雙切頂成巷條件下采空區(qū)瓦斯綜合治理體系研究

劉玉平,年 軍,趙 博,呂曉波,鄧春生

(1.華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲一號煤礦,山西 呂梁 033300; 2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院, 山西 太原 030002; 3.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 博士后工作站,山西 太原 030021)

目前沿空留巷主要工藝技術(shù)有充填法(高水材料巷旁充填、膏體材料巷旁充填、柔?；炷料锱猿涮睢㈨肥炷料锱猿涮?和切頂成巷等工藝技術(shù)[1-2]。切頂沿空留巷開采是近幾年興起并逐漸被推廣的無煤柱開采技術(shù),尤其在低瓦斯、薄及中厚煤層條件下的沿空切頂成巷技術(shù)已得到大范圍推廣[3-6]。采動覆巖裂隙是瓦斯運(yùn)移的通道及積聚空間,研究有關(guān)其演化的手段主要包括數(shù)值模擬、相似模擬、理論分析、現(xiàn)場測定等[7-11]。對于覆巖采動裂隙動態(tài)分布規(guī)律的研究,劉天泉院士等提出“橫三區(qū)”、“豎三帶”的認(rèn)識;錢鳴高院士等基于關(guān)鍵層理論,提出煤層開采后上覆巖層采動裂隙呈兩階段發(fā)展規(guī)律并形成“O”形圈分布特征。瓦斯運(yùn)移積聚規(guī)律為瓦斯高效抽采提供了理論支撐。周世寧等認(rèn)為,在煤層中滲流的瓦斯運(yùn)移符合達(dá)西定律,該理論是將煤層看成多孔介質(zhì),且在大尺度范圍內(nèi)煤層可以視為均勻分布的虛擬連續(xù)介質(zhì),這深刻地影響著我國對煤層內(nèi)瓦斯流動的研究[12-14]。然而,目前對于厚煤層大采高、煤與瓦斯突出等復(fù)雜條件下采空區(qū)瓦斯的綜合治理體系仍然缺少一定的研究。為此,本文采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對其進(jìn)行研究,為后期雙切頂成巷條件下采空區(qū)瓦斯治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 雙切頂成巷條件下采空區(qū)覆巖破壞與裂隙發(fā)育理論分析

4502綜采工作面為山西華晉焦煤沙曲一礦五采區(qū)3+4號煤層首采工作面(圖1),4502工作面膠帶巷、軌道巷同時進(jìn)行切頂卸壓成巷(圖2),工作面切頂角度設(shè)定為15°,切縫斜長為13.5 m。在4502膠帶巷進(jìn)行切頂沿空成巷,作為4503工作面膠帶巷;在4502軌道巷進(jìn)行切頂沿空成巷,作為4501工作面軌道巷。4502工作面回采時,4502軌道巷為主進(jìn)風(fēng)巷,4502膠帶巷為輔助進(jìn)風(fēng)巷。4502工作面軌道巷長1 107 m,膠帶巷長1 095 m,切眼長220 m,煤層平均厚度4.2 m。采用傾斜長壁后退式采煤方法,綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝,全部垮落法控制頂板。

圖1 4502工作面布置示意Fig.1 Layout diagram of No.4502 working face

圖2 現(xiàn)場切頂示意Fig.2 Schematic diagram of on-site roof cutting

使用Palchik碎脹系數(shù)推導(dǎo)綜放工作面垮落帶最大高度計算模型為:

(1)

根據(jù)采動影響下覆巖層的運(yùn)動和破壞特征,綜放開采裂隙帶高度相應(yīng)計算模型為:

(2)

將數(shù)據(jù)代入公式計算得,沙曲一礦3+4號煤頂板裂隙垮落帶最大高度為5.03～17.89 m;頂板裂隙帶最大高度33.79～60.00 m。

煤層開采后采場中形成采動空間,破壞了圍巖的原始應(yīng)力平衡及分布狀態(tài),受二次應(yīng)力影響,圍巖發(fā)生垮落、斷裂和變形。采場上覆巖體結(jié)構(gòu)的砌體梁模型將上覆巖層的變形、移動和破壞沿垂直方向分為彎曲帶、裂隙帶及垮落帶,沿煤層走向分為煤柱支撐區(qū)、離層區(qū)及壓實穩(wěn)定區(qū);根據(jù)冒落巖體的破壞特性及堆積狀態(tài),又可將冒落帶沿采空區(qū)走向分為自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)和重新壓實區(qū)。貫通的豎向裂隙是瓦斯等氣體涌入工作面的通道,也稱其為導(dǎo)氣裂隙。導(dǎo)氣裂隙只在覆巖的一定高度范圍內(nèi)發(fā)育,其最大發(fā)育高度與采高和巖性有關(guān)。在開采初期,下位關(guān)鍵層的破斷對導(dǎo)氣裂隙自下而上發(fā)展的動態(tài)過程起控制作用。導(dǎo)氣裂隙高度自下而上發(fā)展是非勻速的,隨關(guān)鍵層的破斷而突變。當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)一定值后,導(dǎo)氣裂隙分布呈現(xiàn)“O”形圈特征,它是正常回采期間鄰近層卸壓氣體流向采空區(qū)的通道(圖3—圖5)。

