綜放工作面初采期煤與瓦斯共采試驗研究

馬延崑，郭勇義，，吳世躍，李川田，閆晉文，秦貴成

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.太原科技大學(xué)，太原 030024；3.潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)，山西 長治 046031）

煤與瓦斯共采實現(xiàn)了煤礦企業(yè)的高產(chǎn)高效及瓦斯的“變害為寶”，成為我國煤炭企業(yè)瓦斯防治的主要理念[1-2]。高瓦斯工作面煤層瓦斯預(yù)抽采有限，初采期間，覆巖裂隙初始發(fā)育，裂隙帶瓦斯抽采處較低水平，采空區(qū)瓦斯涌出量持續(xù)增加，工作面瓦斯治理主要以風(fēng)排為主，嚴(yán)重制約了煤炭企業(yè)的高效生產(chǎn)[3-5]。因此，回采工作面初采期通常被稱為困難時期。針對工作面初次來壓、周期來壓等動力現(xiàn)象造成瓦斯涌出突然增大，工作面來不及做出應(yīng)對的情況，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究。屈慶棟等人研究了初采期頂板關(guān)鍵層斷裂時鄰近層瓦斯異常涌出的情況，提出結(jié)合覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)采用后偽高抽巷治理的方案[6]；李化敏教授基于對回采工作面的實時觀測，認(rèn)為隨采動過程中工作面礦壓顯現(xiàn)增大，瓦斯體積分?jǐn)?shù)同步增大[7]；姜福興教授采用微地震監(jiān)測技術(shù)，分析得出工作面瓦斯涌出主要受高層位巖層周期運動的影響[8]；吳仁倫、許家林教授等人利用數(shù)值模擬的方法，提出采用頂板預(yù)裂方案治理工作面初采期瓦斯超限[9]。當(dāng)前對于初采期覆巖裂隙演化規(guī)律的研究不足，未能有效提出準(zhǔn)確的初采期定義和較為系統(tǒng)化的初采期瓦斯治理的理論、措施。文中將采用數(shù)值模擬的方法，從初采期覆巖卸壓移動和裂隙演化規(guī)律入手，確定裂隙發(fā)育區(qū)，通過工程試驗驗證覆巖采動裂隙發(fā)育規(guī)律，研究初采期瓦斯涌出特性，以期為初采期實現(xiàn)煤與瓦斯高效共采提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 試驗工程概況

余吾煤業(yè)屬高瓦斯特大型礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力6Mt／a，工程試驗選定N2105工作面。N2105工作面主采3號煤層，煤層賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積，埋藏深度507～597m，煤層厚度穩(wěn)定，平均厚6.3m，局部含0.1～0.7m 炭質(zhì)泥巖夾矸，原始瓦斯含量為10.0496m3／t。工作面由西向東3號煤層整體近似為一單斜構(gòu)造，平均坡度＋5°，東高西低（回風(fēng)順槽高，膠帶順槽低），工作面頂?shù)装鍫顩r如圖1所示。

工作面采用走向長壁后退式頂板全部跨落及大采高低位放頂煤綜合機械化采煤工藝，通風(fēng)系統(tǒng)采用并列雙“U”型，工作面傾向長285m，回采斜距2170m。

圖1 工作面頂?shù)装鍫顩r

2 煤與瓦斯共采理論基礎(chǔ)

2.1 覆巖卸壓移動機理

煤巖體在原始地質(zhì)賦存中，在高地應(yīng)力下處于壓縮狀態(tài)，采場開挖擾動，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場重新分布以達(dá)到新的平衡，表現(xiàn)為應(yīng)力轉(zhuǎn)移、應(yīng)力集中及巖層的破斷與下沉。上覆巖層由原始的三向應(yīng)力狀態(tài)趨于向單向或雙向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，巖層向采空區(qū)下沉，覆巖中變形巖梁的具有應(yīng)力傳遞的作用，將巖層垂直地應(yīng)力以一定角度向采空區(qū)四周煤巖體內(nèi)傳遞，使煤巖體內(nèi)存在遠(yuǎn)高于原巖應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)[10]，采空區(qū)上部產(chǎn)生變形或破斷的巖層處于卸壓范圍。

