近距離上保護(hù)層開采下伏煤(巖)裂隙時(shí)空演化過程分析

陳榮柱，涂慶毅，程遠(yuǎn)平，劉慶峰

0 引言

煤層瓦斯是腐殖型有機(jī)物在成煤過程中的伴生產(chǎn)物，并以游離態(tài)和吸附態(tài)2種形態(tài)賦存在煤層中［1－2］。盡管絕大多數(shù)的煤層瓦斯在漫長的地質(zhì)年代已經(jīng)逸散到大氣中，但現(xiàn)存的煤層瓦斯含量依然可以達(dá)到1～40 m3/t［3］。這些煤層瓦斯既是一種高效清潔的能源［4］，同時(shí)也給煤礦開采帶來很大的安全隱患，它是瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出等災(zāi)害的主導(dǎo)因素［5－8］。

《煤與瓦斯突出防治規(guī)定》明確規(guī)定當(dāng)煤層瓦斯含量超過8 m3/t或瓦斯壓力超過0．74 MPa時(shí)，在煤層回采前必須對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行有效的治理，以消除煤層的突出危險(xiǎn)性［9］。利用鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是一種常用的煤層瓦斯治理方法［10－11］。然而，對(duì)于中國絕大多數(shù)的產(chǎn)煤礦區(qū)，煤層滲透率是極低的［12］。尤其是近些年隨著淺部煤炭資源的枯竭，很多礦井相繼進(jìn)入深部開采階段［13］，在高地應(yīng)力作用下，煤層滲透率將會(huì)更低［14］，在這種情況下，原始煤體的預(yù)抽效果是非常差的。此時(shí)，在具備煤層群條件下，保護(hù)層開采被認(rèn)為是一種比較合適的瓦斯治理方法［15－18］。

近些年，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，針對(duì)保護(hù)層開采過程中頂、底板煤巖層應(yīng)力演化、裂隙發(fā)育和滲透率變化特征等，已經(jīng)開展了大量的研究工作［19－21］，王偉等利用Flac3D軟件模擬保護(hù)層煤柱寬度對(duì)被保護(hù)層卸壓效果的影響，并獲得了連續(xù)開采條件下，煤柱的寬度不應(yīng)超過5 m［22］．蔣靜宇等認(rèn)為對(duì)于煤層群條件，多個(gè)保護(hù)層開采后，被保護(hù)層應(yīng)力卸載和變形是可以疊加的，首采煤層的選擇至關(guān)重要［23］。劉海波等研究了保護(hù)層開采過程中，被保護(hù)層卸壓效果及變形特征。然而，保護(hù)層開采效果受保護(hù)層和被保護(hù)層的相對(duì)層位關(guān)系及間距影響明顯［24］。

文章以平煤五礦近距離保護(hù)層開采為例(平均層間距8 m)，利用3DEC軟件對(duì)近距離開采造成下被保護(hù)層裂隙演化、空間分布特征進(jìn)行分析，并利用被保護(hù)層穿層斜交卸壓瓦斯鉆孔抽采效果對(duì)保護(hù)層開采效果進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步揭示近距離上保護(hù)層開采下伏煤巖體裂隙演化過程有重要的意義，同時(shí)為近距離上保護(hù)層開采治理被保護(hù)層瓦斯提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造

平煤五礦位于河南省平頂山礦區(qū)中部，處于李口向斜的西南翼，總體為一緩傾斜的單斜構(gòu)造。井田跨鍋底山斷層上、下盤，該斷層為正斷層，既具有張性特征又具有壓性特征，井田內(nèi)褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育。其中，褶皺構(gòu)造主要有山莊向斜和諸葛店背斜，且背、向斜僅發(fā)育在己煤段和庚煤段地層中;斷裂構(gòu)造以走向北西西的鍋底山正斷層為主導(dǎo)(落差100～200 m)，伴生和派生的壓性(壓扭性)和張性(張扭性)中、小型構(gòu)造并存的復(fù)雜構(gòu)造格局。值得注意的是，與鍋底山斷層距離越近，斷層越發(fā)育。

