下伏被保護(hù)層雙重采動(dòng)影響下覆巖瓦斯富集規(guī)律

周銀波， 黃繼磊， 王思琪， 趙周， 許靜心， 陳亮

(1.河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.微生物治理瓦斯技術(shù)與裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 451191；3.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450046；4.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450007)

0 引言

隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，逐漸構(gòu)建了以保護(hù)層開(kāi)采為基礎(chǔ)的煤與瓦斯共采體系[1-3]。保護(hù)層開(kāi)采是最經(jīng)濟(jì)有效的防突技術(shù)，我國(guó)明確規(guī)定了區(qū)域防突中優(yōu)先采用該技術(shù)。受保護(hù)層采動(dòng)影響，其周?chē)簬r層原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，使得受影響范圍內(nèi)的煤巖層發(fā)生膨脹變形，產(chǎn)生大量裂隙，為被保護(hù)層內(nèi)的瓦斯解吸、滲流提供了良好的條件，從而起到保護(hù)效果[4]。

我國(guó)學(xué)者對(duì)保護(hù)層開(kāi)采下煤巖層變形、瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量研究。王海鋒等[5]、劉震等[6]研究了近距離煤層群上保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中工作面瓦斯涌出特征，認(rèn)為被保護(hù)層卸壓瓦斯經(jīng)采動(dòng)裂隙通道涌入保護(hù)層工作面采空區(qū)，危害工作面安全生產(chǎn)。李樹(shù)清等[7]、李樹(shù)剛等[8]基于煤層群下保護(hù)層開(kāi)采，研究了雙重卸壓開(kāi)采對(duì)覆巖移動(dòng)和裂隙擴(kuò)展的影響，從而建立了立體瓦斯抽采模式。衛(wèi)成相[9]在寺河礦采用試驗(yàn)鉆孔，對(duì)下保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中巖層運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了觀測(cè)。楊黨委[10]采用工業(yè)實(shí)踐和數(shù)值模擬方法，研究了平煤十礦下保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中巖層移動(dòng)和裂隙延展規(guī)律，認(rèn)為煤層膨脹變形率和瓦斯壓力均達(dá)到防突要求。

采用保護(hù)層開(kāi)采技術(shù)時(shí)，下伏被保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中在雙重采動(dòng)影響下，覆巖遭到二次破壞，形成不同于單層開(kāi)采條件下的垮落特征，并對(duì)采場(chǎng)瓦斯運(yùn)移富集狀態(tài)產(chǎn)生影響。目前對(duì)于該方面的研究較少。本文以淮北礦業(yè)股份有限公司青東煤礦為例，針對(duì)煤層群下伏被保護(hù)層開(kāi)采情況，基于關(guān)鍵層理論[11]，通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析方法研究了采場(chǎng)覆巖在雙重采動(dòng)影響下的垮落特征和瓦斯富集規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，在828工作面施工高位鉆孔[12-14]進(jìn)行瓦斯抽采，取得了良好效果。

1 下伏被保護(hù)層雙重采動(dòng)影響下覆巖垮落特征相似模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

青東煤礦為煤與瓦斯突出礦井，現(xiàn)階段主采82采區(qū)7，8煤層，平均煤厚分別為1.8，9.2 m，煤層間距約為25 m。該礦采取以7煤層為上保護(hù)層的防突技術(shù)，7煤層已回采結(jié)束，現(xiàn)開(kāi)始開(kāi)采其保護(hù)范圍內(nèi)的8煤層。為研究8煤層工作面采動(dòng)后采場(chǎng)覆巖垮落規(guī)律，以828工作面為研究對(duì)象，采用平面應(yīng)變相似材料模型開(kāi)展相似模擬實(shí)驗(yàn)。相似材料模型尺寸為250 cm×30 cm×128 cm(長(zhǎng)×寬×高)，以砂子、石膏、碳酸鈣為原料，依照煤層柱狀圖和相似比例鋪制而成。模型中7，8煤層頂板關(guān)鍵層根據(jù)文獻(xiàn)[11]計(jì)算，并在相似材料模型中進(jìn)行標(biāo)志，見(jiàn)表1。

