深部煤巷條帶近距離底板巷卸壓增透模型研究

曹建軍

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加，深部煤層透氣性進(jìn)一步降低[1，2]，嚴(yán)重影響了深部煤巷條帶瓦斯抽采，出現(xiàn)瓦斯抽采難度大、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)、抽采效率低等問(wèn)題[3-5]。為此，國(guó)內(nèi)外研究先后提出了水力沖孔、水力壓裂、水力割縫、預(yù)裂爆破、聚能爆破、CO2預(yù)裂爆破等增透技術(shù)，這些增透技術(shù)可增加煤層透氣性，但仍存在一定的不足[6-10]，比如，深孔松動(dòng)爆破存在工藝復(fù)雜，水力壓裂存在容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，水力割縫存在卸壓范圍較小等[11-16]。因此，對(duì)深部高地應(yīng)力低透氣性煤層卸壓增透研究，是實(shí)現(xiàn)煤層高效抽采、有效防突的迫切需要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對(duì)深部開(kāi)挖圍巖破壞特征進(jìn)行了大量研究[17-20]，發(fā)現(xiàn)深部巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)分區(qū)破裂化現(xiàn)象[21，22]，且研究表明深部巷道圍巖分區(qū)破裂的破壞范圍遠(yuǎn)大于淺部。從巷道圍巖控制的角度應(yīng)盡量降低圍巖破壞變形，而從深部煤層增透的角度，深部圍巖的分區(qū)破裂化特征，不僅降低了煤巖層的地應(yīng)力，而且增大了煤層的透氣性。因此，筆者提出利用深部巷道圍巖的分區(qū)破裂現(xiàn)象，將待掘煤巷布置在底板巖巷分區(qū)破裂的卸壓影響范圍內(nèi)，提前對(duì)上覆煤巖層地應(yīng)力進(jìn)行卸壓，降低地應(yīng)力、增加煤層透氣性，如果有部分區(qū)域卸壓增透效果不佳，補(bǔ)充采用水力化技術(shù)，使煤層中的煤體在高壓水作用下得以破裂、產(chǎn)生瓦斯通道，從而實(shí)現(xiàn)提高煤層的透氣性、增加抽采效果的目的。

1 深部巷道圍巖卸壓增透機(jī)制分析

1.1 含瓦斯煤卸荷滲流實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)型煤試件(100mm×100mm×200mm)的卸荷與滲透率的變化規(guī)律，其測(cè)試瓦斯壓力為恒定值1.5MPa、圍壓為變化量(分別為σ2=σ3=4MPa、5MPa、6MPa、7MPa)。實(shí)驗(yàn)采用0.01N/s持續(xù)施加軸壓至煤樣抗壓強(qiáng)度的80%，再以0.01N/s卸荷軸壓直至煤體發(fā)生破壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，圍壓由4MPa增大至7MPa時(shí)，軸向應(yīng)力卸荷過(guò)程中滲透率K由1.93×10-15m2增加至2.51×10-15m2，增加幅度為30.05%。實(shí)驗(yàn)表明，隨著圍壓的增加，軸壓卸荷滲透率均明顯增加，揭示了卸荷可有效提高煤樣的滲透率的本質(zhì)規(guī)律。

