頂板裂隙帶高度與卸壓瓦斯抽采的關(guān)系

姜 偉

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030001)

0 引 言

隨著煤層的開(kāi)采，采場(chǎng)內(nèi)的煤體會(huì)發(fā)生變形、破斷和移動(dòng)，形成大量采動(dòng)裂隙，增加煤體及圍巖透氣性[1]。隨著采煤速度的不斷加快，絕對(duì)瓦斯涌出量相應(yīng)增加，工作面上隅角瓦斯超限現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了煤礦的高效生產(chǎn)[2-4]。為解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量實(shí)踐工作，基于增加工作面風(fēng)量的W型、U+L型、并列雙U型通風(fēng)系統(tǒng)[5-7]，加大瓦斯抽采力度的高位鉆孔[8]、高抽巷[9]、埋管[10]等方法都被應(yīng)用于上隅角瓦斯治理，取得了良好的治理效果，但也存在諸如增加巷道內(nèi)設(shè)施、巖石巷道(鉆孔)施工和維護(hù)成本高等不足[11]。采動(dòng)區(qū)地面L型井抽采是一種結(jié)合井下高位鉆孔與地面直井抽采技術(shù)特點(diǎn)的新型技術(shù)[12]，具有工程成本低、施工周期短、工程價(jià)值高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[13]，水平段位于頂板裂隙帶，瓦斯抽采與井下煤炭生產(chǎn)相互影響較小[14]。制約L型井抽采效果的主要是井位、井身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、地面安全抽采控制。其中，井位的選擇是制約L型井成敗的關(guān)鍵因素。采空區(qū)、煤柱及鄰近層解吸的瓦斯會(huì)在壓力梯度和濃度梯度作用下向裂隙帶頂部富集，因此，研究裂隙帶高度對(duì)卸壓瓦斯抽采具有重要意義[15-16]。筆者以晉城礦區(qū)寺河煤礦東區(qū)工作面為研究對(duì)象，應(yīng)用巖石破裂過(guò)程分析系統(tǒng)(RFPA-2D)對(duì)回采過(guò)程中上覆巖層的變形和垮落情況進(jìn)行模擬，確定裂隙帶發(fā)育高度，并以鉆井液消耗法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。將裂隙帶發(fā)育高度研究結(jié)果用于指導(dǎo)L型采動(dòng)水平井設(shè)計(jì)，優(yōu)選水平段位置，以期為卸壓瓦斯抽采井位布置提供理論依據(jù)。

1 RFPA-2D模擬裂隙帶高度

1.1 模型的建立

RFPA-2D軟件基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和損傷介質(zhì)力學(xué)原理，具有應(yīng)力分析和破壞分析功能，能夠模擬巖石裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的全過(guò)程[17]。寺河煤礦東區(qū)主采煤層為山西組3號(hào)煤，煤層平均厚度6.4 m，煤層傾角1～14°，平均5°，采煤工藝為傾向長(zhǎng)壁式一次采全高。模型沿工作面走向建立，水平方向取200 m，垂直方向取150 m，煤層厚度6.4 m，采用平面應(yīng)變模型，水平方向位移約束，可垂直移動(dòng)。網(wǎng)格單元以米為單位劃分，水平方向劃分為200個(gè)單元，垂直方向劃分為150個(gè)單元，整個(gè)模型劃分為30 000(200×150)個(gè)單元。為簡(jiǎn)化模型將性質(zhì)相近的巖層進(jìn)行合并，巖層劃分為12層。模擬過(guò)程中巖體破壞用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷[18]，即

式中：σ1——最大主應(yīng)力；

σ3——最小主應(yīng)力；

c——黏聚力；

φ——摩擦角。

當(dāng)fs>0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度很低，因此，根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σT)判斷巖體拉張破壞。

