綜放開采礦壓顯現(xiàn)與瓦斯運(yùn)移響應(yīng)規(guī)律

翟景輝，任 帥，王方田，畢寸光，牛滕沖，李 哲

(1.安陽市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 安陽 455100；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭安全高效綠色開采是我國中長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略和安全的重要保障，綜放開采作為開發(fā)厚煤層的高效、快捷方法之一，廣泛應(yīng)用于高瓦斯礦井中。綜放開采采煤、放煤工序會(huì)引起采場(chǎng)應(yīng)力重新分布和劇烈變化[1-5]，比如頂板的周期破斷或大幅度下沉?xí)?dǎo)致工作面煤體大面積破壞，煤體中原生裂隙擴(kuò)展、次生裂隙增加，對(duì)瓦斯賦存、析出、運(yùn)移等產(chǎn)生顯著影響[6-9]。因此，掌握高瓦斯綜放工作面礦壓顯現(xiàn)與瓦斯運(yùn)移響應(yīng)規(guī)律對(duì)實(shí)現(xiàn)高瓦斯厚煤層礦壓控制及瓦斯抽采具有重要指導(dǎo)作用。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)與工作面瓦斯運(yùn)移關(guān)系進(jìn)行了深入探究，取得了一定的研究成 果[10-12]。李化敏[13]等通過支架阻力、超前應(yīng)力及瓦斯含量的監(jiān)測(cè)，歸納得到瓦斯涌出量和礦壓顯現(xiàn)呈正相關(guān)，工作面來壓時(shí)煤體出現(xiàn)“卸壓增透”效應(yīng)；張志剛[14]等通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出工作面周期來壓時(shí)瓦斯涌出量明顯高于其他時(shí)期，高濃度瓦斯涌出周期與頂板周期來壓時(shí)間一致，涌出時(shí)間略滯后于周期來壓；翁明月[15]等基于微震、瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示了綜放工作面煤巖破壞的三維時(shí)空分布和瓦斯涌出之間的內(nèi)在聯(lián)系，得到煤體破壞、工作面來壓、瓦斯涌出先后關(guān)系；孔建偉[16]分析了堅(jiān)硬頂板周期來壓與瓦斯涌出濃度特征，得到采動(dòng)引起工作面周期來壓導(dǎo)致煤層孔隙裂隙擴(kuò)展，進(jìn)一步加劇瓦斯解析、運(yùn)移過程；謝廣祥[17]等根據(jù)采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出煤體中應(yīng)力與瓦斯壓力相互耦合，呈正相關(guān)性，且瓦斯壓力峰值位置超前采動(dòng)應(yīng)力的結(jié)論；秦子晗[18]等指出從工作面前方煤壁到超前應(yīng)力峰值點(diǎn)涌出瓦斯?jié)舛炔粩鄿p少，超出超前壓力影響區(qū)，瓦斯?jié)舛戎鸩交謴?fù)，瓦斯壓力在工作面走向的分布趨勢(shì)與應(yīng)力分布趨勢(shì)基本相同。上述研究均圍繞礦山壓力顯現(xiàn)、瓦斯運(yùn)移等開展研究，鮮少涉及綜放開采條件下高瓦斯礦井礦壓顯現(xiàn)與瓦斯運(yùn)移的響應(yīng)規(guī)律，以及來壓時(shí)的瓦斯抽采優(yōu)化措施。

本文通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法探究高瓦斯厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、掌握礦壓與煤層瓦斯涌出的內(nèi)在聯(lián)系，為高瓦斯厚 煤層綜放開采礦壓控制及瓦斯抽采提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

安陽主焦煤礦2303工作面開采二1煤層，煤厚5.30～6.78 m，平均厚度約6.0 m，煤層平均傾角14°，平均埋深650 m，煤層頂?shù)装逯鶢钊鐖D1所示。采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，工作面走向長(zhǎng)度680.4 m，開切眼傾斜長(zhǎng)度127 m，回采120 m后傾斜長(zhǎng)度增至154 m，工作面布置如圖2所示。瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果表明絕對(duì)涌出量20.39 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量28.17 m3/t，屬高瓦斯礦井。

圖1 2303工作面頂?shù)装逯鶢頕ig.1 Histogram of roof and floor in 2303 working face

圖2 2303工作面布置Fig.2 Layout of 2303 working face

2 綜放工作面頂板破斷力學(xué)特征

綜放開采與傳統(tǒng)開采方法相比礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，現(xiàn)基于2303工作面地質(zhì)條件建立綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，如圖3所示。

