见表1。走向保护范围测点中3#、4#和5#钻孔测试的瓦斯含量分别为4.18 m3/t、5.33 m3/t和7.15 m3/t。3#、4#的瓦斯含量均低于河南省“双六标准”中的6 m3/t，3#、4#钻孔终孔位置分别位于理论保护范围以里及理论倾向保护边界上，因此，考虑到一定的富裕系数，获得走向卸压角为60˚。
4.2.2. 倾向方向卸压角确定
瓦斯含量测试结果见表1。倾向保护范围测点中6#、7#和8#钻孔测试的瓦斯含量分别为7.32 m3/t、5.47 m3/t和4.46 m3/t。7#、8#的瓦斯含量均低于河南省“双六标准”中的6 m3/t，7#、8#钻孔终孔位置分别位于理论倾向保护边界上及理论保护范围以里，因此，考虑到一定的富裕系数，获得倾向卸压角为69˚。
倾向保护范围测点中9#、10#和11#钻孔测试的瓦斯含量分别为5.53 m3/t、4.62 m3/t和4.09 m3/t，均小于低于河南省“双六标准”中的6 m3/t，10#、11#钻孔终孔位置分别位于理论倾向保护边界上及理论保护范围以里，因此，考虑到一定的富裕系数，获得倾向卸压角为90˚。
Table 1. Test results of residual gas content in the protection scope
表1. 保护范围残余瓦斯含量测试结果
5. 保护层开采被保护层范围确定
5.1. 沿倾向保护范围
通过数值模拟及现场实测可确定，22521工作面煤层倾角为30˚，沿倾向上的卸压角为69˚和90˚，一5煤层和二1煤层间距为42.1 m，相对于保护层工作面，被保护层工作面外错下付巷距离为
和内错上付巷距离为
，故最终取22041工作面外错22521下付巷6.6 m和内错22521上付巷21 m，为保护层22521工作面对被保护层22041工作面的倾向保护范围。如图14所示。
Figure 14. The protective range of the working surface of the protective layer along the inclined direction
图14. 保护层工作面沿倾斜方向的保护范围
5.2. 沿走向保护范围
通过数值模拟及现场实测可确定，沿走向上的卸压角为60˚，一5煤层和二1煤层间距为42.1 m，因此，可确定被保护层工作面始采线、停采线应内错
，故最终取被保护层工作面内错一5煤层始采线与停采线各25 m，为保护层工作面对被保护层工作面的走向保护范围，如图15所示。
Figure 15. Influence range of start mining line and stop mining line in working face of protective layer
图15. 保护层工作面始采线、停采线影响范围
6. 结论
(1) 通过现场测试及分析计算，确定走向上卸压角为60˚，倾向上的卸压角为69˚和90˚，这与数值模拟得出的卸压角基本一致。
(2) 保护层开采后，3#~4#、7#~8#、9#~11#钻孔测试的瓦斯含量均低于河南省“双六标准”中的6 m3/t，表明在保护层卸压保护范围内，被保护层22401工作面无突出危险性。
(3) 保护层22521工作面对被保护层22041工作面的倾向保护范围为22041工作面外错22521下付巷6.6 m和内错22521上付巷21 m；走向保护范围为被保护层22041工作面内错始采线和停采线各25 m。
致谢
感谢我的工作单位郑煤集团工程技术研究院瓦斯防治研究所，给予我负责本次磴槽煤矿保护层开采现场试验机会。
感谢河南理工大学李辉副教授，提供现场试验技术、数值模拟及数据处理等指导性意见。
感谢磴槽煤矿提供试验场所，感谢蹬槽煤矿工人们的积极配合与付出。
感谢参考文献中的所有作者，是你们的文章为我的研究提供了很好的出发点。
基金项目
国家自然科学基金面上项目(51774120)；河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室开放课题资助项目(WS2019A08)；河南省高校科技创新人才项目(20HASTIT018)；河南省科技攻关项目(182102210055)。