表1 7，8煤層頂板關(guān)鍵層

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7煤層開(kāi)采結(jié)束后采場(chǎng)覆巖變形垮落情況如圖1所示?？煽闯隹迓鋷Ц叨燃s為10 m(本文中相似材料模型1 cm代表實(shí)際長(zhǎng)度1 m)，斷裂帶高度約為20 m，7煤層主關(guān)鍵層發(fā)生明顯彎曲變形。下伏被保護(hù)層8煤層開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)覆巖變形垮落情況如圖2所示。可看出推進(jìn)75 m時(shí)，在關(guān)鍵層支撐影響下，位于7，8煤層中部的覆巖發(fā)生逐層垮落；推進(jìn)77 m時(shí)，因覆巖懸露面積增大，關(guān)鍵層發(fā)生破斷，導(dǎo)致相似材料模型在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大范圍的覆巖移動(dòng)，直接影響到7煤層主關(guān)鍵層。

圖1 7煤層(保護(hù)層)開(kāi)采結(jié)束后覆巖變形垮落情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)螌?7煤層)開(kāi)采過(guò)程中，覆巖逐層垮落，形成裂隙“三帶”特征；8煤層開(kāi)采過(guò)程中，隨著主關(guān)鍵層破斷，8煤層覆巖出現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng)，使得7煤層覆巖受到二次影響，形成二次采動(dòng)影響區(qū)。該區(qū)域?qū)儆谠?煤層采空區(qū)的垮落帶和部分?jǐn)嗔褞У母矌r，具有如下特征：二次采動(dòng)使原本破碎的垮落帶更加破碎，使原始斷裂帶內(nèi)部分覆巖發(fā)生破斷；原始彎曲變形帶產(chǎn)生更大程度的變形，在覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后演變成斷裂帶；垮落的覆巖較破碎，原本壓實(shí)閉合的裂隙再次張開(kāi)，產(chǎn)生大量自由空間；大范圍的覆巖在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生二次破斷垮落，導(dǎo)致該區(qū)域迅速形成；隨著8煤層繼續(xù)開(kāi)采，初始形成的二次采動(dòng)影響區(qū)被逐漸壓實(shí)，在8煤層主關(guān)鍵層周期性破斷影響下，該區(qū)域周期性形成和消失。

(a)推進(jìn)75 m

(b)推進(jìn)77 m

1.3 相似材料模型離層率動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

離層率通常用來(lái)反映覆巖內(nèi)離層裂隙的分布情況。將相似材料模型劃分為2個(gè)區(qū)域：8煤層主關(guān)鍵層與8煤層亞關(guān)鍵層為第Ⅰ區(qū)域；8煤層主關(guān)鍵層與7煤層主關(guān)鍵層為第Ⅱ區(qū)域。第Ⅰ區(qū)域離層率(圖3)反映被保護(hù)層8煤層工作面開(kāi)采過(guò)程中7，8煤層間巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，第Ⅱ區(qū)域離層率(圖4)反映8煤層工作面采動(dòng)對(duì)覆巖造成的二次采動(dòng)影響規(guī)律。

從圖3可看出：隨著8煤層工作面推進(jìn)，后方采空區(qū)內(nèi)發(fā)生覆巖垮落，第Ⅰ區(qū)域離層率較大，當(dāng)工作面推進(jìn)到足夠距離(≥77 m)時(shí)，8煤層主關(guān)鍵層破斷，造成原本松散堆積的巖石被壓實(shí)，從而出現(xiàn)離層率下降的現(xiàn)象，形成“雙駝峰”現(xiàn)象。從圖4可看出：在8煤層工作面推進(jìn)初期，8煤層主關(guān)鍵層未破斷時(shí)(推進(jìn)65 m)，第Ⅱ區(qū)域離層率仍穩(wěn)定分布，離層率呈“M”型；隨著8煤層主關(guān)鍵層破斷(推進(jìn)77 m)，第Ⅱ區(qū)域內(nèi)覆巖受到二次采動(dòng)影響，離層率突然增大；當(dāng)8煤層工作面推進(jìn)至95 m時(shí)，8煤層關(guān)鍵層再次破斷，同時(shí)原本離層率較大的區(qū)域被壓實(shí)，在靠近工作面的區(qū)域重新形成一個(gè)離層率較大的區(qū)域；隨著8煤層主關(guān)鍵層周期性破斷，該區(qū)域周期性形成。