覆巖卸壓移動，由于巖層間巖性差異，出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的位移，產(chǎn)生離層裂隙，隨回采跨距增大，離層裂隙巖層發(fā)展為剪切破斷或拉張破壞，形成裂隙帶和冒落帶。采空區(qū)中部冒落帶巖層有被壓實趨勢，上方巖層發(fā)育的離層裂隙因壓實而閉合；距采空區(qū)端頭向內(nèi)區(qū)域上覆巖層長久保持卸壓，并且?guī)r層間不協(xié)調(diào)位移維持不變，大量離層及破斷裂隙存在，空間上覆巖形成高位環(huán)形裂隙圈[1，3，11]，如圖2所示。

2.2 卸壓裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)

覆巖卸壓移動導(dǎo)致巖層裂隙發(fā)育的同時，卸壓煤巖體及采空區(qū)殘煤吸附瓦斯經(jīng)歷“解析-擴散-滲流”的過程。采空區(qū)內(nèi)游離瓦斯通過裂隙通道發(fā)生滲流，并在裂隙區(qū)域內(nèi)積聚，形成高濃度瓦斯富集區(qū)[3]。因此，裂隙大量發(fā)育并長久維持的高位環(huán)形裂隙圈成為采空區(qū)瓦斯運移的主要通道和賦存空間。對于雙“U”型工作面通風(fēng)系統(tǒng)，上隅角為工作面風(fēng)流低壓區(qū)，并存在局部滯流，附近裂隙區(qū)域內(nèi)聚積高濃度瓦斯趨于向工作面運移[3，12]；上隅角附近高位環(huán)形裂隙區(qū)域，屬高滲透區(qū)域，高濃度瓦斯富集，極易發(fā)生擴散、滲流[3，13]。故應(yīng)在上隅角附近環(huán)形裂隙區(qū)應(yīng)用高位鉆孔抽放瓦斯工藝，大量高濃度瓦斯的抽采，有效攔截瓦斯向工作面涌入，保證工作面安全生產(chǎn)，實現(xiàn)煤與瓦斯共采。

圖2 高位環(huán)形裂隙圈分布

3 圍巖采動影響數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用通用離散元程序UDEC，依據(jù)N2105工作面實際巖層分布及幾何特點進(jìn)行開挖模擬試驗，分別建立采場走向和傾向二維受力模型。走向模型尺寸為300m×100m（長×高），采用水平布置，在3號煤層中82.5～90m處留有切眼，開挖范圍為90～210m，模型兩側(cè)留90m左右邊界煤柱；傾向模型尺寸為480×160（長×高），在3號煤層中100～380m之間布置工作面，傾角5°，模型兩側(cè)留100m邊界煤柱。

模型左右及底邊為固定邊界，速度、位移為零，頂部為自由邊界，以10MPa的均布載荷作用于上邊界代替略去巖層，模型計算采用mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 采動圍巖裂隙演化

如圖3，工作面推進(jìn)20，45，60，100m 處，分別為采場直接頂跨落、老頂初次來壓、第一次周期來壓、正常推進(jìn)狀態(tài)。隨工作面推進(jìn)，伴隨頂板來壓，覆巖下沉量增加，波及范圍擴大，切眼及工作面處覆巖始終保持有不協(xié)調(diào)的位移量。不協(xié)調(diào)位移量產(chǎn)生離層，進(jìn)而發(fā)育為破斷裂隙或保持離層。文中引入采動前、后上覆巖層中兩點綜合相對位移差與采前相對距離的比值來表示該點的孔（空）裂隙度[4]，獲得覆巖裂隙演化規(guī)律如圖4所示。

有效的、常態(tài)化的監(jiān)督是踐行“四種形態(tài)”的重要保障。推進(jìn)監(jiān)督常態(tài)化：1.探索建立基層黨組織對黨員的日常監(jiān)督方式。2.完善紀(jì)檢監(jiān)察信訪舉報受理制度，建立信訪舉報問題線索收集、分析、研判制度，提煉并科學(xué)運用信訪舉報信息。3.正確引導(dǎo)、科學(xué)利用黨外監(jiān)督力量，如群眾舉報、媒體曝光、輿情反映，既要善于引導(dǎo)，又要善于從中發(fā)現(xiàn)線索問題。4.發(fā)揮巡視巡察作用，緊盯違反“六大紀(jì)律”問題，尤其是違反政治紀(jì)律、政治規(guī)矩問題。