1.2 煤層及煤層瓦斯賦存

井田內(nèi)含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組，含煤地層厚556～1 090 m，平均796 m，含煤21～56層，其中主要可采煤層特征見表1．

煤層瓦斯是一種氣體地質(zhì)體，其在煤層中的賦存受到地質(zhì)及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制作用。相同地質(zhì)單元內(nèi)，煤層瓦斯隨著煤層埋深呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。利用直接法，平煤五礦現(xiàn)場實(shí)測了大量的己15煤和己16－17煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)。這些瓦斯壓力數(shù)據(jù)直觀地反映了煤層瓦斯壓力隨煤層埋深的關(guān)系。此外，基于安全線法［25］，通過選擇2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，可以獲得己15煤和己16－17煤層瓦斯壓力與埋深的變化趨勢，如圖1所示。

式中，P1為己15煤層瓦斯壓力，MPa;P2為己16－17煤層瓦斯壓力，MPa;h為煤層埋深，m．

表1 可采煤層特征Tab．1 Characteristics of recoverable coal seams

圖1 煤層瓦斯壓力隨煤層埋深變化Fig．1 Relationship between coal seam pressure and coal seam depth

井田范圍內(nèi)己16－17煤層和己15煤層瓦斯壓力均表現(xiàn)出隨著煤層埋深增大而增大的趨勢，且己16－17煤層瓦斯壓力要明顯高于己15煤層。己16－17煤層最大瓦斯壓力達(dá)到2．7 MPa，煤層瓦斯壓力梯度為0．003 9 MPa/m．對(duì)比己15煤層，己16－17煤層具有更高的突出危險(xiǎn)性，這可以從全礦13次突出事故均發(fā)生在己16－17煤層得到驗(yàn)證。因此，在己16－17煤層開采前，對(duì)該煤層采取消突措施是必要的。

2 上保護(hù)層開采數(shù)值模擬

2.1 保護(hù)層開采設(shè)計(jì)

己15－23230工作面位于己三下延采區(qū)東翼己15煤層第十二個(gè)區(qū)段，該工作面標(biāo)高－550～－645 m，最大埋深876 m．基于1．2節(jié)瓦斯賦存情況分析，該區(qū)域內(nèi)己16－17－23230工作面均有突出危險(xiǎn)性，而己15－23230工作面突出危險(xiǎn)性較小。因此，選取己15－23230工作面作為己16－17－23230工作面的保護(hù)層工作面，進(jìn)行上保護(hù)層開采。此外，保護(hù)層己15－23230工作面回采需要采取必要的瓦斯治理措施，進(jìn)一步消除煤層突出危險(xiǎn)性。試驗(yàn)區(qū)己15煤層平均厚度為1．5 m，己16－17煤層平均厚度為4 m，保護(hù)層與被保護(hù)層平均層間距為8 m．

為了有效治理保護(hù)層及被保護(hù)層煤層瓦斯，尤其是消除被保護(hù)層己16－17－23230工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，己15－23230工作面選擇穿層斜交卸壓瓦斯鉆孔抽采、本煤層順層鉆孔抽采以及采空區(qū)卸壓瓦斯抽采3種瓦斯抽采方法，如圖2所示。其中，本煤層順層鉆孔用于保護(hù)層工作面瓦斯治理;穿層卸壓瓦斯鉆孔主要抽采下被保護(hù)層煤層瓦斯，對(duì)被保護(hù)層卸壓瓦斯進(jìn)行攔截，在采前、采中和采后3個(gè)時(shí)段對(duì)被保護(hù)層瓦斯進(jìn)行抽采;采空區(qū)卸壓瓦斯抽采主要在工作面回采過程中抽采鄰近層涌出并積聚在采空區(qū)的瓦斯，防治回風(fēng)巷上隅角瓦斯超限。3種抽采方法的具體參數(shù)見表2．

圖2 己15－23230工作面瓦斯抽采措施示意圖Fig．2 Schematic diagram of gas drainage measures of the working face

