基于主應(yīng)力判定的高位鉆孔抽采瓦斯參數(shù)優(yōu)化研究*

馮培云 張嘉勇 武建國 關(guān)聯(lián)合

（1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

0 引言

隨著煤層賦存深度的增加，礦井瓦斯涌出量普遍增大，工作面瓦斯超限事故頻發(fā)，嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn)能力，威脅礦井生產(chǎn)安全［1］。高位鉆孔抽采是治理采空區(qū)瓦斯異常涌出的主要技術(shù)措施之一，但因煤層賦存條件復(fù)雜，抽采鉆孔參數(shù)缺乏精準(zhǔn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，影響了瓦斯治理效果。為了提升高位鉆孔抽采治理采空區(qū)瓦斯的效果，需要準(zhǔn)確掌握采空區(qū)覆巖“三帶”分布規(guī)律，確定抽采鉆孔位置參數(shù)。

多年以來，我國廣大科技工作者不斷努力探索，王福厚［2］提出了“三帶”理論計(jì)算及現(xiàn)場考察方法，結(jié)果可為高位鉆孔抽放參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。唐一博等［3］應(yīng)用數(shù)值模擬分析了“豎三帶”法向分布范圍，優(yōu)化了布置鉆場鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了工作面上隅角的瓦斯抽放率。韓彪［4］以經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬得出了“三帶”高度，設(shè)計(jì)了高位鉆孔且抽采效果穩(wěn)定。因此，研究工作面回采不同距離時(shí)上覆巖層應(yīng)力變化及巖層破壞、裂隙擴(kuò)展規(guī)律，及時(shí)準(zhǔn)確獲得“三帶”高度，能為高位鉆孔終孔層位的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)［5-11］。

本文以某煤礦3185工作面為研究對(duì)象，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法，研究了3185工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，綜合判定覆巖“三帶”分布范圍，并通過對(duì)比不同終孔位置的抽采效果，驗(yàn)證了采用主應(yīng)力判定“三帶”高度的合理性，為高位鉆孔位置參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 工作面概況

3185工作面所采煤層為9煤層，煤層厚度為1.3~3.75 m，平均厚度為2.5 m，傾角為4°~29°，平均傾角為17°。煤層穩(wěn)定，但局部有0.5 m夾矸（巖性為深灰色粉砂巖，破碎，裂隙發(fā)育）。煤層物理特征為光亮型，結(jié)構(gòu)松散，呈粉末狀。

2 理論計(jì)算

通過巖層柱狀圖可得到，此煤層頂板為粉砂巖，應(yīng)選擇垮落帶與裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式中適用于中硬巖石的公式來計(jì)算覆巖垮落帶與裂隙帶高度。

2.1 垮落帶高度計(jì)算

式中HM為垮落帶高度，m；h為工作面采高，m。

3185煤層厚度為2.5 m，運(yùn)用式（1）計(jì)算后可得，3185工作面垮落帶高度在5.93~10.33 m，垮落帶最低為距煤層頂板5.93 m，垮落帶最高為距煤層頂板10.33 m。

2.2 裂隙帶高度計(jì)算

式中HD為裂隙帶高度，m；h為工作面采高，m。

將煤層厚度帶入式（2）計(jì)算后可得，3185工作面裂隙帶高度在27.29~38.49 m高度范圍內(nèi)，裂隙帶最大高度為38.49 m。

3 數(shù)值模擬及其分析

3.1 軟件介紹

目前，ANSYS已經(jīng)集成化為能進(jìn)行多種分析的軟件平臺(tái)，包括靜力分析、模態(tài)分析、線性屈曲等，在鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、橋梁穩(wěn)定性、隧道開挖支護(hù)及邊坡穩(wěn)定性等工程中得到廣泛應(yīng)用，適用于巖土的彈塑性模型，能較好地模擬巖土的彈塑性特性，為科研人員提供了一種高效、可靠、易用的分析方法。

在本文中，煤層的回采工作可以運(yùn)用此軟件的一個(gè)高級(jí)功能即單元生死功能來進(jìn)行模擬。單元生死是該軟件在土木工程中較為常用的一個(gè)高級(jí)功能，尤其在地下開采、掘進(jìn)中，使用單元生死功能可以方便且有效地模擬土木工程的施工過程、空間結(jié)構(gòu)的變化。單元生死選項(xiàng)即通過殺死或重新激活選擇的單元來模擬在施工過程中由于開挖、支護(hù)等導(dǎo)致空間結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。