執(zhí)行分步開(kāi)挖功能，每開(kāi)挖5 m進(jìn)行一次解算，將單元破壞、移動(dòng)過(guò)程以彈性模量圖形式顯示，鉆孔巖芯實(shí)測(cè)煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中，d為單層巖層厚度，σc為巖石抗壓強(qiáng)度，σt為巖石抗拉強(qiáng)度，ρ為巖石天然容重，E為彈性模量。

表1 模型各層的巖石物理力學(xué)參數(shù)

1.2 結(jié)果分析

巖層未破斷時(shí)，彈性模量一般較大，當(dāng)受到采動(dòng)影響，巖層發(fā)生破斷、垮落，垮落后的巖層彈性模量較小，巖層破壞前后彈性模量大小對(duì)比明顯，工作面推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層的破壞過(guò)程如圖1所示。從圖1中可以很直觀的判斷出巖層的破斷、垮落情況。隨著工作面的推進(jìn)，煤層頂板破壞過(guò)程逐漸發(fā)展。在工作面推進(jìn)至20 m時(shí)(圖1a)，直接頂?shù)?次發(fā)生垮落，靠近切眼處受下部巖層垮落拉應(yīng)力影響，形成少量離層裂隙。在老頂?shù)目缍冗_(dá)到其極限跨度前，老頂以“假塑性梁”的形式承載著其上部載荷，隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大，老頂最終失穩(wěn)垮落[18-19]。工作面繼續(xù)推進(jìn)到40 m時(shí)(圖1b)，老頂初次垮落，表現(xiàn)為巖層整體性破壞，垮落后仍有較好的完整性，破壞高度30 m左右。

圖1 工作面推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層破壞過(guò)程Fig. 1 Failure process of overburden strata during working face propulsion

老頂初次垮落后，將發(fā)生“穩(wěn)定—失穩(wěn)—穩(wěn)定”的周期性垮落。每一次周期垮落后上覆巖層進(jìn)入短暫的穩(wěn)定期，隨著工作面推進(jìn)，老頂懸露的面積也隨著增大，當(dāng)達(dá)到極限跨距時(shí)，老頂開(kāi)始斷裂，繼而再次失穩(wěn)垮落[20]。工作面推進(jìn)至55 m時(shí)(圖1c)，老頂形成的相對(duì)平衡狀態(tài)被打破，發(fā)生第1次周期垮落，來(lái)壓步距為15 m，上覆巖層垮落高度較第一次垮落有較大發(fā)展。工作面推進(jìn)至70 m時(shí)(圖1d)，老頂發(fā)生第2次周期性垮落，來(lái)壓步距15 m，上覆巖層垮落高度達(dá)到煤層頂板以上75 m左右。工作面繼續(xù)推進(jìn)至100 m時(shí)(圖1e)，裂隙帶高度沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)大，保持在75 m左右，分析該處巖層達(dá)到極限垮距時(shí)，下部巖層已經(jīng)觸矸，所以巖層不會(huì)繼續(xù)垮落，75 m為煤層頂板裂隙帶發(fā)育的上限高度，上部巖層出現(xiàn)不連續(xù)離層裂隙，說(shuō)明已進(jìn)入彎曲下沉帶。

2 鉆孔檢驗(yàn)

為驗(yàn)證模擬結(jié)果，采用鉆井液消耗法對(duì)頂板裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行實(shí)測(cè)。在寺河煤礦4301工作面設(shè)計(jì)驗(yàn)證鉆孔ZK01和ZK02，ZK01在工作面回采前施工，代表3號(hào)煤上部巖層在原始狀態(tài)下的鉆井液消耗背景值。ZK02沿煤層走向與ZK01相距8 m，工作面回采經(jīng)過(guò)ZK01鉆孔2個(gè)月后施工，代表3號(hào)煤回采之后上部巖層鉆井液消耗特征。鉆井液消耗量隨鉆孔深度的變化如圖2所示。

