近距離薄煤層群上保護層開采鄰近層卸壓瓦斯抽采模式探究*

胡 杰，馮康武，孫 臣，陳 渝

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.四川達竹煤電(集團)有限責任公司，四川 達州 635000)

0 引言

隨著礦井機械化程度及開采能力的不斷提升，采掘速度及功效有了大幅提高[1-3]。另一方面，在礦井高效掘進及回采過程中，對于瓦斯有效治理及動力災害精準防治又提出了更高的要求[4-5]。實踐證明：開采保護層是防治突出的1種經濟實用的卸壓措施[6-7]，保護層開采結合被保護層卸壓瓦斯抽采已成為我國煤礦優(yōu)先推廣的1種區(qū)域瓦斯治災技術[8-9]，同時在保護層開采首采層選擇論證方面也形成了較為完善的方法體系,劉志偉建立了突出煤層群首采層選擇方法并在現(xiàn)場成功應用[10]；王中華等提出了深部遠距離煤層群首采層優(yōu)選方法[11]。但對于采用上保護層開采的近距離薄煤層群而言，由于近距離被保護層卸壓充分，卸壓瓦斯沿著煤巖體中的裂隙向保護層工作面空間內運移流動，同時由于首采薄煤層通風空間小、通風能力有限，極易導致保護層工作面瓦斯超限，并形成重大的安全隱患；另外，卸壓效果隨著距離的增大而逐漸變差，較遠距離的煤層卸壓瓦斯對工作面瓦斯涌出影響如何尚不清楚，因此，更具針對性的治理鄰近煤層群卸壓瓦斯是在薄煤層群保護層開采過程中亟待解決的問題。針對以上情況，采用數(shù)值計算研究下覆煤層群卸壓瓦斯運移規(guī)律，提出“近場+遠場”的卸壓瓦斯抽采模式，并以川南煤田近距離突出煤層群的典型代表新維煤礦為試驗地點進行瓦斯抽采模式的現(xiàn)場考察。

1 卸壓瓦斯三維滲流模型

被保護層的煤體在采動前處于三向受力狀態(tài)，隨著上覆保護層采動影響，煤巖體所受應力狀態(tài)發(fā)生改變，煤巖體內裂隙會發(fā)生膨脹或收縮變形[12-13]，如圖1所示。當豎直方向應力σz減小時，xoy平面水平方向裂隙會發(fā)生膨脹擴張，瓦斯沿水平方向的流動變得容易；當豎直方向應力σz增大時，xoy水平面內沿水平方向裂隙會發(fā)生收縮閉合，造成瓦斯難以運移流動。因此，應力的變化決定了煤巖體滲透率的變化。

圖1 煤體中水平裂隙隨應力變化規(guī)律Fig.1 Change laws of horizontal fissure in coal body with stress

研究表明[14-15]，裂隙的閉合或擴展受到正向應力影響，其裂隙承壓閉合尺寸與正向應力的關系如式(1)所示：

(1)

式中：σ為正向應力，MPa；k0為裂隙初始剛度，N/m；δ為裂隙閉合尺寸，m；δm為裂隙最大閉合尺寸，即裂隙破壞前的極限寬度，m；b為定義裂隙寬度，m；則b=δm-δ對于單個裂隙來說，其滲透率k與其裂隙寬度的平方成正比，見式(2)[13,16]：

(2)

將式(1)代入式(2)中，得式(3)：

(3)

式中：σ0=k0δm，為初始正應力，MPa。

(4)

根據(jù)式(4)，初始應力狀態(tài)下，σ=σ0，kf取值為0.25，當00.25時，正向應力小于初始應力，煤體滲透率增大。由此可建立三向應力狀態(tài)下三維滲流模型，見式(5)：

(5)

式中：kxoy，kxoz，kyoz分別為沿xoy，xoz，yoz平面的無量綱滲透率；σx，σy，σz分別為沿x，y，z方向的地應力，MPa；σxo，σyo，σzo分別為x，y，z方向的初始地應力，MPa。

