厚煤層強采動覆巖卸壓瓦斯富集特征精準(zhǔn)探測技術(shù)

孫寶強，李 鑫，范富槐

（1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

我國大部分煤炭資源開采屬于井工開采，在煤炭開采過程中，煤層開采厚度分為不同厚度等級，厚煤層是指單層可采煤層厚度在3.5～8.0 m[1]；綜放開采工作面不同于其他開采方法，割煤機割煤時煤壁瓦斯釋放出一部分，窗口放煤時，吸附瓦斯解吸成游離瓦斯，涌出量很大；在割煤機與放煤同時進行時，卸壓瓦斯大量涌出，這是瓦斯擴散、升浮和富集最快的時間，威脅礦井工作面的安全高效生產(chǎn)[2-3]。在各類煤礦事故中，瓦斯事故以及瓦斯事故造成的死亡人數(shù)占比都是很大的，瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)中主要面臨的災(zāi)害之一[4-7]。

玉華煤礦2407 工作面具有典型的厚煤層特征，工作面采用放頂煤開采，采放比（放采比）接近于1∶2，采高為3 m，放煤厚度為4.5 m，支架上方窗口放煤時，對煤層上覆巖層影響程度較強；支架前移后，覆巖層大面積垮落，對上覆巖層影響較大。隨著工作面回采，有些離層裂隙重新被壓實，裂隙閉合，沒有留下空間；有些則是通過豎向破斷裂隙相互貫通，縱橫交錯分布形成空間裂隙場，這些裂隙主要分布在工作面兩側(cè)，頂部為橫向離層裂隙貫通兩側(cè)裂隙[8-10]，為卸壓游離瓦斯上浮富集提供了空間[11-12]。探測采動覆巖卸壓瓦斯富集區(qū)可為解決生產(chǎn)工作面瓦斯超限問題及提供指導(dǎo)，進而實現(xiàn)煤及伴生資源安全、綠色和科學(xué)共采[13-15]。因此，采用多功能鉆孔探測設(shè)備，對玉華煤礦綜放工作面厚煤層上覆巖層的裂隙發(fā)育規(guī)律與裂隙區(qū)不同層位中瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布特征進行研究，目的在于解決瓦斯涌出嚴(yán)重的問題，對井下工作人員的安全防護、控制工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)、抑制采空區(qū)瓦斯涌出以及瓦斯抽采費用的節(jié)約都有很大的現(xiàn)實意義。

1 采動裂隙場中卸壓瓦斯富集原理

1.1 試驗礦井概況

玉華煤礦2407 工作面走向煤層厚度大約為3～12 m，煤層平均厚度7.5 m，屬于厚煤層，4-2#煤層該面埋深509.6～686 m，一般埋深585 m，采用綜采放頂煤開采方法，工作面采用“U”型通風(fēng)，設(shè)計采用一面兩巷布置，即運輸巷、回風(fēng)巷，工作面走向長度1 650 m，工作面傾向?qū)挾?40 m。煤層瓦斯含量最大為5.4 m3/t，最小含量3 m3/t，平均值4.2 m3/t，最大瓦斯解吸量2.7 m3/t，最小量0.69 m3/t，平均值1.695 m3/t，預(yù)測2407 回采工作面瓦斯相對涌出量為7.49 m3/t。

1.2 采動覆巖斷裂帶發(fā)育高度理論

玉華煤礦2407 工作面埋深平均在600 m 左右，該工作面采用整層走向長壁采煤法開采煤層，沿著煤層頂板垂直高度有經(jīng)典的豎三帶理論，由于關(guān)鍵層的影響，彎曲下沉帶不是很明顯，主要以煤層上覆巖層的垮落帶和斷裂帶[16]為研究對象。玉華煤礦典型2407 工作面煤層頂板多為深灰-灰黑色粉砂巖，薄層狀，含植物化石，偶夾煤線及炭質(zhì)泥巖薄層，局部為砂質(zhì)泥巖，巖石抗壓強度大于40 MPa，屬于堅硬基巖層。采動覆巖覆巖層經(jīng)歷過卸壓，采動覆巖垮落帶高度Hm和斷裂帶高度Hf計算如下：

