煤層群條件下高抽巷合理層位布置的數(shù)值模擬研究

李 忠，張慧杰，賈恒義，郝秀明，孟 濤

(1.晉能控股煤業(yè)集團 興峪煤業(yè)有限責任公司， 山西 陽泉 045100； 2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院 北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院) 北京 100013)

高瓦斯煤層群賦存條件的煤層回采時，鄰近層卸壓瓦斯易涌入采空區(qū)，造成回采工作面瓦斯超限，威脅煤礦的安全生產(chǎn)[1]. 現(xiàn)有采空區(qū)瓦斯抽采方法較多，如采空區(qū)埋管抽采瓦斯、高位鉆孔抽采瓦斯、留尾巷抽采瓦斯、高抽巷抽采瓦斯等，其中高抽巷具有抽采時間長、輻射半徑大、抽采效果好等優(yōu)點，在采空區(qū)瓦斯抽采中應用廣泛[2-3]. 高抽巷抽采瓦斯技術是將高抽巷布置在頂板裂隙帶內(nèi)，鄰近層瓦斯在負壓作用下通過采動裂隙進入高抽巷并被抽出。顯然，合理確定高抽巷的位置對于提高瓦斯抽采效果、延長高抽巷使用時間及減少高抽巷工程量都具有重要意義。

學者們針對高抽巷的布置形式及層位開展了大量的研究。周華東等[4]研究了綜采工作面初采期局部高抽巷的瓦斯治理效果，提出局部高抽巷分為初采傾向高抽巷段、走向高抽巷段和輔助傾斜高抽巷段3段。王紅勝等[5]研究了外錯高抽巷布置方式，實現(xiàn)一條高抽巷服務于相鄰兩工作面、提高高抽巷利用效率的目的。肖峻峰等[6]采用非線性大變形程序數(shù)值模擬了采空區(qū)頂板覆巖應力分布及裂隙演化規(guī)律，提出走向高抽巷應布置在采空區(qū)頂板裂隙帶的中上部。陳遠峰等[7]利用FLAC3D研究了高抽巷頂?shù)装濉蓭偷南鄬σ平?，獲得了高抽巷的變形破壞規(guī)律，在此基礎上優(yōu)化了高抽巷的空間分布。林海飛等[8]構建了走向高抽巷條件下的采空區(qū)瓦斯運移模型，模擬了高抽巷與回風巷不同平距、與煤層頂板不同垂距條件下的采空區(qū)瓦斯抽采效果。肖峻峰等[9]研究了近距離高瓦斯煤層群傾向高抽巷的優(yōu)化布置問題，得出傾向高抽巷最佳布置位置在豎直方向上15倍采高、水平方向深入工作面約35 m處。張慧杰等[10]提出了基于巖層控制關鍵層理論確定走向高抽巷合理層位的方法，并提出由沿傾向的煤層卸壓角和采空區(qū)上方“O”形圈的寬度可確定走向高抽巷的水平位置。

本文基于興峪煤礦煤巖賦存及開采條件，利用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型，研究了15號煤層回采后上覆巖層應力、位移及損傷破壞特征，探討了高抽巷的合理層位，以期為高抽巷布置參數(shù)的確定提供借鑒。

1 礦井概況

興峪煤礦位于山西省盂縣城南7.8 km處，石坡峪村東北，行政區(qū)劃屬盂縣路家村鎮(zhèn)。井田內(nèi)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組及二疊系下統(tǒng)山西組，所含煤層由淺至深依次為1、2、3、4、6、8、9、9下、11、12、13和15號煤層。其中8、9號煤層為賦存區(qū)大部可采穩(wěn)定煤層，9下號煤層為不穩(wěn)定局部可采煤層，15號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其余煤層均為不穩(wěn)定的不可采煤層或薄煤線。

目前,該礦主采15號煤層，該煤層厚6.33～8.90 m，平均7.06 m，上距9下號煤層78.65～95.50 m，平均87.92 m. 2020年度礦井瓦斯等級測定結果表明，礦井絕對瓦斯涌出量為98.62 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量為55.23 m3/t. 在回采15號煤層的過程中上覆煤層卸壓瓦斯大量涌入采空區(qū)，礦井鄰近層瓦斯涌出量大。為此，該礦采用走向高抽巷方式治理鄰近層瓦斯，高抽巷沿11號煤層頂板布置，與15號煤層頂板的垂直距離在40～60 m.

2 模型構建

根據(jù)興峪煤礦綜合柱狀圖和實際開采情況建立FLAC3D數(shù)值模型，模擬工作面回采后上覆巖層的應力及位移變化。模型的長、寬和高(x方向、y方向和z方向)分別為320 m、10 m和160 m，工作面回采寬度為220 m，上覆巖層厚度為100 m，下伏巖層厚度為60 m(含15號煤層厚度)。模型四周及底部采用位移邊界條件約束，頂部為自由邊界，施加未出現(xiàn)在模型中的上覆巖層的重力載荷Q. 上覆巖層平均容重γ取25 kN/m3，模型頂部距地面距離H′取300 m，計算得到重力載荷Q為7.5 MPa. 模型單元網(wǎng)格劃分見圖1.

圖1 覆巖運移分析模型單元網(wǎng)格圖

模型定義材料為Mohr-Coulomb，遵循彈塑性屈服準則，計算過程中考慮大變形，模擬計算所采用的巖體力學參數(shù)根據(jù)該礦地質(zhì)資料和實驗室測試力學試驗結果確定，具體參數(shù)見表1.