可根據(jù)三維滲流模型了解不同層位的被保護層內卸壓瓦斯的滲流特征，進而對卸壓瓦斯的抽采提供理論指導。

2 數(shù)值計算及結果分析

2.1 工程背景

川南煤田具有近距離薄煤層群開采、構造復雜、高應力、低透氣性、高變質、高瓦斯含量的特點，以川煤芙蓉公司新維煤礦作試驗礦井開展研究。礦井含煤地層為二疊系上統(tǒng)宣威組(P2x)，平均總厚141 m，含煤十余層，煤層平均總厚為8 m，其中可采煤層有4層，從上至下編號為C2,C3,C7,C8號煤層，可采煤層平均總厚6.74 m。其中C7,C8煤層為突出煤層，煤層瓦斯壓力大，瓦斯含量高。C2,C3煤層層間距平均6.2 m；C3,C7煤層層間距平均15.66 m，C7,C8煤層層間距平均6.31 m，煤系綜合柱狀如圖2所示。經論證首采C2煤層作為上保護層開采，平均厚度僅1.09 m，實際開采過程中鄰近層瓦斯涌出量大，本煤層瓦斯治理采掘空間狹小，瓦斯超限頻繁。

圖2 煤系綜合柱狀Fig.2 Comprehensive histogram of coal-series

2.2 數(shù)值計算

保護層開采過程中，對于圍巖應力、滲透率等參數(shù)的現(xiàn)場測試工作周期長，成本高、測量誤差大。本文借助Flac3D模擬軟件，主要對保護層開采過程中采場滲透率沿縱向分布規(guī)律進行研究，為上保護層開采鄰近層卸壓瓦斯抽采模式奠定理論基礎。

基于卸壓瓦斯三維滲流模型，通過內置Fish語言編輯模型單元體的變量參數(shù)，實現(xiàn)軟件對無量綱滲透率k的迭代計算和監(jiān)測。選取塑性模型組中的應變軟化模型為本構關系，以新維煤礦實測的煤巖強度參數(shù)給模型賦值，見表1。

表1 模型物理力學參數(shù)賦值Table 1 Assignment on physical and mechanical parameters of model

結合新維煤礦開拓開采的一盤區(qū)地質狀況建立模型，設定長、寬、高依次為360,320,120 m，模型頂部采用14.5 MPa的壓力邊界，其余面均為滾支邊界，模型底部平面初始豎直應力為17.5 MPa，水平應力分別為20.5 MPa和15.5 MPa，由于一盤區(qū)煤層傾角較小，近似作水平煤層處理，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。首先在新維煤礦一盤區(qū)上方厚度為1 m的C2號薄煤層中施工機巷、風巷及切眼。設定x軸為回采方向，y軸為工作面傾向方向，縱向為z軸方向，如圖4所示。隨后以2 m回采長度分步回采C2號煤層，工作面寬度160 m，即在y軸方向的-80～80 m，由x軸方向的100 m開始向-100 m回采，進行運算。

圖3 數(shù)值計算模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing of numerical calculation model

圖4 模型三維透視Fig.4 Three-dimensional perspective of model

2.3 采場滲透率沿縱向分布規(guī)律研究

為研究采場滲透率沿縱向分布規(guī)律，得到不同位置的被保護層卸壓瓦斯運移流動規(guī)律，按照如圖5所示的參考點提取數(shù)據(jù)，采空區(qū)內不同高度的三向無量綱滲透率變化情況如圖6所示。

圖5 采場滲透率縱向分布數(shù)據(jù)提取位置Fig.5 Extraction location for longitudinal distribution data of stope permeability

圖6 采空區(qū)內豎直方向滲透率分布規(guī)律Fig.6 Distribution laws of permeability in vertical direction in goaf

由圖6可知，三向滲透率分布總體上表現(xiàn)為：距離保護層越近滲透率越大，反之滲透率越小。保護層下方22 m范圍內，三向無量綱滲透率值均大于0.25，說明該范圍內煤巖體三向應力值均較低，水平和豎直方向上裂隙間相互溝通形成裂隙網(wǎng)，瓦斯能夠沿著xoy，xoz，yoz3個平面在三維空間內自由流動，在自身壓力梯度下向低壓區(qū)域運移。保護層下方22 m之外，僅有沿xoy平面的無量綱滲透率仍大于0.25，xoz，yoz平面內無量綱滲透率逐漸減小至接近于原始值0.25，即該區(qū)域內豎直方向裂隙基本不發(fā)生膨脹變形，瓦斯基本沿xoy平面在水平方向上流動，在縱向上流動較為困難。當達到一定間距后，深部煤巖體不受保護層采動影響處于原始應力帶，該區(qū)域內裂隙基本處于承壓閉合狀態(tài)，瓦斯在任一方向上流動都較困難。

