高瓦斯多煤層大采高工作面覆巖裂隙演化規(guī)律研究

張 偉，許開立

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

采選技術

高瓦斯多煤層大采高工作面覆巖裂隙演化規(guī)律研究

張 偉，許開立

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

高瓦斯多煤層礦井運用大采高技術以實現(xiàn)礦井高產高效，開采工藝不同導致工作面瓦斯涌出規(guī)律的變化。以沁水煤田15#煤層大采高工作面煤層賦存條件和覆巖分布特征為背景開展采動覆巖裂隙演化規(guī)律研究，運用UDEC數(shù)值模擬大采高工作面在不同推進距離時覆巖裂隙形態(tài)發(fā)育及位移量，并提出基于示蹤原理的實測覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律的驗證方法。研究表明：大采高工作面推進至120 m時，煤層上覆巖層裂隙極限發(fā)育高度為65 m，大采高工作面上鄰近層8#煤層處于采動卸壓范圍，示蹤氣體法現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模擬的準確性。由于大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育范圍擴展至上鄰近層8#煤層，所以工作面回采過程中應增加上鄰近層瓦斯抽采工藝。

大采高工作面；覆巖；裂隙；數(shù)值模擬；示蹤氣體

0 引言

近幾年，隨著大采高開采技術應用趨于成熟，由于大采高綜采具有工作面煤炭資源回采率高、生產作業(yè)效率高和生產煤炭含矸率等優(yōu)點[1-2]，國內已有部分高瓦斯多煤層開采礦井采用大采高綜采技術。高瓦斯多煤層大采高工作面在生產過程中，作為采場主要瓦斯來源的鄰近層及圍巖涌出規(guī)律與傳統(tǒng)采煤工藝存在較大差異。國內外學者針對大采高工作面采場覆巖演化規(guī)律研究，較多采用理論分析、實驗室相似材料模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場探測等技術手段，并取得豐碩的研究成果[3-4]。如苗磊剛等[5]、張軍等[6]、匡鐵軍等[7]采用理論分析和相似材料模擬的方法研究大采高工作面覆巖裂隙演化規(guī)律，解盤石等[8]、楊建立等[9]、Huamin Li et al[10]運用商業(yè)軟件數(shù)值模擬大采高工作面采動過程中裂隙發(fā)育情況。目前，采用數(shù)值模擬與示蹤氣體實測法結合研究高瓦斯多煤層大采高工作面采動覆巖裂隙演化規(guī)律的研究極少。

鑒于此，筆者在前人的基礎上擬結合實驗礦井煤層賦存地質條件，采用UDEC數(shù)值模擬和示蹤氣體SF6實測的方法研究大采高工作面覆巖裂隙演化規(guī)律，為高瓦斯大采高工作面鄰近層瓦斯防治提供可靠理論依據(jù)。

1 工程概況

實驗礦井位于中國沁水煤田東部礦區(qū)，井田內地層分為太原組和山西組，從而形成不同巖性組合及可采煤層煤質差異性特征，該礦井主要可采煤層為8#和15#煤層，其中8#煤層煤質為焦煤，煤層平均厚度為2 m，煤層傾角為3°的近水平煤層。煤層最大原始瓦斯含量為9.2 m3/t；15#煤層煤質為貧煤，煤層平均厚度為5.2 m，煤層傾角為3°的近水平煤層，開采的15#煤層大采高工作面走向長度為1 600 m，傾向長度為300 m，煤層最大原始瓦斯含量為8.6 m3/t，其中8#和15#煤層平均間距為59 m左右。大采高實驗工作面布置在礦井15#煤層二采區(qū)，工作面采用ZY7600/25.5/55型液壓支架和MG750/1800-WD型雙滾筒采煤機雙向截割煤體，順槽巷道均采用矩形斷面，工作面采用全負壓“U”型通風方式和全部垮落法管理頂板。

2 大采高工作面采動覆巖裂隙演化數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計算模型構建

以實驗礦井15#煤層大采高工作面為UDEC數(shù)值模擬的研究對象，依據(jù)大采高工作面煤層賦存地質條件，模型設計尺寸為200 m×129 m，結合礦井地質鉆孔柱狀圖，在模型中共構建19層，本構關系采用摩爾-庫倫模型。

模型邊界條件：模型底部和左右兩側均為法向位移約束，即底部邊界限制垂直方向位移，但允許水平方向位移；左右邊界限制水平方向位移，而允許垂直方向的位移[11-12]。

模型上部為載荷的邊界條件，考慮煤層覆巖自重應力作為上部邊界的作用力，見式(1)。

σv=ρgH

(1)

式中：σv為模型垂直原巖應力，MPa；ρ為覆巖層平均密度，取值為2 500kg/m3；H為模型上邊界覆巖平均埋深，取值為438 m。

根據(jù)式(1)，可以計算得出實驗工作面模型上部邊界作用力為10.73 MPa。構建數(shù)值計算模型見圖1，模型采用的巖層和煤層的力學參數(shù)見表1。