圖3 工作面推進(jìn)中覆巖鉛直位移量

1）圖4-a采場頂板來壓時孔（空）裂隙度分布，結(jié)合圖3，直接頂跨落時，僅老頂有小量變形，覆巖中幾乎無裂隙發(fā)育；老頂初次來壓時，采場有大范圍巖層沉降，老頂上方30m范圍下沉量大于2m，覆巖中裂隙發(fā)育量急劇增加，采空區(qū)中部上方有離層產(chǎn)生，故裂隙較發(fā)育；老頂?shù)谝淮沃芷趤韷簳r，覆巖下沉量繼續(xù)增加，大于2m的范圍波及模型上邊界，故采動裂隙在原有基礎(chǔ)上又一次較大程度發(fā)育?？梢钥闯觯醪蓵r，覆巖裂隙初始發(fā)育，隨工作面推進(jìn)，伴隨采場的來壓現(xiàn)象，覆巖下沉量增加，采動裂隙加速發(fā)育，并逐漸波及較高層位巖層。

2）圖4-b工作面累積進(jìn)尺達(dá)70～90m，隨工作面推進(jìn)距逐漸增加，覆巖中裂隙發(fā)育范圍繼續(xù)擴大，即覆巖中采動裂隙沿豎直方向和水平推進(jìn)方向擴展。

3）圖4-c工作面推進(jìn)距達(dá)到100～120m時，覆巖中巖層采動裂隙分布形成較為明顯的“馬鞍形”，靠近切眼及工作面裂隙發(fā)育處峰值。結(jié)合圖3-d，可以看出，老頂上方30m范圍覆巖下沉量大于3 m，最大下沉量達(dá)到4m以上，距切眼50～60m的采空區(qū)中部，由于出現(xiàn)壓實區(qū)域，離層裂隙閉合，切眼及工作面覆巖裂隙發(fā)育并保持，此時，采空區(qū)中部壓實區(qū)域形成并有擴大趨勢，覆巖裂隙發(fā)育豎直方向上達(dá)到最大高度。

圖4 工作面不同推進(jìn)距下孔（空）裂隙度分布及演化

綜上分析，初采期間覆巖裂隙初始發(fā)育，隨工作面推進(jìn)，伴隨采場老頂初次來壓、周期來壓現(xiàn)象，采動裂隙加速發(fā)育，沿豎直方向和水平推進(jìn)方向擴展，采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)壓實區(qū)時，覆巖裂隙發(fā)育達(dá)到最高層位。

3.2.2 覆巖應(yīng)力分布

覆巖受采動影響后應(yīng)力重新分布，依據(jù)采場卸壓穩(wěn)定后應(yīng)力的分布及巖體破壞特征，如圖5，確定卸壓范圍，進(jìn)而判斷覆巖的裂隙發(fā)育良好區(qū)域。

1）如圖5-a為采場傾向鉛直應(yīng)力分布，依據(jù)應(yīng)力大小可以分為應(yīng)力集中區(qū)、卸壓變形區(qū)和卸壓穩(wěn)定區(qū)。

卸壓變形區(qū)：該區(qū)內(nèi)巖層間維持有不協(xié)調(diào)位移，受剪切變形或拉剪破壞，采場內(nèi)最小應(yīng)力值5MPa分布在該區(qū)。采空區(qū)上端頭向內(nèi)50m和采空區(qū)下端頭向內(nèi)60m，即分別為水平方向95～155m范圍和375～325m范圍，應(yīng)力變化為5～10MPa。

卸壓穩(wěn)定區(qū)：采空區(qū)中部趨于被壓實，應(yīng)力較為穩(wěn)定，水平方向為160～310m范圍，應(yīng)力變化為10～20MPa。

2）如圖5-b為采場傾向水平應(yīng)力分布圖，覆巖中大變形巖梁傳遞大部分水平應(yīng)力，靠近煤層底板巖層受拉張破壞而冒落，水平應(yīng)力傳遞較小，故由煤層底板向上水平應(yīng)力值有增大趨勢，變化范圍4～20MPa。

綜上分析，覆巖中應(yīng)力值小于卸壓穩(wěn)定區(qū)內(nèi)最小值的范圍為裂隙發(fā)育區(qū)，卸壓穩(wěn)定區(qū)鉛直和水平最小應(yīng)力分別為10MPa，8MPa，認(rèn)為覆巖卸壓變形區(qū)中鉛直應(yīng)力小于5MPa及水平應(yīng)力小于4 MPa范圍為裂隙發(fā)育良好的區(qū)域，形成高濃度瓦斯富集區(qū)，即距采空區(qū)上端頭0～50m范圍和煤層頂板上方30～50m范圍空間交匯處。