圖1 不同圍壓試件軸壓卸荷力學(xué)與滲透性特性曲線

1.2 深部巷道開(kāi)挖圍巖卸壓增透場(chǎng)分布特征

研究表明深部巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)分區(qū)破裂現(xiàn)象，其破裂區(qū)范圍明顯大于淺部[21，22]。另外，傳統(tǒng)底板巖巷通常內(nèi)外錯(cuò)布置在待掘煤巷下方20～30m(內(nèi)外錯(cuò)平距一般為15～25m)，不能對(duì)上覆煤層形成卸壓增透效果，而將底板巖巷布置在待掘煤巷正下方可對(duì)上覆煤層起到卸壓增透效果；再者，研究表明底板巖巷圍巖應(yīng)力降幅大于5%的區(qū)域卸壓效果顯著，其卸壓影響范圍一般為巷道直徑的2～6倍[23]。因此，筆者提出將底板巖巷布置在待掘煤巷正下方對(duì)上覆煤層的卸壓增透，并將底板巖巷圍巖應(yīng)力降幅大于5%的區(qū)域稱為底板巖巷圍巖卸壓場(chǎng)，將底板巖巷對(duì)上覆煤層形成的卸壓增透影響區(qū)域稱為煤層卸壓增透場(chǎng)。以期利用底板巖巷卸壓場(chǎng)對(duì)煤巷條帶區(qū)域煤層起到卸壓增透的目的，為煤層增透提供新方法。

2 深部煤巖層底板巷卸壓增透規(guī)律研究

2.1 試驗(yàn)背景及方案

試驗(yàn)以曲江煤礦213底板巖巷為工程背景，巷道埋深980m，煤層傾角0°，平均煤厚2.86m，煤層頂板巖性主要為細(xì)砂巖、中砂巖。采用FLAC3D數(shù)值模擬及力學(xué)計(jì)算分析相結(jié)合的方法，具體方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)研究方案

根據(jù)工程背景建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。底板巖巷斷面形狀為直墻半圓拱，巷道寬4.0m、直墻高1.0m、圓拱半徑2.0m。煤巷斷面為矩形，寬×高=4.0m×3.0m，煤層埋深為1000m、厚度3m。模型傾向長(zhǎng)度(X方向)、走向(Y方向)長(zhǎng)度為均100m，網(wǎng)格為等間距劃分，大小為5.0m×5.0m×3.0m，煤巷位于模型中部，兩側(cè)煤體寬度為48m，底板巖巷與煤層間距為Δh。模型頂部為自由邊界、其余各邊均為約束邊界(即底部垂直方向和水平方向均零位移)；模型頂部為應(yīng)力邊界，模型上部巖層自重采用均布載荷加載。模型中煤巖層物理力學(xué)特性參數(shù)均為曲江煤礦實(shí)測(cè)參數(shù)，見(jiàn)表2。

圖2 三維計(jì)算模型

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

模擬分析底板巖巷位于煤層底板7.0m、11.2m、15.2m、20.2m時(shí)，底板巖巷上覆煤巖層的垂直應(yīng)力變化規(guī)律。

2.2 底板巖巷卸壓場(chǎng)

2.2.1 底板巖巷卸壓特征

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制底板巖巷上覆煤層及后方巖層的垂直應(yīng)力變化曲線如圖3所示。由圖3(a)可知，底板巖巷位于煤層底板7.0m、11.2m、15.2m、20.2m時(shí)，上覆煤層的垂直應(yīng)力逐漸降低，降幅大于5%的范圍分別為待掘煤巷兩側(cè)4.8m、5.4m、3.0m、0m。由圖3(b)可知，底板巖巷后方上覆4m、6m、8m、10m、12m圍巖垂直應(yīng)力降幅均大于5%，降幅隨著掘進(jìn)距離的增大逐漸減小，掘進(jìn)后方25m(巷道直徑的5.25倍)及以遠(yuǎn)區(qū)域垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圖3 不同位置煤、巖層垂直應(yīng)力變化幅度

2.2.2 底板巖巷的穩(wěn)定性分析

煤巷掘進(jìn)會(huì)對(duì)底板巖巷產(chǎn)生二次擾動(dòng)影響，如果底板巖巷距離煤層太近，底板巖巷存在垮塌、大量瓦斯涌入的風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)底板巖巷的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