式中：M 為采厚，m。

2407 工作面平均煤厚7.5 m，由式（1）、式（2）計算出采動覆巖垮落帶高度為28.18～37.59 m，斷裂帶高度為73.45～96.43 m。

1.3 厚煤層強采動卸壓瓦斯富集特征

根據(jù)其他學(xué)者的實驗室相似模擬實驗研究的裂隙場與數(shù)值模擬實驗研究[17-21]，結(jié)合瓦斯升浮現(xiàn)象和采動裂隙場中卸壓瓦斯運移規(guī)律，采動上覆巖層由于受采動影響，覆巖會由于自身重力發(fā)生拉變形產(chǎn)生離層為主的橫向離層裂隙，隨著工作面繼續(xù)推進，巖層變形破壞成為以剪切破壞為主的豎向破斷，會形成豎向破斷裂隙，因采動影響，工作面上覆巖層存在滯后性，但與工作面采動距離又存在動態(tài)關(guān)聯(lián)，隨著覆巖巖層之間裂隙動態(tài)演化，最終形成穩(wěn)定的采動裂隙場，并隨著回采面推進，沿工作面走向不斷演化發(fā)育。在此過程中富集的卸壓瓦斯也通過裂隙網(wǎng)絡(luò)進入裂隙發(fā)育區(qū)域，卸壓瓦斯富集區(qū)域亦隨采動動態(tài)變化。因此，進一步將卸壓瓦斯在裂隙場中富集特征分為：卸壓瓦斯擴散流動、卸壓瓦斯縱向擴散升浮和水平瓦斯富集，采動裂隙場中卸壓瓦斯富集特征如圖1。

圖1 采動裂隙場中卸壓瓦斯富集特征Fig.1 Enrichment characteristics of pressure relief gas in mining fracture field

依據(jù)工作面采動覆巖破斷運移“三帶”理論，在垮落帶和斷裂帶內(nèi)的瓦斯主要主要來自鄰近煤層、本煤層及落煤解吸、釋放的瓦斯。在垂直方向上，由于瓦斯比空氣輕，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在裂隙區(qū)呈現(xiàn)層狀分布，并隨開采煤層底板距離的增大而增大。在傾向上，受礦井通風(fēng)的影響，回風(fēng)側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高，且在隅角位置會形成渦流區(qū)域，通風(fēng)稀釋不了全部瓦斯，造成上隅角瓦斯極易超限。

在垮落帶內(nèi)，隨著工作面采動覆巖垮落后將重新壓實、穩(wěn)定；因此工作面回風(fēng)進入采空區(qū)的距離是一定的，回風(fēng)驅(qū)動瓦斯只能進入采空區(qū)一定距離，該區(qū)域內(nèi)卸壓瓦斯擴散流動形態(tài)存在。大部分瓦斯因其升浮現(xiàn)象以及體積分?jǐn)?shù)梯度差的從采空區(qū)向采動裂隙區(qū)進入裂隙場的縱向滲透區(qū)和水平滲透區(qū)，其中水平滲透區(qū)主要以富集為主，裂隙主要以離層張拉裂隙為主，豎向破斷裂隙較少，且貫通采空區(qū)，所以該區(qū)域內(nèi)為卸壓瓦斯縱向擴散升浮和水平瓦斯富集。因此在布置高位鉆孔抽采瓦斯時，在高濃瓦斯富集區(qū)域內(nèi)進行抽采，采場漏風(fēng)少，水平抽采范圍大，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)高。

2 采動覆巖卸壓瓦斯富集區(qū)鉆孔探測

2.1 多功能鉆孔探測方案

在2407 工作面回風(fēng)巷高位走向鉆場中施工探測鉆孔，結(jié)合前文理論計算確定的裂隙發(fā)育高度范圍及相關(guān)學(xué)者的研究[17]，確定探測孔水平平距為45 m，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)計鉆孔布置方式，探測孔回風(fēng)側(cè)三維空間布置圖如圖2，鉆孔布置參數(shù)見表1。

圖2 探測孔回風(fēng)側(cè)三維空間布置圖Fig.2 Three dimensional space layout of return air side of detection hole

表1 鉆孔布置參數(shù)Table 1 Borehole layout parameters

以探測鉆孔的鉆場為空間三維坐標(biāo)的原點，建立空間直角坐標(biāo)系，在發(fā)現(xiàn)探測鉆孔孔壁出現(xiàn)破壞、發(fā)育裂隙及鉆孔中不同層位瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化時，確定此位置的空間坐標(biāo)，在工作面距探測孔24 m時，探測孔中出現(xiàn)裂隙，根據(jù)周期來壓步距為25 m，界定為探測階段的第1 次周期來壓。

