高瓦斯薄煤層采動(dòng)裂隙演化規(guī)律及瓦斯抽采技術(shù)

殷帥峰，程志恒，2，浦仕江，陳 亮，李春元

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；2.華北科技學(xué)院 智能化無人開采研究所，北京 101601；3.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；4.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；5.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 ，北京 100083)

煤礦瓦斯災(zāi)害一直是制約煤礦生產(chǎn)安全的重大災(zāi)害之一，近年來在眾多煤礦事故中瓦斯是致死率最高的事故類型[1-3]。雞西礦區(qū)主要開采中生代上侏羅紀(jì)雞西群城子河煤組。開采深度在600～900m，煤層上覆巖層主要為砂巖和泥巖，底板主要為泥巖和泥巖夾煤，多為薄及中厚煤層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。全區(qū)共有14個(gè)采煤工作面，絕對瓦斯涌出量超過5m3/min的就有10個(gè)，其中17個(gè)掘進(jìn)工作面有兩個(gè)絕對瓦斯涌出量超3m3/min，且滲透率為0.0001～0.0004mD。礦井瓦斯涌出量大，且煤層透氣性差，進(jìn)行地面及本層預(yù)抽難以得到明顯效果，因此利用采動(dòng)卸壓作用抽放瓦斯就成了治理瓦斯的主要途徑。

其中利用頂板高位鉆場、巷道抽采裂隙帶瓦斯控制工作面及采空區(qū)瓦斯的措施，取得了良好應(yīng)用效果[4]。針對工作面頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行大量的研究逐漸形成了一套采動(dòng)裂隙場發(fā)育理論，其中包括錢鳴高院士基于對工作面上覆巖層裂隙發(fā)育進(jìn)行長期研究，總結(jié)發(fā)育規(guī)律，最終提出了以“O”形圈分布的采動(dòng)裂隙理論[5，6]；劉天泉院士通過對工作面采場巖層的破壞特征及范圍的進(jìn)行了大量監(jiān)測與實(shí)驗(yàn)研究，提出了“上三帶”分布理論[7，8]；李樹剛等通過對厚煤層綜放工作面進(jìn)行了大量研究，在我國首次提出了破斷、離層巖層裂隙在空間上呈現(xiàn)“橢拋帶動(dòng)態(tài)分布特征”等理論[9]，并隨后確定了在該“橢拋帶”內(nèi)瓦斯具體的滲流方式[10]；謝和平院士通過將分形維數(shù)理論與采動(dòng)裂隙場發(fā)育特征相結(jié)合，開辟該領(lǐng)域研究的新方法[11，12]；袁亮院士等針對低透氣性煤層瓦斯難抽的難題，提出了針對該地質(zhì)條件下新型瓦斯抽采技術(shù)，完善了煤層瓦斯抽采理論[13-15]；蔣曙光等通過現(xiàn)場監(jiān)測瓦斯流動(dòng)特征，建立了采場瓦斯流動(dòng)的三維模型，并將其應(yīng)用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)[16，17]；張東明等通過建立瓦斯流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，為分析和預(yù)測上隅角瓦斯?jié)舛忍峁┝死碚撘罁?jù)[18]；李宗翔等重點(diǎn)研究了利用數(shù)值模擬解決上隅角瓦斯積聚參數(shù)確定的問題[19]；胡千庭等采用了CFD數(shù)值模擬軟件研究了采場瓦斯流動(dòng)的規(guī)律，證實(shí)了該研究方法的可行性，豐富了模擬瓦斯流動(dòng)的研究方法[20]；還有程志恒等針對近距離煤層群條件下的采動(dòng)裂隙進(jìn)行了研究，得到了瓦斯抽采的最佳范圍[21]，但以上研究多針對中厚煤層開采，而針對薄煤層開采的研究較少?；诖?，筆者以雞西礦區(qū)杏花礦薄煤層工作面為研究對象，通過理論計(jì)算以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究薄煤層采動(dòng)過程中頂板覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律對瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

