煤層群重復(fù)采動(dòng)卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)演化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

林海飛，李磊明，李樹剛，2，孔祥國，2，劉思博，丁 洋，2

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

0 引 言

相對于單一煤層而言，井田中存在多層不同水平的煤層稱之為煤層群。目前，我國諸如貴州畢節(jié)、河南平頂山、安徽兩淮等多個(gè)高瓦斯礦區(qū)均具有煤層群開采條件。采動(dòng)卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)域變化特征與覆巖裂隙演化規(guī)律密切相關(guān)，而煤層群煤層重復(fù)開采與單一煤層開采覆巖移動(dòng)破斷規(guī)律有所不同[1]。

對于煤層覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)分布規(guī)律的研究，國外的GHABRAIE，DAVID等研究了采動(dòng)覆巖沉降地質(zhì)力學(xué)，提出了覆巖移動(dòng)帶變形規(guī)律[2-3]。錢鳴高等提出采動(dòng)裂隙“O”形圈理論[4-5]。林海飛等提出了采動(dòng)裂隙圓角矩形梯臺(tái)帶工程模型[6]。對于煤層群開采覆巖裂隙演化，劉三鈞等分析了遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆煤巖層裂隙動(dòng)態(tài)演化規(guī)律[7]。李樹剛等研究了單層煤開采和重復(fù)采動(dòng)條件下覆巖移動(dòng)、裂隙分布與演化規(guī)律、支承壓力分布特征及采動(dòng)裂隙橢拋帶形態(tài)[8]。張慶賀、楊科、陳榮柱等研究了多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)下保護(hù)層開采覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律[9-11]。潘瑞凱等將重復(fù)采動(dòng)覆巖劃分為不規(guī)則空隙帶和周期性空隙帶以及拱間優(yōu)勢空隙帶和拱下微空隙帶[12]。程志恒等研究了保護(hù)層與被保護(hù)層雙重采動(dòng)影響下圍巖應(yīng)力-裂隙分布與演化特征[13]。李樹清等研究了單層煤開采和雙重卸壓開采覆巖位移、裂隙及應(yīng)力分布與演化規(guī)律[14]。

綜上可知，對于煤層群裂隙演化規(guī)律研究成果較為豐富，在高瓦斯煤層群開采瓦斯防治方面起到了重要作用。為進(jìn)一步明確煤層群重復(fù)開采后采動(dòng)卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，文中以貴州某礦為研究背景，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)分析了煤層群采動(dòng)覆巖裂隙分布特征；研究了工作面附近卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)演化規(guī)律；提出了相應(yīng)的判別方法。以期為高瓦斯煤層群采動(dòng)卸壓瓦斯抽采布置提供參考依據(jù)。

1 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)原型

貴州某礦主采16#煤層、18#煤層，采用下行式開采，16#煤層厚0.3～3.0 m，平均2.6 m，傾角7°～15°，平均11°；18#煤層厚1.3～4.1 m，平均3.3 m，傾角6°～12°，平均8°，與16#煤層間距平均22 m。11613工作面主采16#煤層，走向長650 m，面長145 m；11813工作面主采18#煤層，走向長918 m，面長180.6 m，工作面均采用綜采一次采全高長壁后退式開采方式。工作面覆巖巖性參數(shù)見表1，根據(jù)關(guān)鍵層判別方法[15]得到工作面上覆巖層關(guān)鍵層，結(jié)果見表2。

表1 上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 上覆巖層模擬高度

1.2 相似常數(shù)確定

實(shí)驗(yàn)采用平面模型，按照表2煤巖層巖性、厚度的不同分層進(jìn)行走向模擬，模型尺寸2 000 mm×200 mm×110 mm(長×寬×高)，按實(shí)驗(yàn)要求和相似定理確定的相似常數(shù)見表3。