2.2 模型建立

3DEC 軟件［26－28］被用于解算保護(hù)層己15－23230工作面開采引起被保護(hù)層己16－17－23230工作面煤巖體裂隙發(fā)育與變形特征。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域地質(zhì)概況(圖3)，建立數(shù)值模型。這個(gè)模型包含試驗(yàn)地層段內(nèi)主要的煤/巖層，模型及邊界條件如圖4所示。模型的具體情況如下:己15煤層平均厚度為1．5 m，己16－17煤層平均厚度為4 m，兩煤層平均層間距為8 m;模型的下部邊界為己15煤層底板下方43．2 m，上部邊界為己15煤層上方58．4 m;模型走向長度為200 m，保護(hù)層開挖長度為100 m，在模型左側(cè)50 m處設(shè)置開切眼。

表2 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Tab．2 Drilling design parameters

圖3 試驗(yàn)區(qū)地層條件Fig．3 Geological conditions of study area

模型上邊界為不約束邊界，底邊為全約束邊間，左右兩邊為單約束邊界(圖4)。煤巖體破壞選擇Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，巖層及巖層節(jié)理面參數(shù)見表3，表4，這些參數(shù)參考了近期公開發(fā)布的論文［19，29］，保證參數(shù)的合理性。

圖4 模型及邊界條件示意圖Fig．4 Model and bonndary conditions

表3 巖層物理力學(xué)參數(shù)Tab．3 Physical and mechanical parameters of rock formation

表4 巖層節(jié)理面物理力學(xué)參數(shù)Tab．4 Physical and mechanical parameters of joint surface of rock

2.3 下伏煤巖體裂隙發(fā)育時(shí)空演化特征分析

2．3．1 裂隙發(fā)育時(shí)空演化特征

通過數(shù)值模擬獲得己15－23230工作面回采時(shí)沿工作面回采方向被保護(hù)層的裂隙發(fā)育特征。圖5描述了己15－23230工作面開采初期底板巖層裂隙發(fā)育特征。隨著工作面的不斷推進(jìn)，底板下方煤巖體內(nèi)裂隙逐步發(fā)育并且逐漸向下深部延伸。當(dāng)工作面推進(jìn)6 m時(shí)，己15煤底板5 m范圍內(nèi)巖體底鼓變形明顯，橫向裂隙逐漸發(fā)育，此時(shí)垂向裂隙發(fā)育不明顯。當(dāng)工作面推進(jìn)8 m時(shí)，己15煤底板5 m范圍內(nèi)垂向裂隙也逐漸發(fā)育。當(dāng)工作面推進(jìn)18 m時(shí)，己16－17煤層內(nèi)橫向裂隙和垂向裂隙發(fā)育逐漸明顯，而在己15煤底板10 m范圍外橫向裂隙和垂向裂隙發(fā)育遲緩，較少溝通。

圖5 回采過程底板巖層裂隙發(fā)育情況(工作面推進(jìn)6～18 m)Fig．5 Fracture development of bottom slab during mining process(working face advancing 6～18 m)

由圖6可知，隨著己15－23230工作面進(jìn)一步向前推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)24 m時(shí)，己15－23230工作面底板煤巖體橫向裂隙和垂向裂隙隨著工作面向前(向深部)發(fā)展。此外，隨著采空區(qū)上覆巖體的垮落壓實(shí)，開切眼附近裂隙出現(xiàn)閉合現(xiàn)象。

圖6 回采過程底板巖層裂隙發(fā)育情況(工作面推進(jìn)24 m)Fig．6 Fracture development of bottom slab in mining process(wroking face advancing 24 m)