杏花礦西二采區(qū)28#煤層頂部為27#煤層，下部為30#煤層和31#煤層。右二工作面走向長度為560m，傾斜長度為200m，平均煤厚為1.2m，煤層傾角為8m，可采儲(chǔ)量為28萬t。工作面瓦斯涌出量較大，配風(fēng)1800m3/min，絕對涌出量為70m3/min，相對涌出量51m3/t。據(jù)現(xiàn)場實(shí)測資料得知，在開采28#煤層時(shí)，28#煤層上部的27#煤層瓦斯涌出量為15m3/min，30#、31#煤層的瓦斯涌出量為25m3/min，鄰近層瓦斯涌出量占比57%，有專用的排瓦斯巷。28#煤層右一工作面采用高位軸放尾巷及采空區(qū)預(yù)留高位鉆場，在工作面回采時(shí)形成了控制半徑小、利用率低的問題，無法實(shí)際解決瓦斯超限問題。而采用頂板抽采措施可減小工作面瓦斯含量，因此確定工作面頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育范圍、找出瓦斯富集規(guī)律，成為抽采工程的首要問題。

2 頂板裂隙帶高度計(jì)算及理論分析

冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶合稱“三帶”，是由工作面推進(jìn)后采空區(qū)頂板垮落形成的[6]。冒落帶內(nèi)巖石垮落成塊狀，此時(shí)巖塊之間排列無序且間隙較大，大量瓦斯與空氣混合，因此此帶內(nèi)瓦斯?jié)舛认鄬^低。裂隙帶在冒落帶上方，在冒落帶的巖塊支撐作用下，此帶內(nèi)破斷的巖塊相對較整齊的排列，瓦斯密度比空氣小在空氣的上方，采空區(qū)的瓦斯就會(huì)沿著巖塊形成的順層及穿層裂隙中運(yùn)移、富集。因此，裂隙帶中的瓦斯?jié)舛雀?，含量大，將抽采工程布置在此帶?nèi)更容易解決實(shí)際問題。對于覆巖破壞高度的觀測，我國學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中就總結(jié)歸納了普采和綜采工作面的兩帶高度計(jì)算公式。隨著開采強(qiáng)度的增大，越來越多的煤層條件的經(jīng)驗(yàn)公式被總結(jié)歸納，但到目前為止，近距離煤層群開采的覆巖破壞高度的實(shí)測成果依舊較少，仍采用建立在大量實(shí)測基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算垮落帶和裂隙帶的高度。工作面頂板裂隙帶高度計(jì)算入下[9]：

1)冒落帶高度：

H1=M/[(K-1)cosα](1)

式中，H1為垂直于煤層冒落帶高度，m；M為煤層采厚，取1.2m；K為冒落帶巖石膨脹系數(shù)，取1.2；α為煤層傾角，8°。

將數(shù)據(jù)帶入公式，得冒落帶高度為6.06m。

2)裂隙帶高度：

H2=100M/(1.6M+3.6)±5.6(2)

式中，H2為裂隙帶沿煤層法線方向上的高度，m；M為開采煤層厚度，1.2m。

計(jì)算得裂隙帶高度為16.14～27.34m。

3 頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬

采用離散元軟件UDEC分析杏花西二采區(qū)28#煤層右二工作面采空區(qū)頂板裂隙發(fā)育規(guī)律。根據(jù)工作面地質(zhì)條件建立數(shù)值模形長160m，高100m，為消除邊界影響兩側(cè)各預(yù)留30m邊界，左右邊界固定水平方向位移，下邊界固定水平、豎直方向位移，上邊界施加垂直載荷8.75MPa。模擬采用的煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。數(shù)值模型如圖1所示。

表1 計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬模形

數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，由圖2可知當(dāng)工作面推進(jìn)20m時(shí)直接頂發(fā)生初次垮落，冒落高度3.5m，27#煤層同時(shí)發(fā)生彎曲斷裂煤體內(nèi)部產(chǎn)生大量穿層裂隙，使瓦斯得以解吸。而上部的老頂巖層中主要以順層裂隙為主；推進(jìn)30m時(shí)老頂發(fā)生初次斷裂，使下部的27#煤層落入采空區(qū)，冒落帶高度8m，上部的老頂2只發(fā)生彎曲下沉與老頂1間形成較大的縫隙；推進(jìn)60m時(shí)老頂2下沉觸矸，中部形成倒“V”形穿層裂隙，兩端則為“V”形裂隙，此時(shí)老頂3尚未下沉只在兩端發(fā)育較多的“V”形裂隙，使得老頂2老頂3 層間形成較大離層裂縫；推進(jìn)80m時(shí)老頂3下沉觸矸，老頂3的下沉不僅使本層中部產(chǎn)生倒“V”形穿層裂隙，兩端產(chǎn)生“V”形穿層裂隙，而且使得上部亞關(guān)鍵層1及更上位巖層產(chǎn)生非貫通形的穿層裂隙，并在兩層間產(chǎn)生較大離層縫隙。同時(shí)老頂3的觸矸使下位巖層的中部裂隙被壓實(shí)閉合；推進(jìn)100m時(shí)亞關(guān)鍵層1下沉觸矸，其下沉一方面導(dǎo)致上部至亞關(guān)鍵層2之間巖層的整體彎曲下沉并發(fā)育較多的非貫通形穿層裂隙及順層裂隙，另一方面使下部采空區(qū)中的巖層裂隙進(jìn)一步被壓實(shí)裂隙閉合[10]。