表3 模型相似常數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)為研究煤層群開采后的覆巖運(yùn)動(dòng)情況，分析煤層群重復(fù)采動(dòng)后卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)的演化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作面走向長度160 m，煤巖層高度110 m，對于模型未能模擬的巖層厚度，采用加配重的方法實(shí)現(xiàn)。

2)上層煤回采過程中，在模型兩邊各留設(shè)20 cm的邊界煤柱，以盡量消除邊界效應(yīng)。在煤層開挖7 cm(對應(yīng)原型值7 m)作為工作面的開切眼，每次間隔2、3 cm進(jìn)行推進(jìn)，記錄開挖過程中的巖層裂隙發(fā)育情況。

3)上層煤回采結(jié)束后達(dá)到開采穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行下層煤的模擬回采。在模型邊界20 cm處開挖7 cm的開切眼，按間隔2、3 cm的推進(jìn)速度進(jìn)行回采，停采線設(shè)置在距離邊界20 cm的位置，記錄煤層群重復(fù)采動(dòng)后巖層裂隙發(fā)育情況。相似模型實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/p>

2 卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)演化規(guī)律及判別

2.1 煤層群開采卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)演化規(guī)律

2.1.1 上層煤開采卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)演化規(guī)律

16#煤層11613工作面推進(jìn)37 m時(shí)，直接頂初次垮落，垮落高度5 m，巖梁跨度18 m，下方空洞高2.4 m，此為卸壓瓦斯的主要儲(chǔ)集空間，如圖2(a)所示。

隨著工作面推進(jìn)至59 m，基本頂初次來壓，垮落高度16 m，巖梁長20 m，空洞高1.9 m，此時(shí)在尚未垮落的亞關(guān)鍵層2下方的離層裂隙為瓦斯儲(chǔ)集空間，如圖2(b)所示。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，在工作面附近覆巖關(guān)鍵層下方位置始終有瓦斯儲(chǔ)集空間的存在。工作面推進(jìn)至119 m時(shí)垮落帶高度11 m，裂隙帶高度53 m，裂隙區(qū)寬度20 m，裂隙區(qū)內(nèi)已斷裂垮落的亞關(guān)鍵層1，2下方及處于較高層位尚未垮落的亞關(guān)鍵層3下方均形成了卸壓瓦斯儲(chǔ)集空間，如圖2(c)所示。工作面推進(jìn)至132 m時(shí)，垮落帶高度11 m，裂隙帶高度不再向上發(fā)育，距離煤層底板53 m，此時(shí)，裂隙區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵層下方形成新的瓦斯儲(chǔ)集空間，如圖2(d)所示。16#煤回采過程中，覆巖移動(dòng)變化的基本情況見表4。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離垮落形態(tài)

表4 覆巖移動(dòng)垮落及來壓情況(單位：m)

2.1.2 下層煤開采覆巖裂隙演化規(guī)律

如圖3(a)所示，下煤層工作面推進(jìn)45 m時(shí)，上覆巖層垮落高度13 m，空洞高度3.1 m，此時(shí)，間隔層內(nèi)關(guān)鍵層未破斷，懸梁跨度25 m。

如圖3(b)所示，工作面推進(jìn)至59 m時(shí)，關(guān)鍵層斷裂造成工作面初次來壓，縱向破斷裂隙發(fā)育顯著增加，上下兩煤層采動(dòng)裂隙貫通，采動(dòng)裂隙區(qū)寬度增加，下煤層采動(dòng)卸壓瓦斯易隨著工作面處裂隙區(qū)向上運(yùn)移至關(guān)鍵層下方儲(chǔ)集空間，還有一部分瓦斯沿著上煤層工作面垮落帶運(yùn)移至上煤層回采形成的瓦斯儲(chǔ)集空間。如圖3(c)所示，工作面推進(jìn)至134 m時(shí)，其處于上煤層采動(dòng)覆巖壓實(shí)區(qū)下方，垮落帶高度13 m，裂隙帶高度則發(fā)育至距離煤層底板83 m處，此時(shí)，間隔層內(nèi)關(guān)鍵層下方離層裂隙是瓦斯儲(chǔ)集的主要空間。如圖3(d)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到150 m時(shí)，裂隙帶高度穩(wěn)定在距離煤層底板83 m。裂隙區(qū)內(nèi)縱向破斷裂隙發(fā)育，瓦斯易隨著裂隙區(qū)內(nèi)縱向破斷裂隙向上運(yùn)移至本煤層上覆巖層瓦斯儲(chǔ)集空間，并繼續(xù)向上運(yùn)移至上部煤層停采線處裂隙區(qū)內(nèi)的瓦斯儲(chǔ)集空間。18#煤層回采過程中，上覆巖層整體移動(dòng)垮落情況見表5。

