近距離煤層群走向高抽巷層位布置研究

李 忠，張慧杰，郝秀明，舒龍勇，朱南南

(1.晉能控股煤業(yè)集團興峪煤業(yè)有限責任公司，山西省陽泉市，045100；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013)

目前我國煤炭開采深度最深已達1 500 m，并且以10～25 m/a的速度向深部延伸，中東部主要礦井開采深度已達800～1 000 m[1]。隨著開采深度的增加，高地應力、高地溫、高巖溶水壓的力學特征顯著[2]，由此導致了高瓦斯含量、低透氣性的工程問題，礦井瓦斯涌出量逐步增加，高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井數(shù)量越來越多，尤其對于近距離煤層群條件礦井，瓦斯治理成為越發(fā)突出的技術難題[3-4]。煤與瓦斯共采是煤層群安全開采的典型方法[5]，走向高抽巷作為一種成熟的鄰近層瓦斯抽采方法被廣泛應用于近距離煤層群煤礦，并取得顯著成效。朱紅青、楊宏民、張慧杰等[6-10]均對走向高抽巷的布置層位等關鍵參數(shù)開展了研究，為本研究提供了參考。

陽泉礦區(qū)是典型的近距離煤層群，是國內瓦斯涌出量最大的礦區(qū)之一[11]，筆者總結了走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯的作用原理，基于裂縫帶高度經(jīng)驗公式及關鍵層理論，提出走向高抽巷層位的理論計算方法，并統(tǒng)計陽泉礦區(qū)已有典型走向高抽巷的層位布置及抽采效果，以期為走向高抽巷層位布置提供技術支撐。

1 走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯作用原理

長壁垮落法回采工作面受采動影響會形成“橫三帶”及“縱三帶”[12]，其中“縱三帶”又包含“頂三帶”及“底三帶”，對于采空區(qū)上覆巖層，則形成由垮落帶、裂縫帶及彎曲下沉帶組成的“頂三帶”。在覆巖運動形成“頂三帶”過程中，在地應力作用下離層裂隙不斷發(fā)育，導致裂隙場不斷演化，形成通過裂隙網(wǎng)絡連通的“O”形圈[13]，同時，裂隙的生成及擴展導致含瓦斯煤巖自由空間不斷增加，游離瓦斯的壓力降低造成了瓦斯壓力梯度的產(chǎn)生，促進瓦斯解吸，形成瓦斯富集區(qū)；因而，將走向高抽巷布置于裂縫帶“O”形圈范圍內，則可實現(xiàn)卸壓抽采，走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯作用原理如圖1所示。

圖1 走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯作用原理

采動覆巖裂隙的“O”形圈分布特征是指導走向高抽巷抽采卸壓瓦斯的理論基礎。受采動影響，采空區(qū)上方關鍵層以下煤巖層逐一破斷，待煤巖層下沉一定時間后，最終形成環(huán)繞工作面的采動裂隙“O”形圈。在此基礎上，李樹剛[14]通過開展綜放開采物理模擬試驗發(fā)現(xiàn)，上覆巖層的采動裂縫帶呈現(xiàn)橢圓拋物面形狀，提出了覆巖裂隙的橢拋帶動態(tài)分布；林海飛[15]繼而建立了“采動裂隙圓角矩形梯臺帶”工程簡化模型，描述了采動裂縫帶的動態(tài)演化過程。采動裂隙演化規(guī)律及高抽巷布置如圖2所示。

圖2 采動裂隙演化規(guī)律及高抽巷布置示意

瓦斯在采動覆巖內的流動形式為滲流，根據(jù)雷諾數(shù)Re的不同可分為線性層流(1≤Re≤10)、非線性層流(10100)，其瓦斯流動可分別采用達西定律和非線性滲透定律描述：

(1)

式中：qn——n點處的比流量，m3/(m2·d)；

m——指數(shù)，取值范圍為1～2，若m取1，則為達西定律，若m取大于1，則為非線性滲透定律；

P——瓦斯壓力的平方，MPa2；

λ——煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)。

2 走向高抽巷層位的理論計算方法

2.1 基于經(jīng)驗公式的走向高抽巷層位確定

走向高抽巷的抽采效果與“O”形圈分布密切相關，巷道層位需依據(jù)采動覆巖的裂縫帶高度確定，布設層位Hg應滿足下式[16]：

Hm

(2)