圖3 4502工作面雙切頂成巷模型Fig.3 Model of double-cut roof and roadway forming in No.4502 working face

圖4 應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution

圖5 塑性區(qū)域分布Fig.5 Distribution of plastic regions

2 雙切頂成巷條件下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移分析

普遍將采空區(qū)冒落煤巖看作多孔介質(zhì)。根據(jù)雙重介質(zhì)模型理論,在采動區(qū)域內(nèi)影響流體滲透率的主要是采動裂隙,原始孔隙的滲透率要比采動裂隙低好幾個數(shù)量級。因此,采動裂隙是采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流流動的主要通道。冒落煤巖采動裂隙的滲透率是反映采空區(qū)內(nèi)氣體流動難易的參數(shù),原始孔隙的滲透率對于采空區(qū)氣體流動影響不大。4502工作面采空區(qū)數(shù)值模擬物理模型參數(shù):膠帶巷寬4.5 m、高4.3 m;軌道巷寬4.5 m、高4.3 m;工作面長300 m、寬220 m、高4.5 m;采空區(qū)垮落帶長300 m、寬220 m、高10 m;裂隙帶長300 m、寬220 m、高30 m。

4502工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移集聚模型如圖6所示。

圖6 4502工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移集聚模型Fig.6 Gas migration and accumulation model in goaf of No.4502 working face

3 4502工作面采空區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)

3.1 高位定向長鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯

為控制采空區(qū)瓦斯向留巷回風(fēng)巷道溢出,設(shè)計在4502軌道巷距開口平距806、485、189 m處南側(cè)幫3個鉆場及4502軌道材料斜巷,在鉆場內(nèi)成組形式沿4502軌道巷傾向布置超高位定向長鉆孔,采空區(qū)頂板跨落后,超高位鉆孔仍在采區(qū)后邊起到牽制瓦斯向回風(fēng)巷涌出的作用。采用“開孔扇形、終孔平行方式”布孔,施工采用開孔后先穿層至目標(biāo)采高層位、后按照目標(biāo)方位角和煤層傾角順目標(biāo)采高層位定向施工至設(shè)計孔深的鉆進(jìn)工藝,每個鉆場布置3個鉆孔,共布置12個高位定向長鉆孔,鉆孔深度平均279 m,鉆孔終孔直徑不小于105 mm。每組相鄰鉆孔開孔間距為1 m,終孔間距5 m。

4502工作面定向超高位鉆孔截流抽采30 d,采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植既鐖D7所示。

圖7 定向超高位長鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确植糉ig.7 Distribution of gas concentration in directional ultra-high level long borehole extraction

高瓦斯分布區(qū)域范圍減小,靠近工作面附近區(qū)域瓦斯?jié)舛让黠@降低,整個采空區(qū)范圍內(nèi)高瓦斯分布區(qū)域占1/2左右,且上隅角瓦斯分布范圍也在減小。采空區(qū)中高瓦斯分布區(qū)域僅在深部裂隙帶處存在,工作面上隅角瓦斯達(dá)到安全生產(chǎn)的要求,且加上整個采空區(qū)空間處于低瓦斯范圍,大大降低了采空區(qū)向工作面涌出瓦斯的現(xiàn)象,保證了整個采掘空間的安全生產(chǎn)。

3.2 采空區(qū)留巷頂管抽采采空區(qū)瓦斯

4502工作面頂管抽采30 d瓦斯?jié)舛确植既鐖D8所示。結(jié)果表明,4502工作面頂管抽采效果顯著,靠近兩側(cè)巷道位置瓦斯?jié)舛人p明顯,但同時也發(fā)現(xiàn),受到鉆孔深度的影響,頂管抽采主要解決了靠近開切眼位置瓦斯的積聚問題,對深部中央位置的瓦斯積聚仍然無法解決。由于采動裂隙滲透率較高、瓦斯壓力較大,使得瓦斯在多孔介質(zhì)巖體內(nèi)部流動比較困難,瓦斯源涌出的瓦斯主要沿著采動裂隙通道運(yùn)移,采動裂隙對卸壓瓦斯運(yùn)移起到了導(dǎo)向性作用。瓦斯從巖體裂隙散發(fā)后,首先在離層裂隙區(qū)內(nèi)部運(yùn)移,隨著離層裂隙區(qū)瓦斯?jié)舛戎饾u增高,卸壓瓦斯優(yōu)先向瓦斯優(yōu)勢通道處運(yùn)移,因瓦斯優(yōu)勢通道及頂部瓦斯水平流動通道內(nèi)裂隙最為密集連通,且滲透率高易于瓦斯流動,瓦斯很快向通道內(nèi)裂隙網(wǎng)絡(luò)處富集直至充滿整個裂隙網(wǎng)絡(luò)通道,并涌進(jìn)工作面。同時可以看到,采空區(qū)中部雖然被壓實,但存在較多的閉合裂隙,相比于巖石基質(zhì)瓦斯更容易在裂隙中流動,隨著瓦斯?jié)舛鹊闹饾u增大,瓦斯以貫通的采動裂隙為基點,逐漸向多孔介質(zhì)巖體內(nèi)部及一些微觀貫通裂隙中運(yùn)移。