圖3 重復(fù)采動(dòng)覆巖垮落形態(tài)

表5 覆巖移動(dòng)垮落情況(單位:m)

2.2 采動(dòng)卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)演化特征

對于卸壓瓦斯儲(chǔ)集空間，上層煤開采后，亞關(guān)鍵層1處于垮落帶，隨著工作面推進(jìn)，亞關(guān)鍵層1破斷垮落，其所控制巖層上方與未垮落亞關(guān)鍵層2形成離層空間，此為卸壓瓦斯儲(chǔ)集區(qū)域，同時(shí)工作面附近，亞關(guān)鍵層1及其所控巖層形成破斷裂隙區(qū)，此為卸壓瓦斯優(yōu)勢運(yùn)移通道；而亞關(guān)鍵層1未垮落部分呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，隨著工作面推進(jìn)，該結(jié)構(gòu)會(huì)反復(fù)出現(xiàn)，由于其處于垮落帶，其下方瓦斯?jié)舛容^低，不是瓦斯抽采的重點(diǎn)區(qū)域。

亞關(guān)鍵層2處于裂隙帶，隨著工作面推進(jìn)，該關(guān)鍵層破斷垮落，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，其所控制巖層上方與未垮落亞關(guān)鍵層3形成卸壓瓦斯儲(chǔ)集空間，同時(shí)工作面附近，亞關(guān)鍵層2形成鉸接結(jié)構(gòu)，隨著工作面推進(jìn)，關(guān)鍵層下該結(jié)構(gòu)反復(fù)出現(xiàn)，由于其處于裂隙帶，其下方瓦斯?jié)舛容^高，是瓦斯抽采的重點(diǎn)區(qū)域。

隨后，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，主關(guān)鍵層彎曲下沉，其下方不再出現(xiàn)離層空間。如圖4所示為上層煤開采卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)示意圖。

圖4 煤層開采卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)

當(dāng)下層煤開采后，煤層間關(guān)鍵層處于裂隙帶，隨著工作面推進(jìn)，該關(guān)鍵層破斷垮落形成砌體梁結(jié)構(gòu)，與下方巖層形成離層裂隙，是瓦斯儲(chǔ)集空間；由于上下兩煤層采動(dòng)裂隙貫通，當(dāng)工作面推進(jìn)到上層煤停采線附近時(shí)，上層煤瓦斯儲(chǔ)集空間略有減小。但瓦斯易沿著裂隙區(qū)通道向上運(yùn)移至間隔內(nèi)關(guān)鍵層下儲(chǔ)集空間，再順著上煤層冒落帶內(nèi)裂隙通道繼續(xù)向上，此時(shí)，上煤層采動(dòng)形成的瓦斯儲(chǔ)集空間充滿瓦斯成為瓦斯抽采的重點(diǎn)區(qū)域。煤層群重復(fù)采動(dòng)后瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)演化過程如圖5所示。