煤層未開采時(shí)，頂板主要受自重、覆層質(zhì)量以及煤層對(duì)其支撐力的作用。

煤層對(duì)頂板的支撐力設(shè)為p，其大小基于彈性地基假設(shè)計(jì)算公式[19]為

式中，E0為煤層彈性模量，MPa；h0為煤層厚度，m；wy為頂板的撓度，m。

煤層開采后，頂板下方形成采空區(qū)，如圖3(a)所示，采空區(qū)中p=0。考慮模型的對(duì)稱性，對(duì)模型的右半部分進(jìn)行分析，將模型簡(jiǎn)化為彈性梁，如圖3(b)所示，采空區(qū)中部簡(jiǎn)化為水平位移約束，煤壁處簡(jiǎn)化為固定位移約束。

圖3 綜放開采覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.3 Overlying strata structural mechanical model in fully mechanized top-coal caving mining

推導(dǎo)求得堅(jiān)硬頂板的撓度微分方程為

式中，EI為基本頂抗彎剛度，N/m；q為頂板載荷，MPa；l為采空區(qū)半長(zhǎng)度，m。

將式(1)代入式(2)，對(duì)式(2)積分，結(jié)合彈性梁的邊界條件，得到頂板的彎矩M(x)分布公式[20]為

式中，α，ω為計(jì)算系數(shù)；k為地基剛度，Pa/m。

代入相關(guān)參數(shù)可得距o點(diǎn)不同距離時(shí)的頂板彎矩，如圖4所示。

圖4 距o點(diǎn)不同距離時(shí)的頂板彎矩值Fig.4 Roof bending moment at different distances from o point

綜放工作面頂板最大負(fù)彎矩值在采空區(qū)中部，最大正彎矩值在煤壁前方頂板中，但采空區(qū)中部彎矩絕對(duì)值大于煤壁前方頂板的彎矩值，表明頂板將在采空區(qū)中部發(fā)生斷裂，然后在煤壁上方發(fā)生破斷。

3 綜放工作面礦壓顯現(xiàn)數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

以安陽主焦煤礦2303工作面地質(zhì)條件為工程背景，采用UDEC軟件建模，以莫爾-庫侖模型為本構(gòu)模型，建立長(zhǎng)220 m，寬110 m的煤層走向模型，模型四周及底邊固定位移約束，上邊界施加13.7 MPa垂直應(yīng)力模擬上覆巖重，側(cè)壓系數(shù)取1.2。煤巖力學(xué)參數(shù)見表1，模型接觸面力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

表2 模型接觸面力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of model interface

模型沿工作面走向每5 m開挖1次(自模型左側(cè)0～40 m，180～220 m為預(yù)留邊界煤柱，40～180 m為開采區(qū)域，總計(jì)開采長(zhǎng)度為140 m，開采過程中利用UDEC程序中的support單元進(jìn)行頂板支護(hù)，支護(hù)長(zhǎng)度為4 m，支護(hù)強(qiáng)度為0.4 MPa。

3.2 模擬結(jié)果分析

工作面推進(jìn)不同距離時(shí)的應(yīng)力分布、覆巖塑性區(qū)發(fā)育范圍如圖5，6所示。

圖5 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution in different advancing distance of working face

圖6 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)塑性區(qū)發(fā)育特征Fig.6 Development characteristics of plastic zone in different advancing distances of working face

由圖5，6可知，工作面推進(jìn)20 m時(shí)，直接頂垮落，采空區(qū)上方形成錐形應(yīng)力釋放區(qū)，工作面煤壁前方及開切眼后方4 m處發(fā)生應(yīng)力積聚，應(yīng)力值為32.0 MPa，未開采時(shí)煤體中原巖應(yīng)力為16.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.98，塑性區(qū)高度、寬度分別為29.9，40.3 m；工作面推進(jìn)30 m時(shí)，基本頂發(fā)生破斷垮落，煤壁前方應(yīng)力增大到35.9 MPa，塑性區(qū)高度、寬度分別為40.9，52.0 m；工作面推進(jìn)50 m時(shí)，基本頂發(fā)生周期垮落，煤壁前方應(yīng)力值為38.5 MPa，塑性區(qū)高度、寬度分別為57.1，84.0 m；當(dāng)工作面推進(jìn)90 m時(shí)，煤壁前方應(yīng)力值為39.4 MPa，集中系數(shù)為2.43，塑性區(qū)高度、寬度分別為97.9，121.1 m，覆巖開始出現(xiàn)臺(tái)階下沉現(xiàn)象；當(dāng)工作面推進(jìn)130 m時(shí)，采空區(qū)中部被壓實(shí)，臺(tái)階下沉現(xiàn)象明顯，集中應(yīng)力達(dá)到39.8 MPa后趨于穩(wěn)定，塑性區(qū)高度、寬度分別為100.2，168.7 m，集中系數(shù)為2.46。

