導(dǎo)水裂隙帶高度數(shù)值模擬與應(yīng)用

姜 偉

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030006)

0 引言

隨著煤層的開采，采場內(nèi)的巖體會發(fā)生變形、破斷和移動[1]，在上覆巖層中形成導(dǎo)水裂隙帶，并對煤體及圍巖產(chǎn)生“卸壓增透”效應(yīng)，透氣性增加，卸壓瓦斯會在壓力梯度和濃度梯度作用下在導(dǎo)水裂隙帶頂部富集[2-3]，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征對卸壓瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究方法主要有經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬、相似材料模擬、現(xiàn)場實測等方法[4]。垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度可以通過井眼公式計算，但適用條件是厚煤層分層開采，單層厚度1～3m，總厚度不超過15m，綜采條件下計算結(jié)果往往偏小[5]；相似材料模擬可直接觀察開采過程中上覆巖層垮落過程及裂隙發(fā)展，但是工程量大、實驗時間長、材料配比難以確定；現(xiàn)場實測結(jié)果最接近實際，但工程量大、成本高；數(shù)值模擬具有成本低、易于分析、可根據(jù)需要隨時調(diào)整參數(shù)等優(yōu)點，成為了導(dǎo)水裂隙帶研究中應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)手段[6]。本文基于RFPA-2D軟件平臺，以晉城礦區(qū)寺河礦4301工作面為研究對象，對回采過程中上覆巖層的變形和垮落情況進行模擬，確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，為地面L型水平井抽采卸壓瓦斯提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寺河礦井田坐落在山西省晉城市西北方向，行政管轄屬于山西省晉城市，井田范圍橫跨陽城、沁水、澤州三個縣。構(gòu)造位置位于沁水復(fù)式向斜盆地的南端東翼，處于晉獲褶斷帶、盆地南緣EW—NE向斷裂帶及陽城西洪洪—晉城石盤東西向斷裂帶之間，區(qū)域總體構(gòu)造形態(tài)為傾向NW—NWW的單斜構(gòu)造[7]，在此基礎(chǔ)上，沿走向分布系列寬緩褶皺，包括潘河、劉家腰等7條向斜，鄭村、馬莊等5條背斜。區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層65條，以NE、NNE走向的高角度正斷層為主，落差一般小于20m。區(qū)域地層從老到新依次為：奧陶系峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組和第四系松散沉積，主采煤層3#煤層位于山西組中部。主要含水層有：奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖及碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層、二疊系下統(tǒng)山西組碎屑巖類裂隙含水層、二疊系石盒子組碎屑巖類裂隙含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、第四系松散巖類孔隙含水層。

寺河礦4301工作面位于寺河礦東區(qū)，地面位置處東山村東南，小東山風(fēng)井場地東北。主采煤層為山西組3#煤，煤層平均厚度6.4m。煤層底板標高488～624m，煤層傾角1°～14°，平均5°，采煤工藝為傾向長壁式一次采全高，工業(yè)儲量6 439 345.35t，可采儲量6 246 165t。

2 模型建立

RFPA-2D軟件能夠模擬巖石從裂紋萌生、擴展直至斷裂的全過程，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)力分析和破壞分析兩方面的功能。RFPA-2D模擬的目的是分析工作面推進過程中頂板巖層破壞特征，從RFPA彈性模量圖中可以很直觀的判斷出巖層的破斷、垮落情況。

工作面煤層近似視為水平，以工作面走向剖面建立RFPA數(shù)值計算模型。沿走向設(shè)置為200m(X方向)，為消除邊界效應(yīng)，工作面兩端各留40m煤柱，沿垂直方向設(shè)置為150m(Y方向)，模型由30 000個單元構(gòu)成。邊界條件采用平面應(yīng)變模型，整個過程采用X方向位移約束，Y方向無約束，重力加載控制。開挖步長設(shè)置為5m，執(zhí)行分步開挖功能，每開挖5m，RFPA-2D軟件進行一次解算，并將單元破壞、移動過程以彈性模量圖形式顯示。模擬過程中巖體破壞用Mohr-Coulomb屈服準則判斷：

(1)

式中：σ1為最大主應(yīng)力，MPa;σ3為最小主應(yīng)力，MPa;c為黏結(jié)力，MPa;φ為摩擦角，(°)。當fs>0時，判斷材料發(fā)生剪切破壞。

煤層及頂、底板各層巖石力學(xué)參數(shù)由4301工作面前期施工的鉆孔ZK01取心測試獲得(表1)。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Coal and rock physical and mechanical parameters

3 數(shù)值模擬

隨著工作面的推進，煤層頂板破壞過程逐漸發(fā)展。如圖1所示，從彈性模量特征圖可以看出，在工作面推進至20m時，直接頂?shù)谝淮伟l(fā)生垮落，靠近切眼處受下部巖層冒落拉應(yīng)力影響，形成少量離層裂隙。在老頂?shù)目缍冗_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)的范圍擴大，老頂最終失穩(wěn)垮落。如圖2所示，工作面繼續(xù)推進到40m時，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30m左右。

圖1 工作面推進20m時彈性模量分布Figure 1 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 20m

圖2 工作面推進40m時彈性模量分布Figure 2 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 40m