圖5 重復(fù)采動(dòng)卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)域演化過程

2.3 采動(dòng)卸壓瓦斯儲(chǔ)集區(qū)判別方法

第1步：明確采場上覆巖層所有硬巖層，確定采場上方全部關(guān)鍵層層位。

第2步：根據(jù)工作面開采高度，考慮亞關(guān)鍵層下方巖層碎脹系數(shù)，確定亞關(guān)鍵層是否位于垮落帶形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，造成工作面開采期間亞關(guān)鍵層下方出現(xiàn)空洞，成為短暫儲(chǔ)集卸壓瓦斯空間，即式(1)是否成立[16]。

(1)

如式(1)成立，則認(rèn)為直接頂垮落后，會(huì)在關(guān)鍵層的下方出現(xiàn)空洞，瓦斯短暫儲(chǔ)集。如式(1)不成立，則亞關(guān)鍵層將進(jìn)入裂隙帶，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵層下方離層裂隙空間穩(wěn)定，卸壓瓦斯易儲(chǔ)集。

第3步：如關(guān)鍵層下方存在空洞，結(jié)合工作面設(shè)計(jì)開采參數(shù)確定是否會(huì)造成上方關(guān)鍵層出現(xiàn)斷裂，即

a-2∑hcotα≥h2(2Rt/q)1/2

(2)

式中 ∑h為關(guān)鍵層與工作面之間巖層的累計(jì)厚度；α為覆巖的斷裂角；h2為關(guān)鍵層厚度；Rt為關(guān)鍵層的抗拉強(qiáng)度；q為關(guān)鍵層承載。

如式(2)成立，則認(rèn)為關(guān)鍵層受回采范圍影響會(huì)出現(xiàn)斷裂；反之，則認(rèn)為關(guān)鍵層僅發(fā)生彎曲下沉或未受到采動(dòng)影響，此時(shí)，該關(guān)鍵層下方不存在瓦斯儲(chǔ)集空間。

第4步：如關(guān)鍵層發(fā)生斷裂，則需要進(jìn)一步確定其斷裂后屬于垮落帶還是裂隙帶[17-18]，即

1)斷裂塊體不發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件

(3)

式中φ為巖塊間的摩擦角，(°)。

2)斷裂塊體不發(fā)生變形失穩(wěn)的條件

(4)

式中，σp為斷裂巖塊咬合處的擠壓力，MPa；σc為巖塊抗壓強(qiáng)度，MPa；k為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定比例系數(shù),i=L/h2；β為巖塊斷裂后允許的下沉角度，(°)。由空洞尺寸與斷裂步距L決定。

如果斷裂后的巖塊同時(shí)滿足式(3)和式(4)，則關(guān)鍵層處于裂隙帶，關(guān)鍵層斷裂回轉(zhuǎn)形成砌體梁結(jié)構(gòu)，與鄰近下層位關(guān)鍵層采動(dòng)隨動(dòng)巖層形成穩(wěn)定存在的離層裂隙空間，是卸壓瓦斯儲(chǔ)集的優(yōu)勢空間。反之，關(guān)鍵層垮落仍然處于垮落帶，關(guān)鍵層下方瓦斯儲(chǔ)集空間短暫存在。

第5步：上煤層采動(dòng)覆巖穩(wěn)定狀態(tài)為下煤層回采的初始條件，確定煤層間關(guān)鍵層位置，返回第2步對煤層間關(guān)鍵層進(jìn)行判定，存在2種情況：①關(guān)鍵層斷裂處于垮落帶中呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，瓦斯儲(chǔ)集空間短暫存在；②關(guān)鍵層斷裂處于裂隙帶中呈砌體梁結(jié)構(gòu)，此時(shí)，卸壓瓦斯的運(yùn)移儲(chǔ)集又可分為2種情況[19]。

第一，上下兩煤層采動(dòng)裂隙尚未貫通前，下煤層采動(dòng)卸壓瓦斯沿著裂隙區(qū)通道向上運(yùn)移至間隔層關(guān)鍵層下方離層裂隙處儲(chǔ)集。