2.2 鉆孔探測采動覆巖破壞裂隙演化特征

隨著工作面回采，超前布置的走向高位抽采孔會受采動影響，在每次周期來壓步距內(nèi)，每個探測孔裂隙演化形態(tài)以一定的規(guī)律存在。因此，結(jié)合多功能鉆孔探測結(jié)果進行分析，可以得到其監(jiān)測期間內(nèi)演化特征。

從界定的監(jiān)測期間第1 次周期來壓到工作面推進超過探測孔終孔位置大約50 m 時，采動工作面在探測期間發(fā)生了4 次周期來壓，3 個探測孔破壞程度不一。在1#探測孔孔深為28.02、31.87 m 的位置，1#探測孔出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，不能繼續(xù)探測。2#探測孔在孔深30.45～60.94 m 范圍內(nèi)，離層裂隙和豎向破斷裂隙充分發(fā)育直至出現(xiàn)縮孔，不能探測。3#探測孔在孔深53.25～76.14 m 位置處出現(xiàn)離層以及整個孔壁破碎。在4 個周期來壓過程中，低位孔、中位孔和高位孔隨著工作面推進，覆巖裂隙演化程度逐漸增大，結(jié)合理論計算裂隙發(fā)育高度為75～85 m，該區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)梯度范圍為70%以上，第1 次、第2次、第3 次周期來壓內(nèi)探測孔內(nèi)裂隙發(fā)育特征如圖3～圖5。通過對監(jiān)測期間的裂隙演化較明顯的3 次周期來壓過程進行分析，得出的探測孔裂隙形態(tài)分布特征見表2。

表2 探測孔裂隙形態(tài)分布特征Table 2 Fracture morphology and distribution characteristics of exploratory boreholes

圖3 第1 次周期來壓內(nèi)探測孔內(nèi)裂隙發(fā)育特征Fig.3 Characteristics of fracture development in the probe holes in first cycle

圖4 第2 次周期來壓內(nèi)探測孔內(nèi)裂隙發(fā)育特征Fig.4 Characteristics of fracture development in the probe holes in the second cycle

圖5 第3 次周期來壓內(nèi)探測孔內(nèi)裂隙發(fā)育特征Fig.5 Characteristics of fracture development in the probe holes in the third cycle

結(jié)合理論計算和前人關(guān)于采動覆巖裂隙演化特征的分析，利用多功能鉆孔探測工具，得到了隨采動覆巖破壞與鉆孔破壞演化對應(yīng)特征。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，隨工作面采動，由工作面上覆巖在周期來壓步距內(nèi)鉆孔中裂隙演化特征來反演覆巖裂隙演化特征，周期來壓過程中鉆孔探測裂隙演化如圖6。

圖6 周期來壓過程中鉆孔探測裂隙演化Fig.6 Fracture evolution of borehole detection during cyclic pressure

根據(jù)采動裂隙鉆孔的探測，2407 工作面在4 個周期來壓步距內(nèi)，受采動影響，回風(fēng)側(cè)裂隙區(qū)演化形態(tài)為：先以巖層橫向離層裂隙演化為主，隨著工作面的繼續(xù)推進，巖層之間發(fā)生豎向破斷，貫通離層裂隙，形成縱橫交錯的裂隙網(wǎng)。

2.3 采動裂隙場中卸壓瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布特征

在鉆孔觀測過程中，根據(jù)鉆孔探測儀自帶的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鬟M行覆巖不同層位瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測。3 個探測孔在第1 個周期來壓過程中，探測孔中瓦斯體積分?jǐn)?shù)在6%～40%范圍內(nèi)，平均為15.17%。主要原因是：受采動影響，煤層卸壓游離瓦斯解析，上覆巖層出現(xiàn)微破裂并繼續(xù)演化發(fā)育成裂隙以及大破斷，在覆巖應(yīng)力重新分布后，工作面巷道兩側(cè)區(qū)域為裂隙充分發(fā)育區(qū)，中間為壓實區(qū)，沿著走向來看，厚煤層采動裂隙場回風(fēng)側(cè)卸壓瓦斯經(jīng)過擴散-升浮-富集，具有滯后性，隨采動工作面第1 次周期來壓步距內(nèi)擴散升浮基本在瓦斯流動擴散區(qū)，第2 次周期來壓步距內(nèi)，卸壓瓦斯沿著縱向開始運移富集，瓦斯體積分?jǐn)?shù)增大比較明顯，工作面走向探測孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化如圖7。