圖2 沿工作面走向頂板裂隙發(fā)育規(guī)律

由于工作面長高比很大，采空區(qū)中部冒落帶巖塊能被充分壓實(shí)，因此傾斜長度變化對覆巖裂隙發(fā)育范圍影響較小，且工作面傾角僅為8°，因此將工作面沿傾斜方向的模型建為水平，長度100m。模擬發(fā)現(xiàn)頂板裂隙的發(fā)育規(guī)律與走向大致相同，在工作面上下巷20m左右范圍內(nèi)穿層裂隙及順層裂隙較發(fā)育，中部裂隙被壓實(shí)閉合。亞關(guān)鍵層1只發(fā)生彎曲下沉，其本層及亞關(guān)鍵層2之間巖層只發(fā)育非貫通形穿層、順層裂隙，并與亞關(guān)鍵層2之間形成較大的離層裂隙，如圖3所示。

圖3 沿工作面傾斜方向頂板裂隙發(fā)育規(guī)律

數(shù)值模擬過程表明，薄煤層工作面覆巖冒落帶高度為8.0m，冒落裂隙帶總高度為24m。薄煤層工作面頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育過程大致可分為兩個(gè)階段：即亞關(guān)鍵層1觸矸前，隨工作面推進(jìn)老頂巖層不斷向上斷裂下沉，穿層、順層裂隙不斷向上發(fā)展，且以中部倒“V”形，兩端 “V”形為主，中部巖層以豎直位移為主，兩端巖層以水平位移為主；亞關(guān)鍵層1彎曲觸矸后，由于亞關(guān)鍵層處于彎曲下沉帶，其本層內(nèi)只發(fā)育較多的非貫通形穿層裂隙及順層裂隙。亞關(guān)鍵層的彎曲下沉一方面導(dǎo)致了上部至關(guān)鍵層2之間巖層的整體下沉，并發(fā)育較多非貫通裂隙，另一方面將下部采空區(qū)中部巖層的裂隙壓實(shí)閉合。頂板巖層沿工作面走向及傾向大致可以分為3個(gè)區(qū)域即工作面端頭附近20m左右范圍內(nèi)，及開切眼15m左右范圍內(nèi)的穿層、順層裂隙發(fā)育區(qū)，采空區(qū)中部的裂隙壓實(shí)區(qū)。沿傾斜方向上下巷20m左右范圍內(nèi)的裂隙發(fā)育區(qū)和采空區(qū)中部的壓實(shí)區(qū)。

薄煤層工作面頂板采動(dòng)裂隙分布特征仍呈“O”形特征，但由于煤層厚度小，巖層垮落高度小，中部裂隙更易被壓實(shí)，因此沿走向兩端及傾斜兩端的裂隙發(fā)育區(qū)寬度變小，即薄煤層頂板環(huán)形裂隙圈的寬度較窄僅為20m左右。另一方面薄煤層開采只能使亞關(guān)鍵層1彎曲下沉，不能導(dǎo)致其及上位巖層產(chǎn)生貫通型穿層裂隙，即亞關(guān)鍵層1阻隔了穿層裂隙向更上部的發(fā)展，使瓦斯運(yùn)移富集通道被阻隔。因此可將此層設(shè)定為標(biāo)志層并沿其下部布置瓦斯抽采工程。

4 瓦斯抽采技術(shù)