第二，采動(dòng)裂隙貫通后，由于上覆巖層冒落帶內(nèi)巖層碎裂成塊，錯(cuò)落的堆放擠壓在一起，巖塊間雜亂的分布諸多裂隙，瓦斯容易在其中流動(dòng)[20]。因此，下煤層卸壓瓦斯易沿著裂隙區(qū)通道向上運(yùn)移至間隔層內(nèi)關(guān)鍵層下儲(chǔ)集空間，再順著上煤層冒落帶內(nèi)裂隙通道繼續(xù)向上，此時(shí)，上煤層采動(dòng)形成的瓦斯儲(chǔ)集空間再次成為瓦斯抽采的重點(diǎn)區(qū)域。如圖6為煤層群開采瓦斯儲(chǔ)集空間判別程序。

圖6 瓦斯儲(chǔ)集空間判別程序

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 抽采系統(tǒng)布置

16#煤層11613采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用高位定向鉆孔，如圖7所示，終孔布置在距離煤層頂板15 m處，位于亞關(guān)鍵層2下方卸壓瓦斯儲(chǔ)集區(qū)。鉆孔分布在距離回風(fēng)巷10～40 m裂隙區(qū)，共4個(gè)鉆孔，間距10 m。定向孔在水平面設(shè)計(jì)平行于回風(fēng)巷，深度600 m。

圖7 11613工作面鉆孔布置

18#煤層11813采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用軌順施工導(dǎo)通鉆孔，每組導(dǎo)通鉆孔施工4個(gè)，孔徑153 mm，打穿11613軌順巷道，利用11613軌順作為高抽巷抽采11813采空區(qū)瓦斯，如圖8所示，同時(shí)布置采空區(qū)埋管進(jìn)行邁步式抽采。

圖8 11813工作面鉆孔布置

3.2 瓦斯抽采效果

11613工作面布置的4個(gè)鉆孔抽采效果如圖9所示。鉆場最大抽采濃度27.8%，最大混合量達(dá)29.3 m3/min，最大純量達(dá)6.75 m3/min，累計(jì)抽采瓦斯量約115萬m3。

圖9 16#煤瓦斯抽采效果

11813工作面瓦斯抽采7個(gè)月效果如圖10所示，每個(gè)時(shí)間段瓦斯抽采總量較穩(wěn)定，月平均抽采總量99 119.96 m3；抽采瓦斯?jié)舛然揪S持在每月15.1%，瓦斯抽采平均純流量為2.35 m3/min。

圖10 18#煤瓦斯抽采效果

4 結(jié) 論

1)重復(fù)采動(dòng)條件下工作面及其上覆巖層內(nèi)裂隙演化規(guī)律：16#煤層開采垮落帶高度11 m，裂隙帶高度53 m。隨著18#煤的開采，煤層群采動(dòng)裂隙貫通，16#煤上覆巖層裂隙進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展；當(dāng)工作面推進(jìn)至150 m，受煤層群重復(fù)采動(dòng)影響垮落帶高度13 m，裂隙帶高度83 m。位于裂隙帶內(nèi)的關(guān)鍵層下方離層區(qū)域是卸壓瓦斯儲(chǔ)集的優(yōu)勢空間。

2)結(jié)合物理相似模擬實(shí)驗(yàn)以及上覆巖層內(nèi)關(guān)鍵層各項(xiàng)參數(shù)，可計(jì)算確定各關(guān)鍵層在覆巖“三帶”中的位置及其采動(dòng)過程中斷裂垮落結(jié)構(gòu)，提出工作面附近卸壓瓦斯儲(chǔ)集空間判別方法。

3)基于采動(dòng)卸壓瓦斯儲(chǔ)集空間判別結(jié)果，16#煤高位定向鉆孔進(jìn)行卸壓瓦斯抽采，18#煤采取鉆孔導(dǎo)通上煤層運(yùn)順高抽巷及采空區(qū)埋管相結(jié)合抽采方式，瓦斯抽采效果良好，保證工作面的安全高效回采。