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入短暫的穩(wěn)定期，隨著工作面推進，老頂懸露的面積也隨著增大，當達到極限跨距時，老頂開始斷裂，繼而再次失穩(wěn)垮落。如圖3所示，工作面推進至55m時，老頂形成的相對平衡狀態(tài)被打破，發(fā)生第一次周期垮落，來壓步距為15m，上覆巖層垮落高度較第一次垮落有較大發(fā)展。如圖4所示，工作面推進至70m時，老頂發(fā)生第二次周期性垮落，來壓步距15m，上覆巖層垮落高度達到煤層頂板以上75m左右。如圖5所示，工作面繼續(xù)推進至100m時，導(dǎo)水裂隙帶高度沒有繼續(xù)擴大，保持在75m左右，分析該處巖層達到極限垮距時，下部巖層已經(jīng)觸矸，所以巖層不會繼續(xù)垮落，75m為煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的上限高度，上部巖層出現(xiàn)大量離層裂隙，已經(jīng)進入彎曲下沉帶范圍。

圖3 工作面推進55m時彈性模量分布Figure 3 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 55m

圖4 工作面推進70m時彈性模量分布Figure 4 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 70m

圖5 工作面推進100m時彈性模量分布Figure 5 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 100m

4 工程應(yīng)用實踐

4.1 工程概況

L-01井是山西藍焰煤層氣集團有限責(zé)任公司在沁水盆地部署的第一口地面瓦斯抽采L型采動水平井，目的是利用受采動影響地面井，在工作面回采期間連續(xù)抽采頂板裂隙帶瓦斯，緩解井下瓦斯治理壓力。該井位于沁水縣鄭村鎮(zhèn)趙莊村，井下為寺河礦3313工作面。3313位于寺河礦東區(qū)，與4301工作面地質(zhì)條件相似，工作面傾向長度317m，走向長度1 233m，可采儲量320萬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226d，日均進尺5.45m。L-01井于2014年5月23日開鉆，7月10日完鉆，井深1 272m(其中垂直段102m、造斜段361m，水平段809m)。根據(jù)4301工作面RFPA-2D模擬結(jié)果，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育上限高度為75m，故將L-01井水平段設(shè)計在3號煤層頂板以上40～60m巖層中，位于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，利用煤層采動期間在導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)形成大量溝通裂縫改善抽采條件，強化抽采效果(圖6)。

圖6 L型采動水平井水平段相對位置Figure 6 Relative position of L typed mining horizontal well segment

4.2 數(shù)據(jù)分析

圖7顯示瓦斯抽采純量于工作面進尺趨勢相同，且滯后于工作面進尺變化。L型采動水平井與常規(guī)水平井不同，不是通過排水降壓，而是利用采動影響區(qū)的卸壓增流效應(yīng)，原來的擠壓應(yīng)力變成拉張應(yīng)力，煤巖層松動、破裂，使得煤巖層的大量裂隙張開，地應(yīng)力大范圍的有效釋放，徹底破壞甲烷的封閉應(yīng)力，甲烷大量解吸。隨著工作面推進，割煤過程中釋放的甲烷量增加，在濃度差和壓力梯度的作用下進入導(dǎo)水裂隙帶被“L型采動水平井”負壓抽出，釋放-擴散-運移存在時間差，解釋了工作面進尺與抽采純量變化趨勢相同但抽采純量變化滯后于工作面進尺變化的原因。

圖7 工作面回采速度與甲烷純量的關(guān)系Figure 7 Relationship between working face extraction rate and methane pure capacity

從圖8可以得出，L型采動水平井開始運行之后，井下風(fēng)排甲烷體積分數(shù)明顯下降，從平均70m3/min下降到35 m3/min左右。根據(jù)工作面回風(fēng)探頭讀數(shù)，甲烷體積分數(shù)從0.98%～1%逐漸降低，穩(wěn)定在0.75%左右，說明L型井可以起到輔助井下通風(fēng)的作用。L型井的甲烷抽采純量變化趨勢與風(fēng)排甲烷純量變化趨勢相同，二者主要受控于井下工作面進尺。L型井開始運行后，采空區(qū)和高位鉆孔甲烷抽采純量均大幅降低，高位鉆孔尤其明顯，L型井的甲烷抽采純量與采空區(qū)和高位鉆孔甲烷抽采純量呈現(xiàn)出負相關(guān)的趨勢，并且L型井的甲烷抽采純量明顯高于采空區(qū)和高位鉆孔甲烷抽采純量。分析認為在甲烷總量一定條件下，L型井與高位鉆孔和采空區(qū)抽排存在競爭，所以存在此消彼長的關(guān)系，L型井抽采效率高于采空區(qū)和高位鉆孔兩種抽采方式。

圖8 地面L型井抽放與井下抽放的關(guān)系Figure 8 Relationship between surface L typed well drainage and underground drainage

5 結(jié)論與建議

1)利用RFPA-2D軟件平臺，對寺河礦4301工作面回采過程中上覆巖層的變形和垮落情況進行了模擬，得出4301工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限位75m。將導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度模擬結(jié)果推廣到相鄰工作面，指導(dǎo)地面L型水平井水平段設(shè)計，L型水平井運行后，有效緩解了井下瓦斯抽放壓力，降低井下通風(fēng)成本。

2)L型水平井抽采純量與工作面進尺呈正相關(guān)關(guān)系，與高位鉆孔和采空區(qū)抽采純量呈負相關(guān)關(guān)系，抽采效率優(yōu)于高位鉆孔和采空區(qū)抽采方式。

3)用RFPA-2D軟件預(yù)測回采工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度切實可行，模擬結(jié)果可以為卸壓瓦斯抽采提供理論支持。但實際地質(zhì)條件千差萬別，在應(yīng)用過程中應(yīng)該注重巖層實際參數(shù)條件，并在相鄰地質(zhì)條件相鄰或相近地質(zhì)條件下使用，才能使模擬結(jié)果更加符合實際。