圖8 4502工作面瓦斯涌出點跟管導(dǎo)流模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of gas emission point and pipe diversion in No.4502 working face

3.3 采空區(qū)后部切眼鉆孔引流抽采瓦斯

采用后部切眼鉆孔引流抽采瓦斯30 d效果如圖9所示。在采用后部切眼鉆孔引流對采空區(qū)裂隙帶中煤層瓦斯進(jìn)行抽采后,采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布范圍發(fā)生明顯變化。與未抽采時相比,靠近工作面區(qū)域瓦斯?jié)舛冉档?。采用后部切眼鉆孔引流在采空區(qū)裂隙帶內(nèi)實現(xiàn)瓦斯抽采,隨抽采作業(yè)的進(jìn)行,整個采空區(qū)區(qū)域瓦斯?jié)舛戎饾u降低,達(dá)到安全生產(chǎn)要求。因此,在裂隙帶內(nèi)采用后部切眼鉆孔引流瓦斯抽采技術(shù),治理工作面瓦斯?jié)舛瘸迒栴}具有較好的適應(yīng)性和應(yīng)用前景,能夠為安全生產(chǎn)提供保障,提高生產(chǎn)效率。

圖9 4502工作面后部切眼引流抽采效果Fig.9 No.4502 working face rear cut-off drainage and extraction effect

4 4502工作面采空區(qū)瓦斯抽采效果考察

綜合采用高位定向長鉆孔、留巷頂管抽采和后部補(bǔ)巷鉆孔引流等方法治理4502工作面采空區(qū)瓦斯,取得了良好的結(jié)果。總體表現(xiàn)為,工作面上隅角處和回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛入S著工作面的推進(jìn)不斷波動變化,但瓦斯?jié)舛日w偏低,瓦斯?jié)舛确謩e為0.28%、0.23%。當(dāng)工作面從100 m推進(jìn)至200 m,回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^平均值0.23%,最大值為0.30%,而此時回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛鹊纳咧饕歉蠲浩陂g本煤層瓦斯涌出及上隅角采空區(qū)瓦斯涌出導(dǎo)致。在工作面從70 m推進(jìn)到90 m、從130 m推進(jìn)到150 m、從170 m推進(jìn)到190 m時,工作面與膠帶留巷結(jié)合處瓦斯?jié)舛茸畲筮_(dá)到0.43%。頂板裂隙帶定向鉆孔抽采期間,雖然工作面上隅角處和回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛茸畲笾捣謩e達(dá)到了0.43%、0.30%,但2個位置瓦斯?jié)舛茸畲笾稻诎踩秶鷥?nèi),表明頂板裂隙帶定向鉆孔布置層位的合理性,能有效地降低工作面上隅角與回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?為礦井提供一個安全地采掘作業(yè)空間。工作面與留巷交界處瓦斯?jié)舛茸兓€如圖10所示。

5 結(jié)論

通過對沙曲一礦4502工作面頂板裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究,開展了4502工作面采空區(qū)頂板裂隙發(fā)育現(xiàn)場測試,確定了采空區(qū)瓦斯的運(yùn)移集聚規(guī)律,形成了采空區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù),并對采空區(qū)瓦斯抽采效果進(jìn)行了考察,最終提出了雙切頂成巷回采工作面卸壓瓦斯抽采技術(shù)。

(1)由于基本頂被切斷,基本頂及其控制的覆巖充分垮落,采空區(qū)垮落帶高度明顯增加。切頂側(cè)覆巖位移發(fā)生明顯增大的區(qū)域(大的空隙通道)大于未切頂時,數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測以及理論計算的結(jié)論吻合度較高。沙曲一礦3+4號煤頂板裂隙垮落帶最大高度為5.03～17.89 m;裂隙帶最大高度為33.79～60.00 m。

圖10 工作面與留巷結(jié)合處瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.10 Gas concentration variation curves at the junction of the working face and the retained roadway

(2)工作面回采前,雙切頂成巷對頂板上覆巖層影響不大;工作面回采過后,在預(yù)裂爆破的影響下,與傳統(tǒng)開采方法相比,采空區(qū)頂板巖層更快垮落、更快充滿采空區(qū),在垮落矸石的有效支撐作用下,采空區(qū)上覆巖層更快趨于穩(wěn)定。因此,雙切頂成巷條件下,采空區(qū)瓦斯涌出量更早趨于穩(wěn)定狀態(tài)。綜合分析表明,超高位裂隙帶、靠近沿空留巷膠帶巷處以及靠近采空區(qū)后部尾巷處為瓦斯主要積聚區(qū)域。

(3)綜合利用高位定向長鉆孔抽采、留巷頂管抽采和采空區(qū)后補(bǔ)切眼鉆孔抽采等方式對4502工作面采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理,可以有效解決采空區(qū)瓦斯超限問題。