從圖7 可以看出，在第2 次周期來壓步距內(nèi)，3 個探測孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)都明顯增高，尤其是3#探測孔，瓦斯體積分?jǐn)?shù)增長最快，說明在工作面推進過程中，卸壓瓦斯在覆巖空間層位開始了富集，并寄存下來。

圖7 工作面走向探測孔內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化Fig.7 Change of gas concentration in detection hole of working face direction

眾所周知，采動覆巖裂隙演化機理中裂隙演化發(fā)育至一定高度，采動裂隙不再發(fā)育，裂隙之間通過豎向破斷裂隙和橫向離層裂隙相互貫通，待原巖應(yīng)力穩(wěn)定后，采動覆巖裂隙場發(fā)育形態(tài)為：兩側(cè)的裂隙充分發(fā)育區(qū)、中部壓實區(qū)和頂部離層發(fā)育區(qū)；3#探測孔終孔層位屬于頂部離層發(fā)育區(qū)域，兩側(cè)的豎向破斷裂隙和離層裂隙相互貫通，作為瓦斯流動通道，瓦斯通過升浮-擴散-富集到頂部離層區(qū)域，瓦斯體積分?jǐn)?shù)可達90%，屬于高濃瓦斯富集區(qū)。

根據(jù)周期來壓對檢測瓦斯體積分?jǐn)?shù)進行劃分，距離煤層高度不同層位瓦斯分布如圖8。

圖8 距離煤層高度不同層位瓦斯分布Fig.8 Gas distribution in different layers from the height of coal seam

由圖8 可知，在工作面推進至終孔位置24 m 范圍內(nèi)即第1 個周期來壓步距內(nèi)，1#觀測孔孔內(nèi)檢測到18%～25%之間，在第2～第4 個周期來壓步距內(nèi)，1#探測孔在距離煤層頂板20～40 m 之間瓦斯體積分?jǐn)?shù)在45%～70%，2#探測孔在剛開始檢測期間即第1 個周期來壓布局內(nèi)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在10%以下，比較低。在第2～第4 個周期來壓步距內(nèi)，距離煤層頂板40～60 m 范圍內(nèi)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)急劇增高，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在40%以上；1#、2#探測孔在4 個周期來壓步距內(nèi)，卸壓瓦斯屬于卸壓瓦斯縱向升浮階段。

由圖8（c）可知，3#探測孔在監(jiān)測初期（第1 個周期來壓步距內(nèi)）瓦斯體積分?jǐn)?shù)在5%以下。在煤層頂板55～80 m 范圍內(nèi)，第2～第4 個周期來壓步距內(nèi)急劇富集增高，在橫向離層裂隙區(qū)富集形成高濃瓦斯富集區(qū)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在70%～90%之間，屬于高濃瓦斯富集區(qū)。富集時間通過周期來壓步距表征為第2 個周期來壓步距內(nèi)開始富集，到第3 個周期來壓步距結(jié)束時，瓦斯富集體積分?jǐn)?shù)高達70%以上。

根據(jù)鉆孔監(jiān)測采動覆巖裂隙場空間形態(tài)分布特征及瓦斯數(shù)據(jù)，采用MALAB 編程軟件繪制瓦斯富集區(qū)示意圖，瓦斯富集區(qū)三維模型如圖9。由圖9 可知，可以將卸壓瓦斯富集過程按瓦斯體積分?jǐn)?shù)梯度優(yōu)化拓展為：瓦斯擴散升浮區(qū)、豎向瓦斯升浮區(qū)和高濃瓦斯富集區(qū)。因此，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果2407 工作面厚煤層采動覆巖高濃瓦斯富集區(qū)位于工作面傾向10～45 m，高度為68.18～85 m（8～10 倍采高）范圍內(nèi)。