圖2 鉆井液消耗量隨深度變化曲線Fig. 2 Variation curve of drilling fluid consumption with depth

從圖2可以看出，鉆井深度達(dá)到243.6 m之前，ZK02和ZK01鉆井過(guò)程中鉆井液消耗量趨勢(shì)一致，集中在1～3 L/(s·m)，ZK02鉆井液消耗量稍微高于ZK01。分析認(rèn)為兩個(gè)鉆孔距離8 m，地層條件、煤層厚度、水文地質(zhì)條件一致，所以鉆井液消耗量變化趨勢(shì)保持一致，由于ZK02在煤層回采后形成彎曲下沉帶，存在大量離層裂隙，導(dǎo)致ZK02鉆井液消耗量稍微高于ZK01。ZK02鉆進(jìn)至243.6 m處，鉆井液消耗量從3 L/(s·m)左右陡增到最大12 L/(s·m)，平均6 L/(s·m)。根據(jù)文獻(xiàn)[21]對(duì)裂隙帶發(fā)育高度的判別，ZK02井深243.6 m處，鉆井液消耗量明顯增大，孔內(nèi)水位急劇下降，繼續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中，仍保持高消耗量趨勢(shì)，說(shuō)明已進(jìn)入頂板裂隙帶，鉆井液消耗法測(cè)得裂隙帶最大高度為

Hlx=H0-Hd-h-d1，

式中：Hlx——裂隙帶最大高度,m；

H0——孔口標(biāo)高,m，ZK02孔口標(biāo)高909.5 m；

Hd——3號(hào)煤層底板標(biāo)高,m，ZK02孔3號(hào)煤層底板標(biāo)高587.0 m；

h——鉆井液開(kāi)始大量消耗的起始深度，m，文中h=243.6 m；

d1——煤層厚度，m，文中d1=6.4 m。

經(jīng)計(jì)算,裂隙帶發(fā)育高度為72.5 m。

3 卸壓瓦斯抽采實(shí)踐

3.1 工程概況

SH14-L-1井是一口地面瓦斯抽采L型采動(dòng)水平井，目的是利用采動(dòng)卸壓增透效應(yīng)，在工作面回采期間連續(xù)抽采頂板裂隙帶瓦斯，防止工作面上隅角瓦斯超限。SH14-L-1井平面位置位于寺河煤礦東區(qū)3313工作面。該工作面傾向長(zhǎng)度317 m，走向長(zhǎng)度1 233 m，可采儲(chǔ)量320萬(wàn)t，于2014年7月20日初采，2015年3月3日回采結(jié)束，回采周期226 d，工作面回采速度5～10 m/d，平均5.45 m/d。SH14-L-1井于2014年5月23日開(kāi)鉆，7月10日完鉆，井深1 272 m,其中，垂直段102 m、造斜段361 m，水平段809 m，井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 L型采動(dòng)水平井井身結(jié)構(gòu)示意Fig. 3 Well casing structure of L-type mining horizontal well

寺河煤礦東區(qū)RFPA-2D模擬裂隙帶發(fā)育上限高度為75.0 m，鉆井液消耗法實(shí)測(cè)裂隙帶高度72.5 m。3號(hào)煤層頂板以上47.0～59.0 m細(xì)粒砂巖層位于裂隙帶上部，保持原始層狀結(jié)構(gòu)的同時(shí)，受3號(hào)煤采動(dòng)影響發(fā)育大量豎向貫通裂隙，透氣性增加。采空區(qū)、煤柱及鄰近層解吸的瓦斯在壓力梯度和濃度梯度作用下向該層位富集。將SH14-L-1水平段設(shè)計(jì)在該巖層中，既能保證井身結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，又能抽采聚集的瓦斯。

3.2 效果分析

工作面回采速度與L型采動(dòng)水平井瓦斯抽排純量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 工作面回采速度與L型井瓦斯抽排純量的關(guān)系Fig. 4 Relationship between working face mining speed and gas extraction purity of L-shaped horizontal Wells