4 綜放工作面礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)

4.1 工作面礦壓監(jiān)測(cè)

2303工作面回采期間，工作面安裝ZF2400/ 16/24型液壓支架100架，工作面內(nèi)每10架安裝1組機(jī)械壓力表(每組安裝4塊，前、后立柱各2塊)，工作面礦壓觀測(cè)區(qū)布置如圖7所示。

圖7 2303工作面礦壓觀測(cè)區(qū)布置Fig.7 Pressure measurement layout of 2303 working face

工作面推進(jìn)130 m時(shí)工作面上部、中部、下部支架阻力變化如圖8所示。由圖8可知，工作面推進(jìn)過程中，上部支架平均工作阻力為29.4 MPa，上部基本頂在工作面推進(jìn)32.2 m時(shí)垮落，來壓期間支架阻力上升到38.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.36，推進(jìn)期間工作面上部發(fā)生5次周期來壓，平均周期來壓步距為19.3 m；中部支架平均工作阻力為29.7 MPa，基本頂在推進(jìn)31.0 m時(shí)垮落，初次來壓期間支架阻力上升至37.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.33，推進(jìn)期間工作面中部發(fā)生5次周期來壓，平均周期來壓步距為18.8 m；下部支架平均工作阻力為30.1 MPa，基本頂在推進(jìn)31.0 m時(shí)垮落，初次來壓期間支架阻力上升至38.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.38，推進(jìn)期間下部發(fā)生5次周期來壓，平均周期來壓步距為18.8 m。

圖8 2303工作面支架阻力變化Fig.8 Variation of support resistance in 2303 working face

綜上可知，工作面基本頂在31.0～32.2 m時(shí)初次破斷，來壓時(shí)支架應(yīng)力普遍為37.9～38.6 MPa，集中系數(shù)為2.33～2.38；上、中、下部平均周期來壓步距分別為19.3，18.8，18.8 m，均為19 m左右。工作面上、下部來壓強(qiáng)度較大，中部來壓強(qiáng)度較小。

4.2 工作面瓦斯監(jiān)測(cè)

2303工作面底抽巷采用穿層鉆孔治理回采區(qū)域中段煤層瓦斯；順層鉆孔治理回采區(qū)域上、下段煤層瓦斯，順層鉆孔+穿層鉆孔抽采整個(gè)開采塊段煤層瓦斯。瓦斯抽采布置如圖9所示。

圖9 2303工作面抽采鉆孔設(shè)計(jì)Fig.9 Drainage hole design in the 2303 working face

在回采巷道使用φ315 mm的PVC抗靜電軟管進(jìn)行瓦斯抽放，工作面推進(jìn)130 m過程中各瓦斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 2303工作面各巷道瓦斯抽采負(fù)壓及濃度Fig.10 Negative pressure and concentration of gas drainage in 2303 roadways

由圖10可知，工作面剛開采時(shí)，采煤量不斷增加，瓦斯?jié)舛燃肮艿缐毫粩嘣黾樱灰欢螘r(shí)間后瓦斯?jié)舛燃皦毫χ饾u趨于穩(wěn)定，未來壓時(shí)底抽巷、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷管道內(nèi)最小瓦斯?jié)舛确謩e為6.0%，6.2%，6.1%；最大瓦斯?jié)舛确謩e為16.1%，15.7%，13.9%；最小瓦斯壓力分別為13.6，13.0，13.2 kPa；最 大瓦斯壓力分別為17.8，18.6，18.2 kPa。未來壓時(shí)3條抽采管道內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.0%～16.1%，瓦斯壓力為13.0～18.2 kPa；直接頂初次垮落后，工作面煤體小范圍破裂，瓦斯加快析出，瓦斯?jié)舛燃皦毫Χ虝r(shí)間內(nèi)大幅提高，然后回歸正常水平；基本頂初次及周期來壓時(shí)，工作面煤體大范圍破裂，瓦斯大量析出，管道內(nèi)瓦斯?jié)舛?、壓力迅速大幅提升，底抽巷、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷管道內(nèi)最高瓦斯?jié)舛确謩e為23.0%，24.2%，24.6%；最大壓力分別為25.9，27.8，26.9 kPa，來壓時(shí)3條抽采管道內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?3.0%～24.6%，瓦斯壓力為25.9～27.8 kPa，當(dāng)周期來壓時(shí)，瓦斯?jié)舛燃皦毫﹄S來壓周期性起伏，但峰值點(diǎn)滯后于支架應(yīng)力峰值點(diǎn)。瓦斯壓力和濃度峰值滯后工作面上、中、下部頂板斷裂來壓距離見表3。