圖9 瓦斯富集區(qū)三維模型Fig.9 Three dimensional model of gas enrichment area

3 工程驗證

3.1 瓦斯鉆孔布置方式

沿著工作面里段180 m（1 728～1 908 m），采用高位走向大直徑鉆孔瓦斯治理模式。沿工作面走向布置不同層位的2 排鉆孔：高位孔和低位孔，每組7個，共14 個孔（孔徑133 mm），低位孔布置在斷裂帶中下部，低位孔終孔位置在煤層頂板以上50 m 處，主要抽采裂隙場擴散-升浮區(qū)瓦斯；高位孔布置在高濃瓦斯富集區(qū)位置，終孔位于在煤層頂板以上70 m 處，主要抽采富集區(qū)的高濃瓦斯；通過對鉆孔區(qū)布置，并檢查其效果對其進行分區(qū)驗證。高位走向大直徑鉆孔布置層位如圖10。

圖10 高位走向大直徑鉆孔布置層位Fig.10 Layout horizon of high-level strike largediameter boreholes

3.2 瓦斯抽采效果

隨著工作面的不斷推進，走向鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)呈先上升后穩(wěn)定趨勢，布置在高濃瓦斯富集區(qū)的高位孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均為72.12%，而處于卸壓瓦斯升浮區(qū)的低位孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均為27.45%，證實了厚煤層卸壓瓦斯富集區(qū)域識別是精準(zhǔn)的，高低層位鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比如圖11。

圖11 高低層位鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比Fig.11 Comparison of gas concentration in boreholes at high and low horizons

瓦斯涌出及抽采情況如圖12。監(jiān)測期間回采工作面瓦斯涌出總量最高達63.22 m3/min，涌出瓦斯量平均為44.61 m3/min；其中高位走向大直徑鉆孔抽采瓦斯純量最高達53.86 m3/min，平均為34.89 m3/min，占瓦斯涌出總量的78.21%；工作面風(fēng)排瓦斯純量最高達14.34 m3/min，平均為9.71 m3/min，占瓦斯涌出總量的21.79%。工作面瓦斯抽采率基本在60%以上，特別是走向大直徑高位鉆孔啟用期間，卸壓瓦斯抽采率大大提高，最高達90%，平均瓦斯抽采率高達76.64%，基本可以實現(xiàn)了煤與瓦斯的高效共采。高位鉆孔瓦斯抽采率如圖13。

圖12 瓦斯涌出及抽采情況Fig.12 Gas emission and extraction

圖13 高位鉆孔瓦斯抽采率Fig.13 Gas extraction rate of high-level borehole

在精準(zhǔn)設(shè)計抽采瓦斯富集區(qū)中瓦斯之后，回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本低于0.5%，平均為0.39%，可以看出通過采用高位走向鉆孔抽采卸壓瓦斯，可以有效控制工作面瓦斯涌出，實現(xiàn)了厚煤層回采工作面的安全開采。

4 結(jié) 語

1）構(gòu)建了現(xiàn)場探測采動覆巖裂隙演化特征的探測方案；分析得到了采動裂隙場裂隙區(qū)裂隙演化形態(tài)：先以巖層橫向離層裂隙演化為主，隨推進，巖層之間發(fā)生豎向破斷，貫通離層裂隙，形成縱橫交錯的裂隙網(wǎng)。

2）優(yōu)化拓展了厚煤層強采動裂隙場中卸壓瓦斯富集規(guī)律。沿著走向來看，厚煤層采動裂隙場回風(fēng)側(cè)卸壓瓦斯經(jīng)過擴散-升浮-富集到裂隙場中，具有滯后性，隨采動影響在第2 次周期來壓步距內(nèi)卸壓瓦斯運移富集程度明顯；沿著垂直方向，將空間劃分為：瓦斯擴散流動區(qū)、豎向瓦斯升浮區(qū)和高濃瓦斯富集區(qū)。

3）通過現(xiàn)場實測確定了裂隙區(qū)卸壓瓦斯富集區(qū)的三維空間體積分?jǐn)?shù)分布特征，指導(dǎo)了高位走向大直徑鉆孔抽采卸壓瓦斯工程實踐。瓦斯抽采效果較好，瓦斯抽采率高達76.64%，確保工作面及回風(fēng)巷的瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.5%以下，有效解決了上隅角瓦斯超限等問題，最大程度保證了工作面安全的回采。