因此，根據(jù)采場滲透率沿縱向分布規(guī)律將下覆圍巖體分為3個滲流區(qū)：三維增滲區(qū)、水平增滲區(qū)及原始滲透區(qū)。結合新維煤礦煤層群層位關系：首采層C2號煤層開采后，C3號煤層處于三維增滲區(qū)，C7，C8號煤層處于水平增滲區(qū)。根據(jù)不同層位被保護層卸壓瓦斯?jié)B流規(guī)律的差異，將被保護層卸壓瓦斯運移分為“近場(三維增滲區(qū))”和“遠場(水平增滲區(qū))”2個部分，如圖7所示。

圖7 卸壓瓦斯“近場+遠場”運移流動規(guī)律Fig.7 “Near-field and far-field” migration and flow laws of pressure-relief gas

3 卸壓瓦斯抽采模式及現(xiàn)場試驗

3.1 卸壓瓦斯抽采模式建立

由圖7可知，C3號煤層卸壓后卸壓瓦斯能夠在自身壓力梯度作用下進入C2號煤層工作面和采空區(qū)；C7，C8號煤層卸壓后大量的卸壓瓦斯仍積聚在本煤層中，基于此建立“近場大直徑定向鉆孔全覆蓋抽采與遠場穿層鉆孔層間卸壓抽采結合”的卸壓瓦斯的抽采模式，如圖8所示。

圖8 “近場+遠場”卸壓瓦斯定向高效抽采模式Fig.8 “Near-field and far-field” directional high-efficiency drainage mode of pressure-relief gas

1)近場大直徑定向鉆孔全覆蓋抽采：近場被保護層卸壓瓦斯富集區(qū)主要集中在保護層工作面、采空區(qū)及上隅角等位置，極易造成工作面回采期間瓦斯超限，因此，對近場卸壓瓦斯的治理主要在于定向攔截抽采。

2)遠場穿層鉆孔層間卸壓抽采：遠場被保護層卸壓瓦斯富集區(qū)主要集中在本煤層中，加之深部煤層突出危險災害程度較重，對其卸壓瓦斯的治理主要在于預抽消突。

3.2 現(xiàn)場試驗考察

以新維煤礦一盤區(qū)2108回采工作面為地點開展保護層開采期間鄰近層卸壓瓦斯抽采模式試驗。在一盤區(qū)C9號底抽巷揭露C3號煤層石門鉆場處，采用定向鉆機從煤層底板開孔，沿工作面回采方向布置2組C3煤層定向長鉆孔，每組5個鉆孔，控制回采方向300 m范圍，孔徑120 mm，鉆孔竣工平面如圖9所示，1-1號鉆孔布置在工作面巷道內側27 m，1-5號鉆孔布置工作面巷道內側15 m。在一盤區(qū)C9號底抽巷分組布置C7，C8號煤層底板穿層鉆孔，組間距8 m，每組21個鉆孔，終孔間距8 m，鉆孔布置如圖10所示。

圖10 遠場C7，C8煤層穿層抽采鉆孔布置Fig.10 Layout of cross-layer drainage boreholes for far-field C7 and C8 coal seams

3.2.1 定向長鉆孔抽采效果

將C3煤層定向長鉆孔中1-1～1-3號鉆孔設定為第1組；1-4，1-5號鉆孔設定為第2組；2-1～2-3號鉆孔設定為第3組；2-4，2-5號鉆孔設定為第4組；分組連接管路進行抽采。由圖9可知，第1組和第2組鉆孔終孔在前，第3組和第4組鉆孔終孔位置在后側區(qū)段內。鉆孔負壓為18～20 kPa，對卸壓瓦斯抽采濃度、純流量與鉆孔距2108工作面距離等參數(shù)進行定期觀測，分別得到抽采濃度、抽采純流量與距離工作面距離關系，如圖11，12所示。