圖5 采空區(qū)頂?shù)装鍘r層應(yīng)力分布

4 工程試驗

4.1 高位鉆場布置

依據(jù)N2105工作面回采工藝及覆巖卸壓裂隙良好發(fā)育區(qū)域的范圍，在工作面回風(fēng)順槽距切眼100m處，每隔40m布置一個瓦斯抽采鉆場，施工兩排抽采鉆孔，共12個，參數(shù)如表2，終孔位于煤層頂板36～38m處，沿工作面傾向投影為0～97m，沿工作面走向投影為60～80m。

表2 鉆場抽采鉆孔參數(shù)

4.2 效果分析

研究表明[6，7，14]，采動裂隙作為瓦斯?jié)B流的主要通道，其數(shù)量和范圍直接影響裂隙帶抽采瓦斯量，裂隙發(fā)育量越大，發(fā)育范圍越廣，滲透率越高，鉆孔抽采瓦斯效果越好。由N2105工作面回風(fēng)順槽距切眼100，140，180m處的51號、50號和49號鉆場抽采效果反演分析裂隙發(fā)育狀況如下：

1）圖6-a，工作面距51號鉆場70～80m之間，工作面累積推進(jìn)20～30m，覆巖裂隙尚未發(fā)育或初始發(fā)育，鉆場幾乎無瓦斯流量；工作面推進(jìn)45m處，距鉆場55m，老頂初次來壓，工作面上方鉆孔與發(fā)育裂隙導(dǎo)通，鉆場瓦斯流量發(fā)生突變，迅速增大至1.8m3／min；工作面推進(jìn)60m處，老頂?shù)谝淮沃芷趤韷海严栋l(fā)育區(qū)擴展，瓦斯流量迅速增加，并逐漸穩(wěn)定在3m3／min。

2）圖6-b，工作面累積推進(jìn)60m時，進(jìn)入50號鉆場控制范圍，隨工作面靠近鉆場，覆巖裂隙數(shù)量增加，并逐漸向高層位發(fā)育，瓦斯流量逐漸升高，距鉆場50～20m范圍，即累積推進(jìn)達(dá)到100～120m，鉆場瓦斯流量穩(wěn)定在最高水平10m3／min。

3）圖6-c，工作面累積推進(jìn)100m時，進(jìn)入49＃鉆場控制范圍，瓦斯抽采濃度迅速穩(wěn)定在50%以上，裂隙發(fā)育、擴展，導(dǎo)致抽采純量由4.2m3／min逐漸增加，并在進(jìn)尺量達(dá)到140m時，抽采純量達(dá)到10m3／min。

圖6 鉆場瓦斯抽采情況圖

4）對比圖6，隨工作面靠近鉆場，瓦斯抽采量逐漸升高，而51號鉆場抽采總量明顯低于50號、49號鉆場，50號與49號鉆場最大抽采純量及濃度幾乎相等。原因分析如下：初采時，裂隙初始發(fā)育，無裂隙與抽采鉆孔導(dǎo)通，故幾乎無瓦斯流量，而在老頂初次來壓后，裂隙突然有較大程度發(fā)育，裂隙發(fā)育量增加，鉆場瓦斯流量有較明顯的增加趨勢，但由于裂隙發(fā)育范圍處較低層位，只有少量裂隙導(dǎo)通抽采鉆孔，因此，距工作面較近的51號鉆場抽采量處較低水平；50號與49號鉆場瓦斯流量最大為10m3／min，分析此時鉆場控制區(qū)域內(nèi)，裂隙發(fā)育范圍、發(fā)育量達(dá)到最大，抽采鉆場發(fā)揮全部效用，即工作面推進(jìn)100～120m時，覆巖裂隙發(fā)育至最高層位；工作面進(jìn)入49＃鉆場控制范圍時，覆巖裂隙發(fā)育已達(dá)到最高層位，卸壓變形區(qū)內(nèi)已有大量裂隙，裂隙發(fā)育主要沿推進(jìn)方向擴展，故抽采瓦斯量迅速由4.2m3／min增加至10m3／min。

