基于采動(dòng)覆巖裂隙特征的高位鉆孔優(yōu)化與分析

尉 瑞，龔選平，程 成，白廷海

(1.中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 河津 0433001；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度及強(qiáng)度的不斷增加，深部開(kāi)采成為煤炭資源開(kāi)發(fā)常態(tài)[1]，隨之而來(lái)，煤層開(kāi)采時(shí)瓦斯涌出量也逐漸增加，瓦斯災(zāi)害也成為了我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)主要制約因素之一[2]。高位鉆孔抽采對(duì)治理高瓦斯礦井回采過(guò)程中采空區(qū)瓦斯涌出效果有著明顯優(yōu)勢(shì)[3]，而高位鉆孔位置的布置方式極大影響瓦斯抽采效率[4]。因此，研究采動(dòng)覆巖裂隙帶演化對(duì)瓦斯優(yōu)勢(shì)運(yùn)移區(qū)影響規(guī)律可以為礦井瓦斯精準(zhǔn)抽采提供理論支撐。

煤層在開(kāi)采時(shí)，上覆巖層采后冒落使覆巖結(jié)構(gòu)形成典型“三帶”結(jié)構(gòu)[5]，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，隨著三帶發(fā)育導(dǎo)致煤巖體內(nèi)遍布裂隙，而裂隙是瓦斯運(yùn)移及滲流的主要通道[6]，因此掌握煤層開(kāi)采覆巖裂隙演化規(guī)律和準(zhǔn)確辨識(shí)“三帶”高度是優(yōu)化抽采方法、確保煤層安全開(kāi)采的基礎(chǔ)，也在生產(chǎn)中具有非常重要的意義[7-9]。采動(dòng)裂隙帶演化及采空區(qū)上覆巖層中瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究成果也很豐富。錢(qián)鳴高、許家林[10，11]提出了“關(guān)鍵層”理論、“O型圈”理論，并通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)上覆巖層垮落形成“O”型圈分布特征進(jìn)行了描述。李樹(shù)剛[12]通過(guò)研究采動(dòng)裂隙發(fā)育情況，提出了采動(dòng)裂隙“橢拋帶”模型，并對(duì)采動(dòng)影響下橢拋帶的動(dòng)態(tài)演化進(jìn)行研究；也有很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出覆巖裂隙演化規(guī)律與瓦斯運(yùn)移之間具有一定聯(lián)系。Danesh NN[13]、袁亮[14，15]、程遠(yuǎn)平[16]等認(rèn)為覆巖裂隙演化與瓦斯運(yùn)移規(guī)律密切相關(guān)，并認(rèn)為高位鉆孔可以有效抽采頂板裂隙帶內(nèi)瓦斯富集區(qū)的高濃度瓦斯，耿銘[17]采用數(shù)值模擬和理論分析的方法對(duì)研究了地面L型鉆孔抽采瓦斯富集區(qū)內(nèi)瓦斯的相關(guān)規(guī)律。胡千庭[18]、謝廣祥[19]等也通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法對(duì)采動(dòng)影響是采空區(qū)覆巖裂隙帶內(nèi)瓦斯聚集的過(guò)程進(jìn)行分析。

綜上，目前對(duì)采動(dòng)影響下覆巖裂隙演化對(duì)瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢(shì)區(qū)影響規(guī)律研究較少，因此為了提高瓦斯治理效果，需進(jìn)一步探討工作面回采時(shí)覆巖采動(dòng)裂隙演化對(duì)瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢(shì)區(qū)影響規(guī)律。

為了更好的研究工作面回采時(shí)覆巖采動(dòng)裂隙演化過(guò)程對(duì)瓦斯優(yōu)勢(shì)運(yùn)移區(qū)影響規(guī)律，本文采用物理相似試驗(yàn)的方法對(duì)采動(dòng)覆巖裂隙演化規(guī)律進(jìn)行模擬研究，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果在王家?guī)X礦開(kāi)展高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究成果為采動(dòng)覆巖裂隙擴(kuò)展及瓦斯富集區(qū)辨識(shí)提供理論支持。

1 工程概況及物理模型建立

1.1 工程概況

選取山西王家?guī)X礦12322綜放工作面為試驗(yàn)工作面，該工作面平均厚度6.2m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；傾向長(zhǎng)度300m，煤層瓦斯含量平均在3.74m3/t。采煤方法采用長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤工藝，工作面整體瓦斯含量較低，但由于高產(chǎn)高效導(dǎo)致工作面回采過(guò)程中瓦斯涌出異常。

王家?guī)X礦12322工作面主要采用高位定向長(zhǎng)鉆孔及采空區(qū)埋管進(jìn)行瓦斯治理，但對(duì)如何確定高位鉆孔最佳的布置位置來(lái)進(jìn)行采空區(qū)瓦斯高效治理成為困擾煤礦安全生產(chǎn)的難題。

