近距離煤層群保護(hù)層開采底板卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究

李海濤，閆大鶴，浦仕江，程志恒，李志亮，白愛卿

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲一礦，山西 柳林 33300；3.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；4.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；5.華科中安科技(北京)有限公司，北京 102300)

近年來，隨著我國井工煤礦開采深度逐步增加，一些淺部非突煤層變?yōu)橥怀雒簩?，煤與瓦斯突出已成為了中國煤礦開采的一大難題。目前，保護(hù)層開采是最主要的一種區(qū)域防突措[1-4]。

對保護(hù)層實(shí)施開采后，卸壓帶內(nèi)的煤巖體變形破裂，產(chǎn)生的裂隙大幅提高煤巖體透氣性，被保護(hù)層內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)和瓦斯動(dòng)力參數(shù)將發(fā)生巨大改變。卸壓帶內(nèi)的大量裂隙為瓦斯“解吸-擴(kuò)散-滲流”作用提供了良好條件，在保護(hù)層卸壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行瓦斯抽采，可大大降低瓦斯突出危險(xiǎn)性[5-8]。趙燦等[9，10]通過數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場驗(yàn)證，得到了在開采保護(hù)層時(shí)被保護(hù)層的垂直應(yīng)力及塑性區(qū)變化規(guī)律；王海峰等[11]通過對上保護(hù)層工作面瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行研究，優(yōu)化了被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采的參數(shù)；劉海波等[12]對極薄煤層開采時(shí)覆巖的透氣性分布進(jìn)行了研究，通過分析覆巖的透氣性系數(shù)及變化，總結(jié)了工作面推進(jìn)與被保護(hù)層透氣性之間的變化規(guī)律；程志恒等[13，14]研究了低滲透高瓦斯近距離煤層群保護(hù)層開采后應(yīng)力場、裂隙場及滲流場的時(shí)空演化規(guī)律，并提出了抽采鉆孔參數(shù)優(yōu)化方案；陳亮[15]以朱家店煤礦為例，研究了疊加開采時(shí)煤層頂?shù)装鍛?yīng)力、位移變化規(guī)律及塑性區(qū)分布特征，并運(yùn)用于瓦斯抽采實(shí)踐。

綜上所述，目前保護(hù)層開采技術(shù)已廣泛應(yīng)用于近距離煤層群瓦斯治理，但關(guān)于保護(hù)層開采時(shí)底板卸壓演變及滲透性分布規(guī)律還鮮有研究，而保護(hù)層開采后的卸壓程度及滲透性大小與瓦斯治理效果關(guān)系密切。因此，本文研究了保護(hù)層開采后底板卸壓及瓦斯抽采效果，研究結(jié)果對瓦斯抽采方案和參數(shù)的確定具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 工程背景

沙曲礦主采的2號(hào)煤層、3+4號(hào)煤層均有瓦斯突出危險(xiǎn)性，北翼的2號(hào)煤層埋深約為500m，在3+4號(hào)煤層上方，22201工作面為該煤層的首采工作面，平均煤厚為1.1m，標(biāo)高為+396～+486m，與3+4號(hào)煤中的24208工作面的垂直距離為12m。工作面采用沿空留巷“Y”型通風(fēng)的巷道布置。地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，煤層傾向西，平均傾角為4°，總體呈單斜構(gòu)造。24208工作面走向長度為260m，傾向長度為1500m，平均煤厚4.42m，采用兩進(jìn)一回“Y”型通風(fēng)方式。將2號(hào)煤層作為保護(hù)層開采，保證近距離煤層群的開采安全，并對各煤層瓦斯實(shí)施預(yù)抽，其中2號(hào)煤層與3+4號(hào)煤層平均間距為L=13.95m，24208工作面是保護(hù)層卸壓開采后進(jìn)行回采。

2 保護(hù)層開采破壞深度分析

底板煤巖體的塑性區(qū)域邊界，即破壞滑移線場，如圖1所示[16]。由巖土極限承載的綜合計(jì)算公式[17]，可以得到底板巖，體極限載荷的計(jì)算公式：由圖1中極限塑性區(qū)域的幾何范圍，能夠得到煤巖體在支承壓力作用下的邊緣極限塑性破壞最大深度hmax。

Pu=(C·cotφ0+mγH+γxatanφ0)eπtanφ0·

=26.57m>L

式中，xa為煤柱屈服區(qū)長度，取14m；C為巖體的內(nèi)聚力；φ0為內(nèi)摩擦角，取35°；H為采深，取450m；γ為巖層容重，N/m3。

圖1 底板煤巖體破壞滑移線場

由式(2)可知，2號(hào)煤層開采后底板的最大破壞深度為26.57m，遠(yuǎn)大于2號(hào)煤層與下煤層的層間距，導(dǎo)致下煤層巖層發(fā)生破壞，即3+4號(hào)煤在保護(hù)層開采卸壓范圍內(nèi)。