圖9 近場C3煤層定向抽采鉆孔平面Fig.9 Plane of directional drainage borehole for near-field C3 coal seam

由圖11～12可知，卸壓瓦斯抽采效果與2108回采工作面的回采位置密切相關，在工作面未推進前，鉆孔的濃度、純流量較低；隨著工作面的回采，第1組和第2組的鉆孔瓦斯抽采濃度由30%～40%增大到80%左右，純流量由0.3～0.5 m3/min增大到1.5～2.2 m3/min，而第3組和第4組鉆孔此時距離工作面較遠，濃度和純量基本不變。由于鉆孔沿回采方向布置，隨著工作面的推進，鉆孔抽采濃度始終保持較高的水平。當工作面推進超過300 m后，第3，4組鉆孔抽采濃度和純流量增大，同樣出現(xiàn)類似規(guī)律。因此，定向鉆孔對近場卸壓瓦斯起到了定向攔截作用。

圖11 C3煤層定向鉆孔瓦斯抽采濃度曲線Fig.11 Concentration curves of gas drainage by directional boreholes in C3 coal seam

圖12 C3煤層定向鉆孔瓦斯抽采純量曲線Fig.12 Pure flow curves of gas drainage by directional boreholes in C3 coal seam

3.2.2 穿層鉆孔抽采效果

在一盤區(qū)C9號底抽巷中隨機選取1組穿層鉆孔，觀測其抽采濃度、抽采純流量與2108工作面距離關系變化，如圖13所示。

圖13 C7，C8煤層穿層鉆孔瓦斯抽采濃度及純流量曲線Fig.13 Concentration and pure flow curves of gas drainage by cross-layer boreholes in C7 and C8 coal seams

由圖13可知，C7，C8煤層穿層鉆孔瓦斯抽采濃度和純流量與C3煤層類似，在工作面前5 m外，未受到采動卸壓保護作用，鉆孔抽采濃度約為20%；工作面前5～70 m范圍內，抽采濃度和純流量都有明顯的提高，最高達到90%；隨著工作面繼續(xù)推進，采空區(qū)壓實，煤層滲透率逐漸衰減，抽采濃度和純流量逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

3.2.3 工作面瓦斯涌出量對比

對比2108和2106工作面在回采期間工作面回風瓦斯平均濃度和絕對瓦斯涌出量，如圖14所示。采取“近場+遠場”定向高效抽采技術后，2108工作面的回風瓦斯平均濃度約為0.5%，較2106工作面的0.9%下降了約44.4%；2108工作面絕對瓦斯涌出量為7.3 m3/min，較2106工作面的15.3 m3/min下降了52.3%。因此，本文所建立的“近場大直徑定向鉆孔全覆蓋抽采與遠場穿層鉆孔層間卸壓抽采結合”的抽采模式，實現(xiàn)了上保護層開采期間鄰近層卸壓瓦斯的高效治理。

圖14 工作面回風瓦斯?jié)舛扰c絕對涌出量對比Fig.14 Comparison on concentration and absolute emission amount of return air gas from working face

4 結論

1)基于煤巖體峰前“應力-裂隙-滲透率”間關系，研究煤巖體在三向受力狀態(tài)下的無量綱滲透率k值變化與卸壓瓦斯流動規(guī)律間的演化關系，并建立卸壓瓦斯三維滲流模型。

2)以新維煤礦為工程背景采用數(shù)值計算方法，得出采場滲透率沿縱向分布規(guī)律，將首采C2煤層下覆圍巖體劃分為三維增滲區(qū)、水平增滲區(qū)及原始滲透區(qū)，確立首采層C2煤層開采后，C3煤層處于三維增滲區(qū)，C7，C8號煤層處于水平增滲區(qū)。

3)提出一套“近場定向鉆孔全覆蓋抽采與遠場穿層鉆孔層間卸壓抽采結合”的卸壓瓦斯治理技術模式?，F(xiàn)場試驗表明，該模式能顯著提高卸壓瓦斯的抽采效果，2108回采工作面回風瓦斯?jié)舛冉档?4.4%，絕對瓦斯涌出量降低52.3%，可實現(xiàn)保護層回采期間瓦斯的針對性高效治理。