圖3 第Ⅰ區(qū)域離層率

圖4 第Ⅱ區(qū)域離層率

2 二次采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)瓦斯富集規(guī)律理論分析

采動(dòng)裂隙是工作面瓦斯運(yùn)移的主要通道，采空區(qū)覆巖垮落特征必將影響瓦斯富集規(guī)律(特別是裂隙發(fā)育區(qū))，因此，研究煤層采動(dòng)覆巖垮落規(guī)律對(duì)采空區(qū)瓦斯治理具有重要意義。相似模擬實(shí)驗(yàn)得出下伏被保護(hù)層采動(dòng)引起覆巖出現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng)，形成二次采動(dòng)影響區(qū)，該區(qū)域離層率呈周期性變化。覆巖短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)瓦斯再次富集。本文以實(shí)驗(yàn)中覆巖垮落過(guò)程和特征為基礎(chǔ)，分析瓦斯運(yùn)移和富集規(guī)律，探尋科學(xué)、有效的瓦斯治理方法。

根據(jù)相似材料模型覆巖垮落特征，將整個(gè)采場(chǎng)自上而下分為3個(gè)區(qū)域：第一區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)層斷裂帶(瓦斯原始富集區(qū))；第二區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)層垮落帶；第三區(qū)域?yàn)楸槐Ｗo(hù)層垮落帶。由于二次采動(dòng)影響區(qū)是因被保護(hù)層主關(guān)鍵層破斷而產(chǎn)生，所以將瓦斯富集運(yùn)移變化分以下2個(gè)階段進(jìn)行分析。

第一階段(被保護(hù)層主關(guān)鍵層破斷前)：第一區(qū)域內(nèi)瓦斯富集情況為原始富集狀態(tài)；第二區(qū)域內(nèi)的破碎巖塊被壓實(shí)，空間內(nèi)氣壓相對(duì)平衡，瓦斯富集狀態(tài)未受氣壓影響；第三區(qū)域內(nèi)由于主關(guān)鍵層尚未破斷，瓦斯沿采動(dòng)裂隙緩慢運(yùn)移，忽略該區(qū)域的氣壓影響。

第二階段(被保護(hù)層主關(guān)鍵層破斷后)：因第一區(qū)域上部的部分覆巖處在彎曲變形狀態(tài)，不能隨被保護(hù)層主關(guān)鍵層的破斷立即沉降，而是發(fā)生持續(xù)性的緩慢變形，使得該區(qū)域內(nèi)瓦斯富集空間變化不大，氣壓下降緩慢；隨著被保護(hù)層主關(guān)鍵層破斷，第二區(qū)域在短期內(nèi)發(fā)生了大范圍沉降，形成二次采動(dòng)影響區(qū)，該區(qū)域原本被壓實(shí)閉合的裂隙張開(kāi)，產(chǎn)生大量自由空間，造成該范圍內(nèi)裂隙空間增大，導(dǎo)致氣壓急劇下降；第三區(qū)域原本為破裂堆積的巖體，在覆巖的突然擠壓下被壓實(shí)，造成自由空間下降，導(dǎo)致氣壓升高。二次采動(dòng)影響區(qū)的形成打破了第二區(qū)域原本的氣體平衡狀態(tài)，造成該區(qū)域內(nèi)氣壓低于第一、第三區(qū)域，同時(shí)為瓦斯運(yùn)移提供大量的優(yōu)良通道。在壓力差的作用下，第一、第三區(qū)域的瓦斯涌入二次采動(dòng)影響區(qū)，并在短時(shí)間內(nèi)富集在該區(qū)域。

3 雙重采動(dòng)條件下瓦斯抽采工程實(shí)踐及效果分析

3.1 工作面抽采鉆孔布置方式

青東煤礦828工作面為典型的下伏被保護(hù)層開(kāi)采，經(jīng)保護(hù)層開(kāi)采卸壓后已無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，但采空區(qū)瓦斯涌出仍威脅工作面安全開(kāi)采，因此在828工作面施工高位鉆孔，以解決工作面瓦斯超限問(wèn)題。根據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果，高位鉆孔終孔布置在7煤層采空區(qū)內(nèi)，正常開(kāi)采煤層中每個(gè)鉆場(chǎng)布置8個(gè)鉆孔，每4個(gè)鉆孔為1組，第1組(1—4號(hào))鉆孔布置超前于第2組(5—8號(hào))，相鄰鉆孔間距為40 m，平均布置在平距為5～40 m范圍內(nèi)，如圖5所示。