3.2 模型的建立

依據(jù)3185工作面巖層分布特性，構(gòu)建了模擬所用幾何模型。建模過程中，為了充分體現(xiàn)不同巖層組合特征，對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行了略微簡化，將模型中力學(xué)性質(zhì)相近的巖層歸并為一組，因此模擬所用巖層模型共劃分為13個(gè)層組，總厚度為211 m，模型設(shè)計(jì)長×寬×高為300 m×260 m×211 m的三維立體模型。

數(shù)值模型設(shè)置邊界條件為：在X方向（煤層走向）上，假設(shè)2個(gè)邊界平面在走向方向上不發(fā)生位移，所以在2個(gè)邊界平面施加位移約束；在Z方向（煤層傾向）上，2個(gè)邊界平面也施加位移約束，2個(gè)平面在傾向方向位移為0；在Y方向（煤層高度方向）底部邊界施加位移全約束，即底部邊界不發(fā)生位移變化。由于煤層實(shí)際埋深約為600 m，減去模型高度，因此在模型頂部施加應(yīng)力載荷為11 MPa。

采用Drucker-Prager本構(gòu)模型來模擬巖層的塑性變化，模型模擬每次回采20 m，共進(jìn)行5次，工作面向前推進(jìn)100 m。

煤巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。模擬采用的巖層力學(xué)參數(shù)主要包括巖層密度、彈性模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力、泊松比等。在這些參數(shù)中，泊松比、體積模量、剪切模量與彈性模量分別滿足如下關(guān)系：

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

式中，B為體積模量，GPa；S為剪切模量，GPa；E為彈性模量，GPa；為泊松比。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于在模擬結(jié)果中并不能直觀得出“三帶”發(fā)育情況，所以結(jié)合巖石材料力學(xué)特性，通過分析圍巖應(yīng)力變化，從應(yīng)力的角度量化得出“三帶”高度。

3.3.1 上覆巖層垂直應(yīng)力變化特征

回采不同距離時(shí)，煤層走向圍巖垂直應(yīng)力變化如圖1所示，煤層直接頂走向垂直應(yīng)力變化如圖2所示。由圖1得出，回采距離增大時(shí)，上覆巖層受采動(dòng)影響，煤層頂板所承載壓應(yīng)力不斷增大。在采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力上升區(qū)，隨著開采距離的增加，壓力上升區(qū)的范圍不斷增大，應(yīng)力數(shù)值升高至一定值后趨于穩(wěn)定，且推進(jìn)方向的應(yīng)力值略大。隨著推進(jìn)距離的增加，煤層采空區(qū)頂板承受垂直方向壓應(yīng)力不斷降低，當(dāng)回采至40 m時(shí)，垂直方向壓應(yīng)力降為0。從圖2中可以觀察到工作面直接頂巖層開采中出現(xiàn)了拉應(yīng)力，可以判斷此巖層受采動(dòng)影響產(chǎn)生較大下沉，與上部巖層發(fā)生離層現(xiàn)象，認(rèn)為此巖層內(nèi)巖體出現(xiàn)大范圍的破壞。

圖1 回采不同距離時(shí)煤層走向圍巖垂直應(yīng)力變化

圖2 回采不同距離時(shí)煤層直接頂走向垂直應(yīng)力變化

3.3.2 上覆巖層主應(yīng)力變化特征

巖石具有抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低的材料特性，并且由巖性可以看出，巖石越堅(jiān)硬，抗拉強(qiáng)度越低。依據(jù)巖石在應(yīng)力作用下的破壞特性，認(rèn)為當(dāng)巖體最大、最小主應(yīng)力均為拉應(yīng)力時(shí)，該位置處巖石將產(chǎn)生嚴(yán)重破壞；認(rèn)為只有某一方向上主應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，巖層只在該應(yīng)力垂直面上發(fā)生破壞，該拉應(yīng)力垂直方向?qū)a(chǎn)生明顯裂隙。結(jié)合模擬結(jié)果，將最大、最小主應(yīng)力均為拉應(yīng)力的巖層高度定義為垮落帶高度；將單一方向主應(yīng)力為拉應(yīng)力的巖層高度定義為裂隙帶高度。