2．3．2 裂隙分布特征分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，保護(hù)層開采后，底板巖層裂隙隨著工作面的推進(jìn)處于動(dòng)態(tài)演化過程［30－31］。當(dāng)回采距離6～18 m時(shí)，保護(hù)層回采造成采空區(qū)底板出現(xiàn)明顯的底鼓變形，橫向裂隙發(fā)育且垂向裂隙也逐漸發(fā)育;隨著回采距離的增加，保護(hù)層回采的影響區(qū)域逐漸增大，底板巖層裂隙逐漸向前(向深部)發(fā)展;從回采距離8 m開始，被保護(hù)層己16－17煤層已出現(xiàn)裂隙發(fā)育，當(dāng)回采18 m時(shí)，己16－17煤層內(nèi)橫向裂隙和垂向裂隙發(fā)育明顯。然而，當(dāng)回采24 m時(shí)，隨著上覆巖體的垮落壓實(shí)，開切眼附近出現(xiàn)了裂隙閉合現(xiàn)象。圖7描述了回采100 m時(shí)，采空區(qū)底板巖層裂隙分布情況。沿著水平方向，底板巖層裂隙依次可以分為原始狀態(tài)區(qū)、高強(qiáng)度卸壓增透區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)，裂隙的分布與巖層的應(yīng)力和變形狀態(tài)是密切相關(guān)的［32－33］。

圖7 水平方向煤巖體裂隙分布情況Fig．7 Fracture distribution of coal and rock mass in horizontal direction

3 穿層斜交卸壓瓦斯鉆孔抽采效果分析

己15－23230風(fēng)巷鄰近層斜交穿層鉆孔從2013年8月份開始進(jìn)行抽采，抽采情況如圖8所示。瓦斯抽采濃度變化范圍為0．92% ～32．10%，抽采量變化范圍623．9 ～15 218．97 m3/d．2014 年4月瓦斯抽采濃度突然增加，這是因?yàn)?月己15－23230工作面開始回采，受到采動(dòng)影響，被保護(hù)層瓦斯開始大量解吸，在抽放負(fù)壓作用下流向抽采鉆孔。

圖8 機(jī)巷穿層斜交鉆孔預(yù)抽抽采量統(tǒng)計(jì)Fig．8 Predrainage quantity statistics of cross borehole in the belt transporter tunnel

表5統(tǒng)計(jì)了2014年6月至2015年8月每月瓦斯抽采量。自2014年6月起至2014年11月，隨著己15－23230工作面推進(jìn)，己16－17煤層裂隙發(fā)育越來越充分，月瓦斯抽采量逐漸增大，并在2014年11月達(dá)最大值174 400 m3．之后，由于采空區(qū)重新壓實(shí)造成己16－17煤層裂隙的閉合和前期大量瓦斯的抽采，月瓦斯抽采量開始降低，并逐漸穩(wěn)定在50 000 m3左右。

表5 機(jī)巷穿層斜交鉆孔月瓦斯抽采量Tab．5 Monthly gas drainage quantity of cross borehole in the belt transporter tunnel

4 結(jié)論

1)當(dāng)回采距離6～18 m時(shí)，保護(hù)層回采造成采空區(qū)底板出現(xiàn)明顯的底鼓變形，橫向裂隙發(fā)育且垂向裂隙也逐漸發(fā)育;隨著回采距離的增加，保護(hù)層回采的影響區(qū)域逐漸增大，底板巖層裂隙逐漸向前(向深部)發(fā)展。然而，隨著回采距離的進(jìn)一步增加，由于采空區(qū)上覆巖體的垮落壓實(shí)作用，造成底板巖層裂隙發(fā)生閉合現(xiàn)象;

2)保護(hù)層開采后，沿著水平方向，底板巖層裂隙依次可以分為原始狀態(tài)區(qū)、高強(qiáng)度卸壓增透區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。從回采距離8 m開始，被保護(hù)層己16－17煤層已出現(xiàn)裂隙發(fā)育，當(dāng)回采 18 m時(shí)，己16－17煤層內(nèi)橫向裂隙和垂向裂隙發(fā)育明顯;

3)受保護(hù)層開采影響，2014年4月瓦斯抽采濃度突然增加。隨著保護(hù)層工作面的推進(jìn)，被保護(hù)層卸壓效果越來越明顯，2014年11月月抽采瓦斯量為174 400 m3達(dá)到最大值。此后，隨著被保護(hù)層裂隙閉合及前期大量瓦斯抽采，每月瓦斯抽采量開始降低，并逐漸穩(wěn)定在50 000 m3左右。

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