1.2 物理模型設(shè)計(jì)及方法

實(shí)驗(yàn)采用物理相似模擬手段，對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程走向方向的覆巖結(jié)構(gòu)和裂隙演化規(guī)律進(jìn)行模擬分析。物理模擬模型參數(shù)根據(jù)工作面實(shí)際煤巖層地質(zhì)條件確定。

根據(jù)王家?guī)X礦12322工作面地質(zhì)情況，見(jiàn)表1，建立物理相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 工作面物理相似模型

表1 巖層分布及其物理學(xué)參數(shù)

模型設(shè)計(jì)工作面走向開(kāi)采長(zhǎng)度200m，工作面兩端留設(shè)煤柱分別為10m，煤層開(kāi)采高度6m，工作面推進(jìn)速度6m/d。模型上方增加配重模擬未建模的上覆巖層壓力，并施加均勻載荷。在距煤層每隔10m布置一條測(cè)線，從下往上分別為測(cè)線1至測(cè)線9。開(kāi)挖采用從左向右開(kāi)挖，并且在開(kāi)挖過(guò)程中記錄應(yīng)力變化及各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化，以此分析覆巖裂隙發(fā)育情況，并對(duì)瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢(shì)區(qū)行定量分析。

2 物理相似模擬分析

2.1 采動(dòng)影響下覆巖移動(dòng)規(guī)律

當(dāng)煤層開(kāi)采后，在采空區(qū)上方的覆巖由彈性狀態(tài)逐漸向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，其上覆巖體發(fā)生移動(dòng)、破斷及冒落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在冒落帶巖層斷裂成塊狀，因此在冒落帶內(nèi)的測(cè)線下沉量較大，且同一測(cè)線不同測(cè)點(diǎn)下沉量波動(dòng)較大。而裂隙帶巖層產(chǎn)生變形、斷裂和裂隙，但連續(xù)性較好，測(cè)點(diǎn)下沉量隨著測(cè)點(diǎn)位置的升高而變小，并且在裂隙帶內(nèi)各個(gè)測(cè)線下沉規(guī)律相似。

工作面回采130m時(shí)模型各個(gè)測(cè)點(diǎn)的下沉值如圖2所示，冒落帶垮落后碎裂巖石呈現(xiàn)不規(guī)則狀，密實(shí)度差距較大，因而導(dǎo)致相同巖層下沉量差距也較大。對(duì)比分析各個(gè)測(cè)線下沉情況，可知測(cè)線1(距煤層10m)沉量為5～5.8m，位于冒落帶中下部，其最大下沉值基本上是位于來(lái)壓處；測(cè)線2(距煤層20m)，變形量較大，且與測(cè)線3至測(cè)線5呈現(xiàn)規(guī)律有所差異。而隨著冒落帶逐漸發(fā)育并被壓實(shí)后，裂隙帶的巖層連續(xù)性較強(qiáng)，下沉曲線較為規(guī)則，且各個(gè)測(cè)點(diǎn)下沉量比較同步，測(cè)線3(距煤層30m)、測(cè)線4(距煤層40m)、測(cè)線5(距煤層50m)下沉呈現(xiàn)規(guī)律相似，且同一測(cè)線幾乎無(wú)上下波動(dòng)，且最大下沉量基本上是圍巖采空區(qū)的中部，測(cè)線越高其位移量越小，可以推測(cè)3測(cè)線之上為裂隙帶，從而可以確定冒落帶高度在距煤層底板30m以?xún)?nèi)。

圖2 煤層開(kāi)采后覆巖位移分布

2.2 采動(dòng)影響下煤層底板應(yīng)力分布規(guī)律

通過(guò)底板的應(yīng)力傳感器，可以對(duì)煤層正?；夭绕陂g底板應(yīng)力分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從圖3可以看出隨著正?；夭?，上覆巖層逐步周期性垮落后，底板應(yīng)力呈現(xiàn)周期性變化。

圖3 工作面推進(jìn)過(guò)程底板應(yīng)力分布

工作面回采后，采空區(qū)應(yīng)力明顯降低，工作面前方5～15m位置處應(yīng)力集中，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，采空區(qū)處頂板跨落，上覆巖層的應(yīng)力通過(guò)采空區(qū)前后的煤體傳遞至底板，因此工作面前方和開(kāi)切眼后方的應(yīng)力值大于原巖應(yīng)力，且隨著回采的進(jìn)行，采空區(qū)處垮落的范圍越來(lái)越大，因此煤體內(nèi)的應(yīng)力最大值也隨著增大。