3.2 雙重采動(dòng)影響下鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果

初采期間覆巖破斷層位較低，二次采動(dòng)影響區(qū)尚未形成，鉆場(chǎng)抽采的瓦斯來(lái)自7煤層采空區(qū)，整體抽采濃度較低，因此選取覆巖垮落趨于正常時(shí)2號(hào)鉆場(chǎng)的瓦斯抽采濃度進(jìn)行分析，如圖6所示。

8煤層關(guān)鍵層尚未破斷時(shí)(抽采初期)，瓦斯大量富集于7煤層采空區(qū)斷裂帶內(nèi)，因此2號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采濃度均較低。關(guān)鍵層破斷后形成二次采動(dòng)影響區(qū)，采場(chǎng)內(nèi)瓦斯重新分布，原本穩(wěn)定富集在7煤層采空區(qū)斷裂帶內(nèi)的瓦斯在壓力差作用下向采場(chǎng)下部空間運(yùn)移，同時(shí)因8煤層關(guān)鍵層破斷產(chǎn)生大量裂隙，導(dǎo)致8煤層采空區(qū)內(nèi)解吸瓦斯向上部空間擴(kuò)散，二次采動(dòng)影響區(qū)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)瓦斯?jié)舛燃眲∩攥F(xiàn)象，因此1—8號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度急劇上升，該階段為二次采動(dòng)影響區(qū)初次影響期。隨著二次采動(dòng)影響區(qū)逐漸被垮落的覆巖壓實(shí)，覆巖出現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng)，使得原本富集的瓦斯一部分被抽采、一部分向采場(chǎng)上部裂隙空間運(yùn)移，因此該區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始降低并趨于穩(wěn)定，使得鉆孔瓦斯抽采濃度降低，并在一段時(shí)間內(nèi)保持較平穩(wěn)狀態(tài)，該階段為正常抽采期。隨著8煤層主關(guān)鍵層周期性破斷，再次造成覆巖大范圍運(yùn)動(dòng)，重新形成二次采動(dòng)影響區(qū)，使得各鉆孔瓦斯抽采濃度再次急劇升高，該階段為二次采動(dòng)影響區(qū)再次影響期。受二次采動(dòng)影響區(qū)周期性形成的影響，2組鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)基本在5%～25%范圍內(nèi)發(fā)生周期性變化。在鉆場(chǎng)整個(gè)抽采期間，828工作面并未出現(xiàn)瓦斯涌出異常情況，有效避免了雙重采動(dòng)條件下采場(chǎng)瓦斯富集對(duì)工作面安全生產(chǎn)的危害。

(a)高位鉆孔布置平面

(b)高位鉆孔終孔位置

(a)第1組鉆孔

(b)第2組鉆孔

4 結(jié)論

(1)隨著下伏被保護(hù)層開(kāi)采，原本穩(wěn)定的保護(hù)層覆巖 “三帶”特征遭受二次破壞，造成大范圍覆巖在短時(shí)間內(nèi)垮落，明顯不同于單層開(kāi)采條件下逐層垮落的特征，并在采場(chǎng)覆巖中形成二次采動(dòng)影響區(qū)。該區(qū)域具有形成時(shí)間短、影響范圍廣、內(nèi)部自由空間大和周期性形成等特點(diǎn)。

(2)受二次采動(dòng)影響，采場(chǎng)內(nèi)瓦斯分布發(fā)生明顯變化，原本富集穩(wěn)定的瓦斯大量涌入二次采動(dòng)影響區(qū)，并在此富集。隨著覆巖周期性破斷，瓦斯呈現(xiàn)周期性富集特征。

(3)依據(jù)相似模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果，在青東煤礦828工作面布置高位鉆孔對(duì)瓦斯富集區(qū)域進(jìn)行抽采。通過(guò)分析抽采數(shù)據(jù)，證實(shí)了二次采動(dòng)影響區(qū)的存在和瓦斯富集規(guī)律。在該區(qū)域形成過(guò)程中鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為5%～25%，有效保證了工作面安全回采。