5）綜合以上分析，認(rèn)為N2105工作面初采期間，隨推進(jìn)距增加，覆巖裂隙逐漸發(fā)育，累積推進(jìn)達(dá)100～120m之間，采空區(qū)壓實區(qū)形成，覆巖裂隙發(fā)育范圍達(dá)到最高層位，高位鉆場發(fā)揮最大效用。

5 結(jié)論

1）初采期間覆巖裂隙初始發(fā)育，隨工作面推進(jìn)，伴隨采場老頂初次來壓、周期來壓現(xiàn)象，采動裂隙加速發(fā)育，沿豎直方向和水平推進(jìn)方向擴展，采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)壓實區(qū)時，覆巖裂隙發(fā)育達(dá)到最高層位。

2）距采空區(qū)上端頭0～50m范圍和煤層頂板30～50m范圍空間交匯處裂隙較發(fā)育，為瓦斯抽采重點區(qū)域。

3）N2105工作面初采期間，隨推進(jìn)距增加，覆巖裂隙逐漸發(fā)育，累積推進(jìn)達(dá)100～120m之間，采空區(qū)壓實區(qū)形成，覆巖裂隙發(fā)育達(dá)到最高層位，高位鉆場發(fā)揮最大效用。

4）高瓦斯工作面初采期是指采場自工作面切眼形成開始，隨工作面推進(jìn)，覆巖裂隙逐漸發(fā)育至最高層位期間，采空區(qū)內(nèi)壓實區(qū)形成為初采結(jié)束標(biāo)志。初采期間，裂隙帶瓦斯抽采較低水平，采空區(qū)大量瓦斯涌入工作面，瓦斯治理主要以風(fēng)排為主。為使采煤工作面順利渡過初采期，提供以下建議：一方面，采用頂板預(yù)裂技術(shù)，減小老頂初次來壓步距，加速覆巖裂隙的發(fā)育；另一方面，初采期進(jìn)尺范圍內(nèi)鉆場采用低層位密集鉆孔抽采，增加初采期瓦斯抽采量。

[1]GUO Hua，YUAN Liang，SHEN Baotang，et al.A study into mining-induced strata stress changes，fractures and gas flow dynamics in multi-seam longwall mining[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，2012（54）：129-139.

[2]方新秋，耿耀強，王明.高瓦斯煤層千米定向鉆孔煤與瓦斯共采機理[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，46（6）：885-892.

[3]ZHANG Meihong，WU Shiyue，WANG Yongwen.Research and application of drainage parameters for gas accumulation zone in overlying strata of goaf area[J].Safety Science，2012（50）：778-782.

[4]高保彬，王曉蕾，朱明禮，等.復(fù)合頂板高瓦斯厚煤層綜放工作面覆巖“兩帶”動態(tài)發(fā)育特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（s1）：3344-3351.

[5]李付濤，楊勝強，程濤.綜放工作面初采期頂板沉降對瓦斯涌出特征影響[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38（3）：48-51.

[6]屈慶棟，許家林，錢鳴高.關(guān)鍵層運動對鄰近層瓦斯涌出影響的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（7）：1478-1484.

[7]李化敏，王文，熊祖強.采動圍巖活動與工作面瓦斯涌出關(guān)系[J].采礦與安全工程學(xué)報，2008，25（1）：11-16.

[8]姜福興，孔令海，劉春剛.特厚煤層綜放采場瓦斯運移規(guī)律[J].煤炭學(xué)報，2011，36（3）：407-411.

[9]吳仁倫，許家林，秦偉.頂板預(yù)裂治理綜放面初采期瓦斯的數(shù)值模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2011，28（2）：319-322.

[10]吳健，陸明心，張勇，等.綜放工作面圍巖應(yīng)力分布的實驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（s2）：2356-2359.

[11]劉澤功，袁亮.開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法抽放瓦斯研究[J].中國工程科學(xué)，2004，6（5）：32-38.

[12]吳世躍，郭勇義.常村礦瓦斯涌出及治理現(xiàn)狀分析[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2001，32（4）：377-380.

[13]袁亮，郭華，李平，等.大直徑地面鉆井采空區(qū)采動區(qū)瓦斯抽采理論與技術(shù)[J].煤炭學(xué)報，2013，38（1）：1-8.

[14]劉洪永，程遠(yuǎn)平，陳海棟，等.高強度開采覆巖離層瓦斯通道特征及瓦斯?jié)B流特性研究[J].煤炭學(xué)報，2012，37（9）：1437-1443.