2.3 采動(dòng)影響下覆巖裂隙演化特征

采動(dòng)過(guò)程中上覆巖層裂隙形態(tài)分布如圖4所示。工作面推進(jìn)過(guò)程中，隨著推進(jìn)距離增加，覆巖裂隙通道高度也隨之增加，但增加到一定高度后，基本維持穩(wěn)定。

圖4 周期來(lái)壓期間裂隙發(fā)育情況

2煤工作面開(kāi)始回采時(shí)，直接頂隨著煤層開(kāi)采直接冒落，而基本頂僅出現(xiàn)一定彎曲下沉，繼續(xù)回采后，基本頂離層間隙持續(xù)增大，當(dāng)回采至55m時(shí)，基本頂斷裂，在煤層底板上部20m處出現(xiàn)離層裂隙，且裂隙充分發(fā)育并溝通了工作面及切眼處，此時(shí)發(fā)生初次來(lái)壓。工作面繼續(xù)推進(jìn)后，基本頂持續(xù)發(fā)生彎曲下沉，直到回采至85m時(shí)，發(fā)生斷裂，并形成較大離層裂隙及破斷裂隙，此時(shí)發(fā)生第一次周期來(lái)壓。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至110m時(shí)，為了讓工作面上覆巖層裂隙進(jìn)行充分發(fā)育，將模型靜置一段時(shí)間，在此過(guò)程中基本頂發(fā)生斷裂，并在底板正上方51m處出現(xiàn)較大的離層裂隙，表明發(fā)生了第二次周期來(lái)壓。當(dāng)回采至135m時(shí)，發(fā)生第三次周期來(lái)壓，并且在此過(guò)程中，裂隙數(shù)量明顯呈增加趨勢(shì)，離層裂隙的長(zhǎng)度和寬度也呈上升趨勢(shì)。

當(dāng)關(guān)鍵層垮落，裂隙高度逐漸升高，離層裂隙擴(kuò)展范圍也隨之增加，但其發(fā)展到一定高度后不會(huì)再升高，裂隙區(qū)最大高度維持在92.3m。垮落高度至最大裂隙高度之間形成一定離層區(qū)，工作面上覆巖層斷裂形成很多破斷裂隙，破斷裂隙聯(lián)通后形成裂隙區(qū)，并且裂隙帶下部形成瓦斯富集運(yùn)移區(qū)如圖5所示。

圖5 覆巖采動(dòng)區(qū)域劃分

2.4 瓦斯富集運(yùn)移區(qū)位置劃分

煤層回采后，采空區(qū)碎石冒落，充滿(mǎn)裂隙，且上覆巖層受采動(dòng)影響且裂隙充分發(fā)育，形成一定的裂隙通道。裂隙通道受工作面通風(fēng)影響后，具有一定的壓力梯度，壓力梯度影響，從而促進(jìn)瓦斯在裂隙通道內(nèi)流動(dòng)，形成圖3(a)—(d)中所標(biāo)識(shí)的瓦斯富集運(yùn)移區(qū)，隨著開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行瓦斯富集運(yùn)移區(qū)不斷變化。

隨著工作面的不斷推進(jìn)，測(cè)量每次來(lái)壓后如圖3(a)—(d)所標(biāo)識(shí)出的瓦斯富集區(qū)高度，并繪制瓦斯富集運(yùn)移區(qū)變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 瓦斯富集運(yùn)移區(qū)高度變化趨勢(shì)

隨著工作面不斷向前推進(jìn)，瓦斯富集運(yùn)移區(qū)的高度也在隨之增加，但增加到一定程度后，增量減小。在初次來(lái)壓至第一次周期來(lái)壓時(shí)，瓦斯富集運(yùn)移區(qū)的高度變化幅度較大，由初次來(lái)壓時(shí)優(yōu)勢(shì)通道高度22m在第一次周期來(lái)壓后增加至40m，這是由于初次來(lái)壓步距較大，應(yīng)力集中，破壞力強(qiáng)，裂隙發(fā)育充分，并在初次來(lái)壓及第一次周期來(lái)壓期間應(yīng)力釋放。而隨后的周期來(lái)壓過(guò)程中，來(lái)壓步距穩(wěn)定，瓦斯富集區(qū)域的寬度和高度發(fā)展也比較緩慢，最終瓦斯富集區(qū)最大高度基本穩(wěn)定在52m以?xún)?nèi)。

工作面持續(xù)回采，裂隙帶發(fā)育穩(wěn)定后，瓦斯抽采富集區(qū)偏向冒落帶上部及裂隙帶下部區(qū)域，如圖7所示，可以看出瓦斯富集區(qū)域維持在距煤層28～52m之間，因此若要對(duì)采動(dòng)覆巖裂隙帶瓦斯富集區(qū)進(jìn)行抽采應(yīng)該布置在此范圍之內(nèi)。