底板巖巷與煤巷的間距為7m、11.2m時(shí)底板巖巷、煤巷先后開(kāi)挖后巖柱的垂直應(yīng)力變化幅度如圖4所示。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可知，底板巖巷掘進(jìn)后，層間距Δh=7m時(shí)同一相對(duì)位置的垂直應(yīng)力降幅明顯大于Δh=11.2m時(shí)；煤巷掘進(jìn)后，垂直應(yīng)力降幅分別呈現(xiàn)以3m、5m為中心對(duì)稱分布的規(guī)律，但Δh=7m時(shí)的垂直應(yīng)力降幅明顯大于Δh=11.2m時(shí)。進(jìn)一步分析表明，層間距Δh=7m時(shí)，底板巖巷、煤巷先后掘進(jìn)完成后巖柱均發(fā)生塑性破壞，不能維護(hù)自身的穩(wěn)定性；層間距Δh=11.2m時(shí)(巷道直徑2.8倍)，底板巖巷、煤巷先后開(kāi)挖后，仍有一定厚度的巖柱未發(fā)生塑性破壞，保持了較好的完整性。

圖4 巖柱垂直應(yīng)力變化幅度

2.3 煤層卸壓增透場(chǎng)

基于前述上覆煤層垂直應(yīng)力降幅規(guī)律研究，底板巷開(kāi)挖經(jīng)過(guò)力學(xué)作用后，可將上覆煤層劃分為卸壓破壞區(qū)、彈塑性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。卸壓破壞區(qū)垂直應(yīng)力明顯降低，該區(qū)內(nèi)煤體裂隙發(fā)育、煤層透氣性系數(shù)顯著提高，稱為顯著增透區(qū)X1。彈塑性區(qū)的煤體裂隙較小、煤層透氣性系數(shù)有所增大，稱為一般增透區(qū)X0，如圖5所示。

圖5 煤層卸壓增透分區(qū)模型

根據(jù)圍壓4MPa、氣壓1.5MPa條件下含瓦斯煤樣的軸向應(yīng)力卸荷實(shí)驗(yàn)，得出瓦斯?jié)B透率K與σ1-σ3的擬合公式，如式(1)所示。

K=A1·eB1(σ1-σ3)

(1)

式中，K為滲透率，10-15m2；A1、B1為與煤體及應(yīng)力、瓦斯相關(guān)的參數(shù)，無(wú)量綱；σ1、σ3分別為加載的軸壓和圍壓，MPa。

依據(jù)文獻(xiàn)[24]，極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系間應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

由圍巖應(yīng)力分析可知，當(dāng)xh時(shí)，第一主應(yīng)力為σy，第三主應(yīng)力為σx。因此，滲透率K和σ1-σ3的公式可整理為：

煤層的透氣性通常用煤層透氣性系數(shù)表示，煤層透氣性系數(shù)與承壓煤樣滲透率的關(guān)系為[25]：

式中，λ為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；ρ為瓦斯(CH4)的絕對(duì)粘度，取1.08×10-8N·s/cm2；Pn為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.1013MPa。

將式(3)代入式(4)，可得出煤層透氣性系數(shù)與應(yīng)力條件變化的關(guān)系為：

將曲江煤礦213底板巖巷的相關(guān)參數(shù)代入式(5)，可得底板巖巷與上覆煤層的不同層間距Δh時(shí)煤層卸壓增透表征參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。由表3可得，隨著底板巖巷與煤層距離的增大，顯著增透區(qū)、一般增透區(qū)的寬度和增透倍數(shù)均逐漸減??；當(dāng)層間距為7m時(shí)，顯著增透區(qū)、一般增透區(qū)的最大寬度分別為巷道直徑的1.1倍、3.0倍，最大增透倍數(shù)分別為原始煤層的239.3倍、11.1倍；當(dāng)層間距為18m時(shí)，上覆煤層基本無(wú)增透效果。

表3 不同位置底板巖巷上覆煤層的卸壓增透表征參數(shù)