3 數(shù)值模擬分析

結(jié)合沙曲礦保護(hù)層開采的實(shí)際情況，采用FLAC3D模擬保護(hù)層在推進(jìn)不同位置時(shí)底板的卸壓及滲透性變化情況，模型尺寸長×寬×高為200m×200m×130m，在模型頂部施加7.5MPa載荷代替上部巖體，采用莫爾-庫侖力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算；模型邊界條件為：約束在其前后左右四個(gè)面的法向邊界，固定模型底部，在走向和傾向方向上施加實(shí)測地應(yīng)力。模型采用的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算采用的煤巖力學(xué)參數(shù)

3.1 底板應(yīng)力分布分析

工作面推至不同位置時(shí)底板垂直應(yīng)力分布如圖2所示，隨著工作面的推進(jìn)，頂?shù)装迕簬r體應(yīng)力發(fā)生重新分布。由圖2(a)可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)長度為25m時(shí)，采空區(qū)頂?shù)装鍓毫γ黠@較小，此時(shí)底板卸壓深度為10m；由圖2(b)可以看出，工作面推進(jìn)至50m時(shí)，頂?shù)装逍秹簠^(qū)域明顯增大，其中底板卸壓深度達(dá)到27m，3+4號(hào)煤層已在卸壓區(qū)域范圍內(nèi)；由圖2(c)可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至80m時(shí)，底板卸壓范圍持續(xù)增長，深度達(dá)到36m；由圖2(d)可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至100m時(shí)，底板卸壓范圍在垂直方向上沒有持續(xù)增長，深度為36m。綜上所述，當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)，底板的卸壓深度隨著推進(jìn)距離的增大而增大，雖然達(dá)到一定值時(shí)將達(dá)到穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)明顯增長，但從卸壓深度及范圍來說，2號(hào)煤層的開采對3+4號(hào)煤層產(chǎn)生了很好的卸壓效果。

圖2 工作面推至不同位置時(shí)底板垂直應(yīng)力分布

3.2 底板塑性區(qū)分布分析

工作面推進(jìn)不同距離時(shí)底板煤巖體塑性區(qū)分布如圖3所示，由圖3(a)可以看出，當(dāng)工作面推至25m時(shí)，采空區(qū)中部塑性區(qū)域相對較少，破壞深度為4m，工作面端頭處的底板區(qū)域塑性破壞較為嚴(yán)重，最大深度達(dá)到16m；由圖3(b)可以看出，當(dāng)工作面推至50m時(shí)，采空區(qū)中部塑性區(qū)域范圍增加，并有部分連接成片，底板塑性區(qū)域最大破壞深度達(dá)到20m；由圖3(c)可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至80m時(shí)，底板最大塑性破壞深度未增加，依舊為20m；由圖3(d)可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至100m時(shí)，塑性區(qū)演化規(guī)律與圖3(c)相似，底板最大塑性破壞深度未增加，但水平方向塑性區(qū)域擴(kuò)大，大范圍連接成片。綜上所述，隨著2號(hào)煤層推進(jìn)距離的增加，塑性破壞區(qū)域在頂?shù)装遑Q直方向變化不大，但已達(dá)到3+4號(hào)煤層的所在位置，最大破壞深度為20m；在頂?shù)装逅椒较?，隨著開采距離的增加塑性區(qū)域變化較為明顯，塑性區(qū)域增加，最終連成一片。

圖3 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)底板煤巖體塑性區(qū)分布

3.3 被保護(hù)層滲透性變化分析

為了直觀了解保護(hù)層開采卸壓時(shí)底板煤層的滲透性變化情況，基于上述底板塑性區(qū)域及卸壓程度分析，通過fish語言獲取保護(hù)層推進(jìn)至不同位置時(shí)被保護(hù)層的滲透性系數(shù)變化規(guī)律，隨工作面推進(jìn)被保護(hù)層滲透性系數(shù)分布情況如圖4所示。由圖4(a)可以看出，當(dāng)工作面開切眼時(shí)，3+4號(hào)煤滲透性系數(shù)從1.81增大到1.88，由此可以看出雖然采動(dòng)范圍較小，但也將引起滲透性系數(shù)發(fā)生改變；從圖4(b)中可以看出，當(dāng)工作面推至40m時(shí)(初次來壓位置)，此時(shí)由于卸壓范圍及塑性區(qū)位置已到達(dá)3+4號(hào)煤層，煤層及上方巖層裂隙發(fā)育，孔隙度升高，最大滲透性系數(shù)增加到3.5；由圖4(c)可以看出，當(dāng)工作面推至60m(周期來壓位置)時(shí)，滲透性系數(shù)持續(xù)增大，最大值已增加到5.2；由圖4(d)可以看出，當(dāng)工作面推至150m(見方位置)時(shí)，工作面端頭側(cè)由于覆巖移動(dòng)不充分，滲透性系數(shù)仍保持較高水平，為4.5左右，但在工作面后方50m左右，由于覆巖的充分垮落，工作面后方被逐漸壓實(shí)，滲透性系出現(xiàn)回落現(xiàn)象，已降至3.0。