3 結果及分析

3.1 采動覆巖應力分布特征

圖2和圖3分別為采動覆巖水平應力和垂向應力分布云圖。從圖2中可以看出，水平應力分布特征存在明顯的“分層”現(xiàn)象，即不同距離上覆巖層水平應力呈現(xiàn)出交替升降的特征，這可能是由于巖體層位的不同導致的采動應力分布差異。從圖3中可以看出，在兩側煤柱位置出現(xiàn)了應力集中區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)了卸壓區(qū)。采空區(qū)中心區(qū)域的卸壓程度較四周小，這是由于上覆巖層垮落壓實采空區(qū)中心區(qū)域所致。

圖2 采動覆巖水平應力分布云圖

圖3 采動覆巖垂向應力分布云圖

為了研究不同距離上覆巖層采動應力分布的差異性，提取了0、20 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m和90 m處上覆巖層的水平應力、垂直應力以及主應力差，見圖4，5，6. 從圖中可以看出，水平應力、垂直應力及主應力差均受采動影響明顯，在頂板上覆巖層水平區(qū)域內(nèi)存在應力集中區(qū)和卸壓區(qū)。隨著上覆巖層與15號煤層垂直距離的增加，應力集中區(qū)的極值應力不斷減小，并且極值點自兩側煤柱位置不斷向采空區(qū)內(nèi)部收緊，這種上覆巖層梯形臺狀應力分布特征將影響裂隙分布。在垂直方向上高抽巷應布置在梯形臺的“腰線”位置，且高抽巷布置層位越高，在水平位置上越應該貼近回采工作面中心區(qū)域。卸壓區(qū)主要位于采空區(qū)內(nèi)部核心區(qū)域，且隨著上覆巖層與15號煤層垂直距離的增加卸壓區(qū)范圍逐漸減小，這也是導致隨距離增加保護層開采有效保護范圍不斷減小的原因。

表1 煤巖層力學參數(shù)表

圖4 頂板上覆巖層不同水平處的水平應力分布圖

圖5 頂板上覆巖層不同水平處的垂向應力分布圖

3.2 采動覆巖位移規(guī)律分析

圖7和圖8分別為采動覆巖水平位移云圖和垂直位移云圖。由圖可以看出，不同距離上覆巖層水平位移也呈“分層”分布的現(xiàn)象，與水平應力分布特征一致，可以看出應力變化是導致位移發(fā)生變化的誘因。垂直位移主要分布在采空區(qū)正上方區(qū)域，且隨著上覆巖層距離的增加位移量不斷減小。

圖8 采動覆巖垂向位移分布云圖

為了研究不同距離上覆巖層位移分布的差異性，提取了0 m、20 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m和90 m處上覆巖層的水平位移和垂直位移，見圖9，圖10. 由圖可以看出，上覆巖層破壞“豎三帶”特征明顯，距離煤層頂板0～20 m處于垮落帶，20～60 m處于裂隙帶，60 m以上為彎曲下沉帶。另外，遠距離上覆巖層的水平位移大于近距離上覆巖層，而垂向位移又小于近距離上覆巖層。表明遠距離上覆巖層以水平位移為主，近距離上覆巖層以垂向位移為主，這種位移規(guī)律造成了近距離上覆巖層內(nèi)的穿層裂隙發(fā)育和遠距離上覆巖層內(nèi)的順層裂隙發(fā)育現(xiàn)象。順層裂隙發(fā)育區(qū)域的瓦斯流動狀態(tài)主要為層內(nèi)流動，穿層裂隙發(fā)育區(qū)域的瓦斯流動狀態(tài)包含煤巖層間瓦斯越流，因而，為實現(xiàn)采空區(qū)卸壓瓦斯抽采，高抽巷布設區(qū)域宜處于穿層裂隙發(fā)育區(qū)。

圖10 頂板上覆巖層不同水平處的垂向位移分布圖

3.3 采動覆巖塑性區(qū)分析

圖11為采動覆巖塑性區(qū)分布云圖。由圖可知，采空區(qū)上方的巖層主要表現(xiàn)為拉伸破壞，而兩側煤柱位置呈現(xiàn)出剪切破壞特征，這與采場應力分布特征密切相關。煤層回采后在采空區(qū)正上方形成了卸壓區(qū)，各項應力均大幅度減小，使得上覆巖層出現(xiàn)拉伸破壞。兩側煤柱位置為應力集中區(qū)，顯著增大的差應力使得該區(qū)域巖層發(fā)生剪切破壞?？筛鶕?jù)巖層的破壞特征對裂隙發(fā)育區(qū)進行預測，高抽巷應布設于應力集中區(qū)內(nèi)側的拉伸破壞區(qū)域。

圖11 采動覆巖塑性區(qū)分布云圖

4 結 論

1) 采空區(qū)頂板上覆巖層水平區(qū)域內(nèi)存在應力集中區(qū)和卸壓區(qū)，在垂直方向上覆巖層應力呈梯形臺狀分布，高抽巷應布置在梯形臺的“腰線”位置，且高抽巷布置層位越高，在水平位置上越應該貼近回采工作面中心區(qū)域。

2) 遠距離上覆巖層以水平位移為主，近距離上覆巖層以垂向位移為主，導致近距離上覆巖層內(nèi)的穿層裂隙發(fā)育和遠距離上覆巖層內(nèi)的順層裂隙發(fā)育現(xiàn)象，為實現(xiàn)采空區(qū)卸壓瓦斯抽采，高抽巷宜布設于穿層裂隙發(fā)育區(qū)。

3) 采空區(qū)上方的巖層主要表現(xiàn)為拉伸破壞，而兩側煤柱位置呈現(xiàn)出剪切破壞特征，高抽巷應布設于應力集中區(qū)內(nèi)側的拉伸破壞區(qū)域。