式中：Hm——垮落帶高度，m；

Hg——高抽巷布設層位，m;

Hl——裂縫帶高度，m。

垮落帶高度可由下式確定：

(3)

式中：M——工作面回采高度，m；

k——垮落巖石平均碎脹系數(shù)；

α——煤層傾角，(°)。

裂縫帶高度可由以下經(jīng)驗公式確定：

(4)

式中：a、b、c——常數(shù)，可由表1確定。

表1 常數(shù)取值

將式(3)和(4)代入式(2)，可得：

(5)

2.2 基于關鍵層理論的走向高抽巷層位確定

走向高抽巷的層位還可通過關鍵層定量判別確定，一般而言，裂縫帶高度受關鍵層控制。許家林[17]提出以破斷距作為判斷指標來確定關鍵層，關鍵層判斷方法敘述如下。

2.2.1 確定堅硬巖層

自下而上分析巖層的載荷，假設第1層巖層為堅硬巖層，1～m層巖層均與之協(xié)調變形，則考慮到第m層巖層對第1層堅硬巖層的作用載荷為：

(6)

式中：q1(x)m——第m層巖層對第1層堅硬巖層的作用載荷，MPa；

hi——第i巖層的厚度，m；

γi——第i巖層的容重，MN/m3；

Ei——第i巖層的彈性模量，MPa。

假設第m+1層巖層不與第1層堅硬巖層協(xié)調變形，則

q1(x)m+1

(7)

將式(6)代入式(7)，可得堅硬巖層的判別公式：

(8)

可據(jù)此方法依次計算出第1層到第m層堅硬巖層。

2.2.2 計算破斷距

自下而上第k層硬巖層的破斷距l(xiāng)k可按以下公式計算：

(9)

式中：hk——第k層硬巖層的厚度，m；

σk——第k層硬巖層的抗拉強度，MPa；

qk——第k層硬巖層所承受的載荷，MPa。

其中，qk可按下式計算：

(10)

式中：j——第k組巖層中的第j層巖層；

mk——第k組巖層的巖層數(shù)量；

Ek,j——第k組巖層第j層巖層的彈性模量，MPa；

hk,j——第k組巖層第j層巖層的厚度，m；

γk,j——第k組巖層第j層巖層的容重，MN/m3；

Ek,0——第k組巖層中第1層硬巖層的彈性模量,MPa;

hk,0——第k組巖層中第1層硬巖層的厚度,m。

2.2.3 關鍵層判斷

按照堅硬巖層的破斷距確定關鍵層位置的判別流程如圖3所示。

圖3 關鍵層判別流程(以三層硬巖為例，據(jù)許家林)

3 近距離煤層群走向高抽巷層位布置效果分析

3.1 陽泉礦區(qū)概況

陽泉礦區(qū)位于山西省沁水煤田東北部，煤種主要為無煙煤，是全國瓦斯涌出量最大、瓦斯突出事故頻率最高的礦區(qū)之一。陽泉礦區(qū)屬低透氣性煤層群條件，礦區(qū)內煤層包括3、6、8上、8、9、12、13、15、15下號煤層，3號、15號煤層屬穩(wěn)定可采煤層。15號煤層厚度3.53～9.50 m，煤層瓦斯壓力為0.25～2.30 MPa，瓦斯含量7.13～26.73 m3/t，礦井相對瓦斯涌出量最大達64 m3/t，礦井絕對瓦斯涌出量最大達600 m3/min，尤為重要的是，礦井瓦斯涌出量中鄰近層瓦斯涌出量的占比超過80%。為解決鄰近層瓦斯涌出問題，走向高抽巷作為一種經(jīng)長期試驗效果良好的抽采技術被廣泛采用。