圖1 巖層模型圖

2.2 大采高工作面采動覆巖裂隙演化數(shù)值模擬結果分析

模型構建完成后，進行原巖應力初始狀態(tài)模擬，在模型中大采高實驗工作面推進速度為10 m，計算至平衡后繼續(xù)開挖，模擬工作面推進至120 m過程中采動覆巖裂隙演化規(guī)律及位移量，不同推進距離模擬結果如圖2所示。

由圖2(a)中可以看出，大采高工作面推進至10 m的位置時，15#煤層直接頂未垮落，分析原因是采場直接頂具有一定強度和大采高支架的支護作用。由圖2(b)可以看出，大采高工作面推進至20 m時，采場基本頂開始出現(xiàn)離層裂隙，直接頂開始出現(xiàn)初次垮落。由圖2(c)可以看出，大采高工作面推進至40 m時，采場基本頂?shù)纳蠈雍拖聦又g發(fā)生明顯層離現(xiàn)象，工作面會受到基本頂導致的初次來壓作用。由圖2(d～g)可以看出，大采高工作面由60 m逐漸推進120 m的過程中，采場上覆巖層在工作面采動影響下逐漸垮落，直接頂發(fā)生周期性離層及相繼斷裂，根據(jù)實驗礦井大采高工作面布置方式和煤層地質賦存條件下數(shù)值模擬結果顯示，當工作面推進至120 m時，大采高工作面采動影響覆巖破壞范圍至極限值，采場后方的采空區(qū)基本被上覆巖層垮落填充，15#煤層采動影響上覆煤巖體最大高度至65 m左右。作為15#煤層上鄰近層的可采煤層8#煤層，兩層煤垂直間距為59 m，數(shù)值模擬結果可以看出15#煤層大采高工作面回采過程中能夠提前排放8#煤層瓦斯，從而起到保護層開采的作用，同時會導致15#煤層大采高工作面開采期間上鄰近層瓦斯涌出量增大。

表1 煤層和巖層厚度及物理力學性質參數(shù)

圖2 大采高工作面不同推進距離時覆巖裂隙形態(tài)及位移量云圖

3 示蹤原理實測驗證覆巖裂隙發(fā)育高度

為了考察UDEC數(shù)值模擬計算結果的可靠性，提出基于示蹤原理的方法實測大采高工作面采動上覆巖層裂隙發(fā)育高度。本次測試采用在煤巖中穩(wěn)定彌散的示蹤氣體SF6，測試實驗在工作面回風順槽鉆場布置5組測試鉆孔，每組鉆孔間距為60 m，測試鉆孔由水泥封孔段和示蹤氣體段組成，保證每組實驗為獨立研究單元，測試鉆孔布置參數(shù)見表2所示，測試鉆孔布置平剖圖見圖3和圖4所示。

表2 示蹤氣體測試覆巖裂隙發(fā)育鉆孔布置圖

由圖5可以看出，通過在工作面采空區(qū)瓦斯抽采支管路安設的SF6示蹤氣體在線監(jiān)測傳感器統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，工作面逐漸推進至120 m的過程中，當工作面推進至15～23 m時，瓦斯抽采管道中監(jiān)測到示蹤氣體，則對應注示蹤氣體距離煤層頂板垂高為15 m，在數(shù)值模擬中工作面推進至20 m時，上覆巖層裂隙發(fā)育高度為15 m；當工作面推進至55～68 m時，瓦斯抽采管道中監(jiān)測到示蹤氣體，則對應注示蹤氣體距離煤層頂板垂高為25m，在數(shù)值模擬中工作面推進至60 m時，上覆巖層裂隙發(fā)育高度為25 m；當工作面推進至78～88 m時，瓦斯抽采管道中監(jiān)測到示蹤氣體，則對應注示蹤氣體距離煤層頂板垂高為35 m，在數(shù)值模擬中工作面推進至80 m時，上覆巖層裂隙發(fā)育高度為35 m；當工作面推進至102～120 m時，瓦斯抽采管道中監(jiān)測到示蹤氣體，則對應注示蹤氣體距離煤層頂板垂高為50 m和60 m，在數(shù)值模擬中工作面推進至100 m時，上覆巖層裂隙發(fā)育高度逐漸發(fā)育至極限高度為65 m。從上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析得出：基于示蹤氣體法現(xiàn)場測試驗證大采高工作面采動上覆巖層裂隙演化數(shù)值模擬具有較高的可靠性。