表3 瓦斯壓力和濃度峰值滯后頂板來壓距離Table 3 Distance of gas pressure and concentration peak lagging behind roof weighting m

由表3可知，工作面上部瓦斯壓力和濃度最高峰值滯后工作面頂板來壓距離為 0.6～1.4 m，平均滯后距離為1.1 m；中部滯后距離為0.8～1.4 m，平均滯后距離為1.1 m；下部滯后距離0.7～1.3 m，平均滯后距離為1.0 m。

綜上可知，工作面瓦斯壓力和濃度峰值滯后工作面頂板來壓平均距離為1.0～1.1 m，工作面每班進(jìn)尺為0.8 m，頂板來壓超前于瓦斯的大量涌出1.2～1.4個(gè)班時(shí)間。

工作面直接頂、基本頂初次垮落及周期來壓時(shí)，會(huì)造成前方煤體由于應(yīng)力過大趨于塑性甚至破裂，煤體中瓦斯會(huì)大量析出，進(jìn)入抽采管道，導(dǎo)致管道內(nèi)瓦斯?jié)舛?、壓力快速提升達(dá)到峰值，來壓后又迅速恢復(fù)正常水平。總體來說，瓦斯的析出、運(yùn)移與抽放和礦山壓力的顯現(xiàn)呈周期性起伏，且發(fā)生時(shí)間略滯后于來壓時(shí)間，可根據(jù)這一特性與規(guī)律，在礦壓顯現(xiàn)劇烈時(shí)，加強(qiáng)對(duì)上隅角、采空區(qū)覆巖兩帶的積聚瓦斯抽采工作，具體抽采布置如圖11所示。

圖11 瓦斯抽采布置優(yōu)化Fig.11 Optimized layout of gas drainage

如圖11所示，在工作面回風(fēng)巷距離工作面20 m 范圍內(nèi)每隔6 m左右，向上隅角采空區(qū)施工鉆孔，鉆孔連接到上隅角插管三通進(jìn)行抽放。在工作面周期來壓時(shí)，加強(qiáng)對(duì)工作面上隅角的瓦斯抽放工作，將抽放管口保留在工作面的采空區(qū)，3根φ75 mm鋼絲軟管和1根φ300 mm瓦斯抽放管進(jìn)行上隅角瓦斯抽放；來壓強(qiáng)烈時(shí)，大量工作面瓦斯容易通過支架后方空間進(jìn)入采空區(qū)，在垮落帶及裂隙帶產(chǎn)生積聚現(xiàn)象，可通過向采空區(qū)內(nèi)以不同高度、角度及位置打孔進(jìn)行瓦斯抽放工作，降低采空區(qū)瓦斯起火及爆炸危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

(1) 結(jié)合主焦煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件建立綜放頂板破斷力學(xué)模型，最大正、負(fù)彎矩值分別出現(xiàn)在煤壁上方頂板、采空區(qū)中部，對(duì)比結(jié)果表明頂板將在采空區(qū)中部發(fā)生斷裂，然后在煤壁前方發(fā)生破斷。

(2) UDEC模擬結(jié)果表明初次來壓及周期來壓分別為30，20 m，超前應(yīng)力達(dá)到39.8 MPa后趨于穩(wěn)定，集中系數(shù)為2.46。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示工作面基本頂在31.0～32.2 m時(shí)初次破斷，來壓時(shí)支架應(yīng)力為37.9～38.6 MPa，集中系數(shù)為2.33～2.38；工作面上、下部來壓強(qiáng)度較大，中部來壓強(qiáng)度較小。

(3) 正常開采期間管道內(nèi)瓦斯?jié)舛燃皦毫χ饾u趨于穩(wěn)定，未來壓時(shí)管道內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.0%～16.1%，瓦斯壓力為13.0～18.2 kPa；來壓期間抽采管道內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?3.0%～24.6%，瓦斯壓力為25.9～27.8 kPa。

(4) 瓦斯的析出、運(yùn)移和礦山壓力的顯現(xiàn)呈周期性起伏，工作面瓦斯壓力和濃度峰值滯后工作面頂板來壓平均距離為1.0～1.1 m，據(jù)此規(guī)律，對(duì)瓦斯抽采布置進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)上隅角、采空區(qū)垮落帶及裂隙帶瓦斯抽采工作，保證工作面安全開采。