3.2 走向高抽巷布置層位確定

3.2.1 依據(jù)經(jīng)驗公式確定裂縫帶高度范圍

依據(jù)式(3)，工作面回采高度M取6.3 m，垮落巖石平均碎脹系數(shù)k取1.2，煤層傾角取10°，則垮落帶高度Hm為31.99 m；依據(jù)式(4)，陽泉礦區(qū)15號煤層上覆巖層屬中硬或堅硬，若按中硬計算，a取1.6，b取3.6，c取5.6，則裂縫帶高度Hl為51.65m，若按堅硬計算，a取1.2，b取2.0，c取8.9，則裂縫帶高度Hl為74.80 m。

為保證取值合理，按計算結果的并集取值，布設層位Hg滿足：31.99 m

3.2.2 依據(jù)關鍵層理論判別堅硬巖層

以陽泉礦區(qū)興峪礦為例，X-4號地勘鉆孔15號煤層上覆巖層分布見表2(序號按巖層由上而下遞增)。由于煤巖層物理力學參數(shù)獲取的局限性，無法對興峪礦15號煤層上覆所有巖層進行分析，也就無法確定關鍵層，但是根據(jù)這一方法判斷出堅硬巖層也對裂縫帶高度的確定有指導作用。通過式(8)計算自下而上的巖層參數(shù)，可得15號煤層上覆第6層細砂巖和第20層中砂巖是堅硬巖層。

表2 興峪礦15號煤層上覆巖層賦存特征

續(xù)表2

3.2.3 走向高抽巷合理層位理論分析

15號煤層上覆兩層堅硬巖層，第1層堅硬巖層與15號煤層平均間距25.94 m，小于經(jīng)驗公式計算的垮落帶高度31.99 m，該堅硬巖層對于走向高抽巷布置不具有指導意義；第2層堅硬巖層與15號煤層平均間距79.38 m，略大于經(jīng)驗公式計算的裂縫帶高度74.80 m，該堅硬巖層層位對于裂縫帶高度確定具有關鍵作用?；诮?jīng)驗公式及關鍵層理論計算結果可知，位于15號煤層上方約79.38 m的中砂巖可作為裂縫帶頂部的標志層，高抽巷應在該堅硬巖層下方合適的層位處布置。

3.3 陽泉礦區(qū)走向高抽巷層位布置效果分析

走向高抽巷在陽泉礦區(qū)的應用十分廣泛，總結已有實踐經(jīng)驗對于不同地質條件下走向高抽巷的層位布置具有借鑒意義。統(tǒng)計陽泉礦區(qū)已有典型走向高抽巷的層位布置及抽采效果見表3。由表3可知，陽泉礦區(qū)以往走向高抽巷的布置基本符合本次理論分析的合理層位。為研究不同層位布置對抽采效果的影響規(guī)律，以高抽巷與15號煤層的層間距、層間距與煤厚的比值分別作橫坐標，抽采量與抽采濃度作縱坐標，陽泉礦區(qū)不同層位走向高抽巷抽采參數(shù)對比見圖4。

表3 陽泉礦區(qū)典型走向高抽巷層位布置及抽采效果統(tǒng)計

圖4 陽泉礦區(qū)不同層位走向高抽巷抽采參數(shù)對比

由圖4(a)可知，在層間距由30 m增加至80 m期間，瓦斯?jié)舛瘸式档挖厔萸易兓吘?，抽采瓦斯混合量快速增大，抽采瓦斯純量緩慢增大，變化趨勢的拐點均為層間距約70 m處；由圖4(b)可知，隨層間距與煤厚比值自4.5增加至12.5，瓦斯?jié)舛瘸式档挖厔萸易兓吘?，抽采瓦斯混合量與抽采純量均先增大后減小，且拐點處對應的層間距與煤厚比為9.5左右。抽采濃度與抽采流量與走向高抽巷層位的變化和裂隙發(fā)育程度有關，在層間距由30 m增加至80 m時，距離15號煤層上覆第2層堅硬巖層由遠及近，推測離層裂隙發(fā)育程度呈增加趨勢，堅硬巖層下方一定距離處為裂隙最為發(fā)育的區(qū)域。