圖7 瓦斯抽采富集區(qū)域高度劃分

3 工程實(shí)踐

采空區(qū)覆巖裂隙帶瓦斯富集區(qū)抽采過(guò)程是在富集區(qū)范圍判定的基礎(chǔ)上進(jìn)行抽采方法及參數(shù)設(shè)計(jì)。而富集區(qū)的高度及寬度判定是高效抽采的關(guān)鍵，將定向長(zhǎng)鉆孔布置位置布置在瓦斯富集區(qū)域可有效抽采高濃度瓦斯，實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)。

根據(jù)前文分析，對(duì)高位定向長(zhǎng)鉆孔軌跡及終孔位置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并在6號(hào)鉆場(chǎng)開(kāi)始實(shí)施。

3.1 高位鉆孔布置及參數(shù)設(shè)置

現(xiàn)場(chǎng)資料顯示，主采工作面走向長(zhǎng)度3307m，傾向長(zhǎng)度304m，開(kāi)采煤層厚度5.7～6.8m，高位定向長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng)布置在回風(fēng)巷道的硐室內(nèi)部。

鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)施工4個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔，單排布置，鉆孔孔徑133mm，鉆孔長(zhǎng)度500m，6-1至6-3鉆孔高度布置在28～50m之間，鉆孔距巷幫距離布置在50m以?xún)?nèi)，并設(shè)計(jì)一個(gè)不在該區(qū)域的6-4鉆孔作為對(duì)比孔。并且距巷幫越遠(yuǎn)鉆孔高度越高，布置參數(shù)如表2所示，高位定向長(zhǎng)鉆孔布置如圖8所示。

表2 高位鉆孔布置參數(shù)表

圖8 6#鉆場(chǎng)高位定向鉆孔布置(m)

3.2 高位鉆孔抽采效果分析

通過(guò)對(duì)高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖9所示。從圖9(a)可以看出在工作面正?；夭蛇^(guò)程中，鉆場(chǎng)內(nèi)四個(gè)高位鉆孔抽采效果6-1、6-2、6-3抽采效果均較好，而6-4抽采能力一直維持在0.5m3/min以下，表明6-4鉆孔布置高度偏低，而其他三個(gè)鉆孔布置在瓦斯富集運(yùn)移區(qū)。

從圖9(b)可以看出，在抽采前期，通過(guò)周期來(lái)壓，頂板裂隙逐漸發(fā)育，抽采瓦斯量在逐漸升高，當(dāng)裂隙發(fā)育到一定高度后，不在繼續(xù)向上發(fā)育，鉆孔位于裂隙帶瓦斯富集區(qū)，抽采效果持續(xù)穩(wěn)定，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采占瓦斯涌出量60%以上，在抽采后期，由于高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采處越接近鉆場(chǎng)處鉆孔高度及距巷幫距離越小，其抽采能力逐漸降低，從而抽采效果出現(xiàn)明顯下降。結(jié)果較好的驗(yàn)證了瓦斯富集運(yùn)移區(qū)范圍判定的準(zhǔn)確性。

圖9 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果

4 結(jié) 論

1)物理相似模擬結(jié)果表明，12322工作面回采后，冒落帶最大高度距煤層底板28m，裂隙帶高度在30～92.3m之間。裂隙帶瓦斯富集運(yùn)移區(qū)高度隨著回采變化較大，但最終趨于穩(wěn)定，瓦斯富集運(yùn)移區(qū)穩(wěn)定在28～52m。

2)根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行高位定向長(zhǎng)鉆孔布置設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)三個(gè)鉆孔位于瓦斯富集運(yùn)移區(qū)內(nèi)，一個(gè)鉆孔在此區(qū)域外作為對(duì)比鉆孔，對(duì)比抽采結(jié)果表明，抽采期內(nèi)位于瓦斯富集運(yùn)移區(qū)的三個(gè)鉆孔抽采效果均較好，而位于富集區(qū)外的鉆孔抽采效果明顯低于其余三個(gè)鉆孔，煤層開(kāi)采后瓦斯運(yùn)移富集區(qū)范圍判定是合理的。

3)結(jié)合物理相似模擬結(jié)果知道現(xiàn)場(chǎng)高位定向長(zhǎng)鉆孔的布置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)抽采效果進(jìn)行分析，得到高位定向長(zhǎng)鉆孔穩(wěn)定抽采期間抽采瓦斯量占總涌出量的55%～75%，解決采空區(qū)覆巖裂隙帶內(nèi)瓦斯問(wèn)題保證工作面安全生產(chǎn)。