圖4 隨工作面推進(jìn)被保護(hù)層滲透性系數(shù)分布情況

綜上所述，被保護(hù)層的滲透性隨著保護(hù)層工作面的推進(jìn)有較為明顯的變化，在采動(dòng)范圍較小的情況下，滲透性系數(shù)由于卸壓效果的影響依舊會(huì)發(fā)生改變，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，滲透性系數(shù)增大，當(dāng)保護(hù)層推進(jìn)到一定距離時(shí)，由于覆巖垮落的壓實(shí)作用，滲透性系數(shù)將發(fā)生回落，但與初始值相比仍處于較高水平。

4 底板巖巷大面積穿層鉆孔采前瓦斯抽采技術(shù)

4.1 底板巖巷大面積穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯布置方式

保護(hù)層開采對被保護(hù)層具有良好的卸壓效果，因此，采用底板巖巷大面積穿層鉆孔進(jìn)行3+4號(hào)煤層采前瓦斯采前預(yù)抽，驗(yàn)證其卸壓規(guī)律及抽采效果。將其布置于5號(hào)煤層底板大于12m處，布置底板傾向瓦斯抽放巷，施工穿層鉆孔(從下向上依次穿過5號(hào)、3+4號(hào))預(yù)抽3+4號(hào)煤層作面巷道條帶瓦斯，控制3+4號(hào)煤層工作面巷道兩幫15m，作面巷道條帶預(yù)抽完畢后掘進(jìn)巷道，施工穿層鉆孔預(yù)抽3+4號(hào)煤層作面巷道條帶瓦斯時(shí)，鉆孔終孔間距根據(jù)實(shí)測抽放半徑確定，封孔深度不小于12m，鉆孔布置如圖5所示。在充分卸壓帶內(nèi)，左右?guī)?，每?5m交替施工一個(gè)鉆場，鉆場長度4m，鉆場內(nèi)鉆孔呈扇形布置，鉆孔直徑102mm，鉆孔進(jìn)入煤層頂板0.5m。具體鉆孔布置參數(shù)見表2。

圖5 底抽巷及穿層鉆孔布置

4.2 抽采效果分析

施工底板穿層鉆孔后，跟蹤觀察鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓闆r，結(jié)果如圖6所示。在2號(hào)煤層22201工作面推進(jìn)至240m前，保護(hù)層開采對下伏煤層的影響不大，抽采濃度僅為20%；當(dāng)推進(jìn)至240～265m時(shí)，由于鉆孔位置處于支承壓力峰值下方，鉆孔瓦斯抽采濃度開始降低，并達(dá)到最低值；當(dāng)工作面推至265m之后，由于鉆孔進(jìn)入卸壓區(qū)域內(nèi)，抽采瓦斯?jié)舛燃眲∩?，達(dá)到70%，當(dāng)工作面持續(xù)推進(jìn)，由于覆巖充分垮落，滲透性系數(shù)開始回落，鉆孔瓦斯抽采濃度保持在30%～40%之間，鉆孔瓦斯抽采效果良好，鉆孔瓦斯抽采濃度變化規(guī)律及有效抽采范圍與數(shù)值模擬分析結(jié)果較為吻合。

表2 底板巖石巷鉆孔技術(shù)參數(shù)

圖6 抽采鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

5 結(jié) 論

1)由理論計(jì)算結(jié)果得到2號(hào)煤層開采時(shí)底板破壞最大深度為26.57m，數(shù)值模擬得到2號(hào)煤層開采時(shí)底板卸壓范圍達(dá)到20～36m，均大于3+4號(hào)煤層與2號(hào)煤層之間的平均間距12m，可得3+4號(hào)煤層在2號(hào)煤層開采的卸壓保護(hù)范圍內(nèi)。

2)將底板的發(fā)育形態(tài)和卸壓程度對fish語言進(jìn)行編寫，得到3+4號(hào)煤層滲透性系數(shù)變化情況，當(dāng)2號(hào)煤層開采時(shí)，3+4號(hào)煤層有效抽采范圍內(nèi)的滲透性系數(shù)明顯提高，最大值達(dá)到5.2，隨著工作面推進(jìn)覆巖垮落，滲透性系數(shù)會(huì)有所回落，但與初始值相比依然有較大提升。

3)通過2號(hào)煤層回采過程中對底板穿層鉆孔的瓦斯?jié)舛雀櫽^察，鉆孔瓦斯抽采濃度最大值到達(dá)70%，總體抽采濃度較高，抽采效果良好，說明將2號(hào)煤層作為保護(hù)層開采，對被保護(hù)煤層的卸壓效果良好。