3 深部煤巷條帶底板巷卸壓增透模型構(gòu)建

3.1 模型概況

基于深部煤巖層卸壓增透場(chǎng)特征研究，豎直方向上將底板巖巷布置在待掘煤巷正下方，二者層間距Δh一般為巷道直徑R的2～6倍，具體位置需計(jì)算確定；水平方向上將上覆煤層劃分為顯著增透壓區(qū)、一般增透區(qū)和原始煤層區(qū)，針對(duì)一般增透區(qū)、原始煤層區(qū)，采用水力化技術(shù)使煤層破壞、產(chǎn)生裂隙通道，進(jìn)一步提高透氣性，其中軟煤區(qū)域(煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5)采用水力擴(kuò)孔技術(shù)、硬煤區(qū)域(煤的堅(jiān)固性系數(shù)f>0.5)采用水力割縫技術(shù)[26]，如圖6所示。

圖6 深部煤巷條帶卸壓增透模型

3.2 模型參數(shù)確定

3.2.1 底板巖巷位置

底板巖巷和煤巷均掘進(jìn)后二者之間巖柱塑性區(qū)計(jì)算模型如圖7所示，由圖7可得，底板巖巷與煤層的合理距離為：

圖7 圍巖塑性區(qū)計(jì)算模型

Δh≥hy+hm

(6)

式中，Δh為巷道與上覆煤層垂距；m；hy、hm分別為底板巖巷和煤巷先后掘進(jìn)后的巖體的破壞深度，m。

將直角半圓拱巷道等價(jià)為圓形巷道[24]，同時(shí)考慮二次開(kāi)挖卸壓影響效應(yīng)，其計(jì)算公式變化為：

式中，δ為二次卸壓效果疊加系數(shù)，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析或模擬計(jì)算，無(wú)量綱；Ry為底板巖巷的塑性區(qū)半徑，m；Rm為煤巷的塑性區(qū)半徑，m；M、H分別為矩形巷道高度、直角半圓形巷道墻高，m。

結(jié)合式(6)、式(7)，可得底板巖巷與煤層合理距離的判別準(zhǔn)則為：

3.2.2 增透區(qū)參數(shù)

底板巖巷開(kāi)挖后，巷道圍巖可分為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，如圖8所示。

圖8 底板巖巷卸壓分區(qū)模型

假設(shè)卸壓場(chǎng)半徑為r′(即應(yīng)力降低不小于5%區(qū)域的半徑)，由圖8可知，r′位于彈性區(qū)內(nèi)，在極坐標(biāo)下，圍巖的垂直應(yīng)力及卸壓場(chǎng)半徑為：

式中，σr為極坐標(biāo)下垂直應(yīng)力，MPa；Rp為塑性區(qū)半徑，m；r′為有效卸壓區(qū)半徑，m。

結(jié)合應(yīng)力計(jì)算公式及幾何關(guān)系，其直角坐標(biāo)系下垂直應(yīng)力計(jì)算公式為：

底板巷道開(kāi)挖后，上部煤層內(nèi)吸附瓦斯變?yōu)橛坞x瓦斯，煤層內(nèi)的瓦斯應(yīng)力增大，根據(jù)煤樣卸荷實(shí)驗(yàn)可知，隨著煤體瓦斯含量的增高，其單軸抗壓強(qiáng)度將降低，其關(guān)系符合下式關(guān)系：

σc=A2+B2·p

(12)

式中，σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；A2、B2為與煤體相關(guān)的參數(shù)，無(wú)量綱；P為瓦斯壓力，MPa。

由統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則可得：

式中，α為巖石的拉壓強(qiáng)度之比，以內(nèi)摩擦角來(lái)表示為α=(1-sinφ)/(1+sinφ)，其中，φ為內(nèi)摩擦角，(°)；σz為Z方向上的應(yīng)力，MPa；b為中間主應(yīng)力影響系數(shù)，統(tǒng)一強(qiáng)度理論優(yōu)先選用0.5。

將式(11) 、式 (12)代入式(13)，并代入底板巷布置條件及上覆煤層煤體相關(guān)參數(shù)，即可求得顯著增透區(qū)寬度X1；而一般增透區(qū)寬度X0，即垂直應(yīng)力σy取得最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的水平距離，由式(11)即可求得。