由理論計(jì)算及數(shù)值模擬表明本工作面裂隙帶發(fā)育高度為24m左右，裂隙帶發(fā)育寬度距工作面上下兩巷大致為20m左右。因此應(yīng)將抽采鉆孔、巷道布置在此范圍內(nèi)。

高位抽放尾巷及采空區(qū)預(yù)留高位鉆場在該工作面控制半徑小、利用率低，而該工作面瓦斯涌出量較大，在28#層右一工作面回采時(shí)，難以控制工作面瓦斯。因此，將高位抽放尾巷替換為高抽巷，能夠控制工作面上部27#煤層及本層的瓦斯。該高抽巷距離28#煤層頂板20m，距回風(fēng)巷水平距離20m，并平行于回風(fēng)巷，巷道斷面面積為6m2，采用錨桿支護(hù)。因?yàn)楣ぷ髅骈L度有200m，整個(gè)工作面涌出的瓦斯高抽巷難以全部控制，所以需要在工作面的回風(fēng)巷中布置高位鉆場，每隔120m布置一個(gè)，每個(gè)鉆場內(nèi)布置6～8個(gè)近水平鉆孔，鉆孔長度為150～180m，呈水平扇形布置，以增加高抽巷的控制面積。布置圖如圖4所示。隨機(jī)抽取布置日期相同的新鉆孔并對鉆孔瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，編號(hào)為1#-2#、2#-3#、3#-5#，與之前鉆孔1#-1#、2#-1#瓦斯抽采濃度比較，并對高抽巷、高位鉆孔抽采量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖5、圖6所示。

圖4 瓦斯抽采工程布置圖

圖5、圖6為不同鉆孔瓦斯抽采濃度的對比情況及新鉆孔在高抽巷、高位鉆孔瓦斯抽采流量與工作面累計(jì)進(jìn)尺的關(guān)系，由圖中可以看出，在新布置鉆孔中，整體瓦斯抽采濃度大約在38%～58%之間，而舊鉆孔整體瓦斯抽采濃度大約在10%～25%之間，瓦斯平均抽采效率提高了兩倍以上；同時(shí)隨著工作面累計(jì)進(jìn)尺距離的增加，其瓦斯在高抽巷及高位鉆孔中的抽采量平均都在33m3/min以上。工作面及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确蠈?shí)際工程施工要求，保證了安全的生產(chǎn)環(huán)境，大大提高了礦井安全生產(chǎn)能力。

圖5 不同鉆孔瓦斯抽采濃度情況

圖6 瓦斯總抽采純流量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

5 結(jié) 論

1)依據(jù)雞西杏花礦薄煤層工作面地質(zhì)條件，通過理論計(jì)算及數(shù)值模擬分析了頂板巖層采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律，分析表明薄煤層頂板裂隙發(fā)育特征仍然呈“O”形圈特征，但由于冒落帶高度小在頂板巖層作用下采空區(qū)中部壓實(shí)區(qū)域變大，工作面走向及傾向兩端裂隙發(fā)育區(qū)范圍變小即所形成的環(huán)形裂隙圈的寬度變窄僅為20m左右。

2)薄煤層采動(dòng)過程中不能導(dǎo)致亞關(guān)鍵層的破斷，只能使其彎曲下沉，使得亞關(guān)鍵層及其以上巖層不能發(fā)育貫通形裂隙。因此亞關(guān)鍵層就成為瓦斯運(yùn)移富集的標(biāo)志層，瓦斯抽采工程應(yīng)沿亞關(guān)鍵層以下布置。

3)將文中的高瓦斯薄煤層采動(dòng)裂隙演化規(guī)律應(yīng)用于指導(dǎo)現(xiàn)場瓦斯抽采工程的布置位置方案的設(shè)計(jì)，現(xiàn)場采取了頂板抽采巷道及高位近水平鉆場結(jié)合抽采方案，并對工作面鉆場瓦斯的抽采效果進(jìn)行監(jiān)測，整體瓦斯抽采濃度大約在38%～58%之間，瓦斯平均抽采效率提高了2倍以上，同時(shí)隨著工作面累計(jì)進(jìn)尺距離的增加，其瓦斯在高抽巷及高位鉆孔中的抽采量平均都在33m3/min以上，此抽采方式大大降低了工作面及回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛龋ＷC了安全的生產(chǎn)環(huán)境，提高了礦井生產(chǎn)能力