圖3 大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育高度測試鉆孔布置平面圖

圖4 大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育高度測試鉆孔布置剖面圖

圖5 工作面不同推進距離瓦斯抽采管路中SF6示蹤氣體濃度變化圖

4 結 論

1)結合實驗礦井煤層賦存條件，構建高瓦斯多煤層大采高工作面UDEC數(shù)值模擬模型，模擬工作面在不同推進距離時上覆巖層裂隙演化規(guī)律，實驗礦井大采高工作面采動裂隙發(fā)育最大高度為65 m左右。

2)通過對15#煤層大采高工作面的數(shù)值模擬，作為大采高工作面上鄰近層的8#煤層，模擬結果表明8#煤層位于開采卸壓范圍，在開展15#煤層大采高工作面開采時，應增加上鄰近層瓦斯抽采工藝，從而防止8#煤層卸壓瓦斯涌入采場。

3)基于示蹤氣體法現(xiàn)場實測大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育高度，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果具有一致性。

4)高瓦斯多煤層開采礦井運用大采高開采技術是實現(xiàn)礦井高產高效的發(fā)展方向，開采工藝的改變導致工作面瓦斯涌出來源變化，研究大采高工作面覆巖裂隙的變化規(guī)律指導礦井合理采取瓦斯防治措施。

[1] 郭保華，李培，雷清泉. 淺談我國大采高綜采技術[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保, 2003, 30 (6):27-29.

[2] Yun Lei, Jianjun Liu, Shaonan Zhang, et al. Contrast test of different permeability improvement technologies for gas-rich low-permeability coal seams[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016, 33(7): 1282-1290.

[3] 張蓓. 大采高厚煤層采場覆巖結構與運動分析[J]. 中國礦業(yè), 2016, 25 (6):75-83.

[4] 李曉璐，歐陽振華，李少剛. 基于相似模擬的淺埋深煤層覆巖采動裂隙分析[J]. 中國礦業(yè), 2016, 25 (4):72-81.

[5] 苗磊剛，石必明，穆朝民，等. 大采高采動覆巖變形的相似模擬試驗研究[J]. 中國安全科學學報, 2016, 26 (1):116-121.

[6] 張軍，王建鵬. 采動覆巖“三帶”高度相似模擬及實證研究[J]. 采礦與安全工程學報, 2014, 31 (2):249-254.

[7] 匡鐵軍. 特厚煤層大采高綜放工作面端部覆巖活動規(guī)律研究[J]. 煤炭科學技術, 2016, 44 (6):188-193.

[8] 解盤石，伍永平，王紅偉，等. 大傾角煤層大采高綜采圍巖運移與支架相互作用規(guī)律[J]. 采礦與安全工程學報, 2015, 32 (1): 14-19.

[9] 楊建立，左建平，孫凱，等. 大采高多斷層工作面綜放誘發(fā)地表沉陷觀測及數(shù)值分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2011, 30 (6):1216-1224.

[10] Huamin Li, Peng Syd, Huigui Li, et al. Trial of small gateroad pillar in top coal caving longwall mining of large mining height[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2016, 26 (1):139-147.

[11] Yu Le, Liu Jianjun. Stability of interbed for salt cavern gas storage in solution mining considering cusp displacement catastrophe theory[J]. Petroleum, 2015, 1 (3): 82-90.

[12] 李生舟. 采動覆巖裂隙場演化及瓦斯運移規(guī)律研究[D]. 重慶：重慶大學, 2012.

Research on the evolution law of overburden rock cracks on high-gas multi-seam large mining height working face

ZHANG Wei, XU Kaili

(School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Large mining height technology is used in high-gas multi-seam mines to realize high production and high efficiency, but a difference in mining technology may lead to a change in gas emission regularity on working face. This research was carried out on the evolution law of mining overburden rock cracks on the background of coal seam occurrence conditions and overburden rock distribution characteristics on a large mining height working face in No.15 coal seam, Qinshui coalfield. The research used UDEC to numerically simulate the morphological development and displacement of overburden rock cracks on the large mining height working face at different advancing distances, and then a tracing principle-based validation method was put forward for measuring the development regularity of overburden rock cracks. According to the research, as the large mining height working face advanced to 120m, the limiting development height of the overburden rock cracks in the coal seam reached 65m, and No.8 coal seam, the upper neighboring coal seam of this large mining height working face, lied in the relief range of mining pressure. The field test data obtained by the tracer gas method validated the accuracy of the numerical simulation. Since the overburden rock cracks propagated to the upper neighboring coal seam No.8 coal seam, a gas extraction technology applying to the upper neighboring coal seam should be adopted in the stoping process on the working face.

large cutting height working face; overburden rock; crack; numerical simulation; tracer gas

2016-12-01

國家科技重大專項資助(編號：2016ZX05067)；遼寧省自然科學基金項目資助(編號：2013020137)

張偉(1985-)，女，河北滄州人，講師，博士研究生，主要從事工業(yè)及礦山安全技術教學和科研工作，E-mail：zhangwei19860919@163.com。

TD712

A

1004-4051(2017)03-0093-05