回采不同距離時(shí)，上覆巖層主應(yīng)力變化如圖3所示。規(guī)定拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知：工作面分別回采至20、40、60、80、100 m時(shí)，在距煤層頂板垂深為1.18、2.5、6.8、8.1、8.4 m高度處最小主應(yīng)力降為0；最大主應(yīng)力分別在7.57、16.8、23.3、28.3、29.2m處轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。因此認(rèn)為垮落帶的最大高度距煤層頂板約為8.4 m，裂隙帶的最大高度距煤層頂板約為29.2 m，距煤層頂板29.2 m以上覆巖為彎曲下沉帶。

圖3 回采不同距離時(shí)上覆巖層主應(yīng)力變化

圖4 垮落帶、裂隙帶隨開采距離的變化

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用

依據(jù)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律以及前人研究成果，采用高位鉆孔對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理時(shí)，鉆孔終孔位置應(yīng)位于裂隙帶范圍內(nèi)。由此可得，高位鉆孔終孔位置的垂高應(yīng)滿足：

式中HM為垮落帶高度，mHL為高位鉆孔終孔高度，mHD為裂隙帶高度，m。

運(yùn)用中硬覆巖冒落帶和裂隙帶高度計(jì)算公式，得出3185工作面垮落帶高度為0~10.33 m，裂隙帶高度為10.33~38.49 m，將終孔位置布置于裂隙帶中下部，由此可得出終孔位置應(yīng)位于距煤層頂板11.27~17.37 m處。采用數(shù)值模擬結(jié)果，終孔位置應(yīng)位于距煤層頂板12.85~15.30 m處。模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本符合，采用模擬得出的終孔位置位于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算范圍內(nèi)。

由于3185工作面上方為已回采完畢的3175工作面采空區(qū)，根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合3185工作面實(shí)際情況，將終孔位置確定為距離煤層頂板11~15 m對(duì)比抽采效果。

為了考察模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測14鉆窩14-1號(hào)鉆孔與14-2號(hào)鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)，14-1號(hào)鉆孔終孔位置距9煤層頂板距離為11 m，14-2號(hào)鉆孔終孔位置距9煤層頂板距離為13.23 m。抽采結(jié)果對(duì)比如圖5所示，由圖可知，14-2號(hào)鉆孔最大抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)28%，其平均抽放體積分?jǐn)?shù)為20.86%，14-1號(hào)鉆孔最大抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)13%，其平均抽放體積分?jǐn)?shù)為8.8%。14-2號(hào)鉆孔抽采效果明顯優(yōu)于14-1號(hào)鉆孔，能對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行有效抽采，從而有效解決采空區(qū)瓦斯超限問題。因而可認(rèn)為，由模擬得出的“三帶”高度是可靠的，采用主應(yīng)力判定“三帶”高度相對(duì)于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)，能夠準(zhǔn)確定位高位鉆孔終孔位置，可有效解決采空區(qū)瓦斯抽采效果差的難題。

圖5 鉆孔瓦斯抽采結(jié)果

4 結(jié)論

通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法，研究了3185工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，綜合判定了覆巖“三帶”分布范圍，為高位鉆孔位置參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1）采動(dòng)影響下煤層直接頂垂直應(yīng)力表現(xiàn)出拉應(yīng)力，說明此范圍內(nèi)巖體出現(xiàn)較大破壞，處于垮落帶范圍內(nèi)。

2）采用主應(yīng)力判斷“三帶”高度的方式，即將最大、最小主應(yīng)力均為拉應(yīng)力范圍作為垮落帶高度，將某一方向主應(yīng)力為拉應(yīng)力巖層高度作為裂隙帶最大高度，計(jì)算結(jié)果是可靠的。

3）由模擬結(jié)果得出3185工作面垮落帶高度約為8.4 m，裂隙帶高度約為29.2 m，“兩帶”高度之比約為3.47。以此設(shè)計(jì)的高位鉆孔抽采瓦斯平均濃度提高了12.06%。