從圖4可以看出，工作面回采速度與L型采動(dòng)水平井的瓦斯抽排純量呈現(xiàn)出相近的變化趨勢(shì)，且工作面回采速度的變化“領(lǐng)先”于純量的變化。分析認(rèn)為：L型采動(dòng)水平井與常規(guī)水平井不同，不是通過(guò)排水降壓，而是利用采動(dòng)影響區(qū)的卸壓增流效應(yīng)[22]，原來(lái)的擠壓應(yīng)力變成拉張應(yīng)力，煤巖層松動(dòng)、破裂，使得煤巖層的大量裂隙張開(kāi)，地應(yīng)力大范圍的有效釋放，徹底破壞了瓦斯的封閉應(yīng)力，瓦斯大量解吸[23]。隨著工作面推進(jìn)，割煤過(guò)程中釋放的瓦斯量增加，在濃度差和壓力梯度的作用下進(jìn)入裂隙帶被“L型采動(dòng)水平井”負(fù)壓抽出，釋放—擴(kuò)散—運(yùn)移存在時(shí)間差，解釋了工作面回采速度與抽排純量變化趨勢(shì)相同但抽排純量變化滯后于工作面回采速度變化的原因。

地面L型井抽放與井下抽放的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以得出，L型采動(dòng)水平井開(kāi)始運(yùn)行之后，井下風(fēng)排瓦斯含量明顯下降，從平均70 m3/min下降到平均35 m3/min左右。L型采動(dòng)水平井的瓦斯抽排純量變化趨勢(shì)與井下風(fēng)排瓦斯純量變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明二者都主要受控于井下工作面回采速度。L型采動(dòng)水平井開(kāi)始運(yùn)行后，采空區(qū)和高位鉆孔瓦斯抽排純量均大幅降低，高位鉆孔尤其明顯，L型采動(dòng)水平井的瓦斯抽排純量與采空區(qū)和高位鉆孔瓦斯抽排純量呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，并且L型采動(dòng)水平井的瓦斯抽排純量高于采空區(qū)和高位鉆孔瓦斯抽排純量。分析認(rèn)為：在瓦斯總量一定條件下，L型采動(dòng)水平井與高位鉆孔和采空區(qū)抽排為競(jìng)爭(zhēng)抽放關(guān)系，所以抽排純量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，L型井瓦斯抽排純量高于采空區(qū)和高位鉆孔兩種抽排方式，說(shuō)明L型采動(dòng)水平井效率更高。根據(jù)工作面上隅角瓦斯傳感器讀數(shù)，L型采動(dòng)水平井開(kāi)始運(yùn)行之后，瓦斯?jié)舛葟?.98%逐漸降低，穩(wěn)定在0.75%左右，說(shuō)明L型采動(dòng)水平井可以有效較少工作面回采過(guò)程中采空區(qū)和頂板采動(dòng)影響范圍內(nèi)鄰近煤層瓦斯涌入工作面，降低工作面上隅角瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 地面L型井抽放與井下抽放的關(guān)系Fig. 5 Relationship between surface L well pumping and downhole pumping

4 結(jié) 論

(1)RFPA-2D數(shù)值模擬方法獲得的裂隙帶高度為75.0 m，鉆井液消耗法實(shí)測(cè)的裂隙帶最大高度為72.5 m，模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。數(shù)值模擬所得裂隙帶發(fā)育高度可指導(dǎo)卸壓瓦斯抽采，為L(zhǎng)型采動(dòng)井設(shè)計(jì)提供理論支持。

(2)地面L型采動(dòng)水平井運(yùn)行后，瓦斯抽排純量與井下風(fēng)排瓦斯純量的變化趨勢(shì)相同，都受控于井下工作面回采速度。L型采動(dòng)水平井的瓦斯抽排純量與高位鉆孔和采空區(qū)抽排純量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由瓦斯總量一定條件下的競(jìng)爭(zhēng)抽放所致，L型采動(dòng)水平井抽排效率優(yōu)于高位鉆孔和采空區(qū)抽排方式。