4 工程應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)方案

基于上述研究，將213底板巖巷布置在待掘煤巷正下方10m處進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)煤層最大瓦斯壓力為9.0MPa、瓦斯含量為13.0～15.94m3/t、煤層透氣性系數(shù)為0.002m2/(MPa2·d)。試驗(yàn)內(nèi)容為測(cè)試213底板巖巷上覆煤巖體上下幫15m范圍內(nèi)巖層的應(yīng)力卸壓效果和煤層增透效果，見(jiàn)表4。每項(xiàng)參數(shù)均布置5個(gè)測(cè)試鉆孔，如圖9所示。

表4 試驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試方法

圖9 試驗(yàn)方案

4.2 煤巖層卸壓增透效果

213底板巖巷上覆巖層的卸壓效果和煤層的增透效果試驗(yàn)結(jié)果分別如圖10、圖11所示。由圖10(a)可得，巷道圍巖最大位移量為3.6cm，圍巖位移呈現(xiàn)“波峰”“波谷”交替出現(xiàn)的現(xiàn)象；由圖10(b)可得，巷道圍巖出現(xiàn)分區(qū)破裂現(xiàn)象，即巷道由外向內(nèi)出現(xiàn)4個(gè)破裂區(qū)，破裂區(qū)最大影響范圍為5.7m。由圖11(a)可得，卸壓煤層的煤層透氣性系數(shù)較原始煤層增加了7.0～43.2倍(增透效果較好，未采用水力化技術(shù))；由圖11(b)可得，最大單孔日均抽采量為31.1m3/d，較原始煤層(最大為7.7m3/d)增大了3倍。表明213底板巖巷上覆煤巖層卸壓增透效果顯著，試驗(yàn)結(jié)果與前述研究規(guī)律一致，驗(yàn)證了模型卸壓增透可行有效。

圖10 213底板巖巷圍巖卸壓效果

圖11 213底板巖巷上覆煤層增透效果

5 結(jié) 論

1)通過(guò)含瓦斯煤卸荷滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)合深部巷道圍巖分區(qū)破裂原理，將底板巖巷圍巖應(yīng)力降幅大于5%的區(qū)域定義為底板巖巷圍巖卸壓場(chǎng)，將上覆煤層形成的卸壓增透影響區(qū)域定義為煤層卸壓增透場(chǎng)，為深部煤巷條帶卸壓增透提供了新方法。

2)數(shù)值分析得出底板巖巷距離22m(巷道直徑的4.5倍)時(shí)上覆煤層垂直應(yīng)力基本穩(wěn)定，后方巖層在底板巖巷掘進(jìn)25m(巷道直徑的5.25倍)后趨于穩(wěn)定，底板巖巷、煤巷的間距為11.2m時(shí)(巷道直徑2.8倍)二者之間的巖柱完整性較好，得出底板巖巷最優(yōu)位置為煤層下方10m處(巷道直徑2.5倍)。

3)通過(guò)理論分析表明顯著增透區(qū)、一般增透區(qū)的寬度和增透倍數(shù)，均隨著底板巖巷與上覆煤層間距的增大而逐漸減小，當(dāng)層間距為7m時(shí)，顯著增透區(qū)、一般增透區(qū)的最大寬度分別為巷道直徑的1.1倍和3.0倍、最大增透倍數(shù)分別為原始煤層的239.3倍和11.1倍，當(dāng)層間距達(dá)到18 m時(shí)上覆煤層基本無(wú)增透效果。

4)應(yīng)用表明底板巖巷上覆煤巖層卸壓增透效果顯著，底板巖巷圍巖最大位移量為3.6cm、破裂區(qū)最大影響范圍為5.7m、煤層透氣性系數(shù)增加了7.0～43.2倍、最大單孔日均抽采量增大了3倍。