基于關鍵層理論的采空區(qū)覆巖斷裂帶有效抽采層位研究

張新杰， 王軍， 孫永康， 薛江達， 卞德振

（太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 晉中 030600）

0 引言

沁水煤田北部大部分礦井存在煤層透氣性差的問題，預抽本煤層瓦斯效果較差，工作面回采過程中需要通過高位抽采工程抽采采空區(qū)覆巖斷裂帶瓦斯來控制鄰近層和采空區(qū)瓦斯涌出，而斷裂帶有效抽采層位識別是高位抽采工程設計的基礎。

許多學者在覆巖斷裂帶瓦斯抽采有效區(qū)域方面進行了研究。錢鳴高等[1]、許家林等[2]提出了巖層控制的關鍵層理論，給出了關鍵層的判別方法，揭示了采動覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律和采動裂隙“O”形圈的分布特征，并用于指導采空區(qū)瓦斯抽采。林海飛等[3]、李樹剛等[4]、趙鵬翔等[5]研究了覆巖采動裂隙演化形態(tài)與特征，提出了采動裂隙圓角矩形梯臺帶模型，建立了采動裂隙橢拋帶理論，揭示了瓦斯運移優(yōu)勢通道及采高控制機理，為卸壓瓦斯富集區(qū)有效抽采提供了理論依據(jù)。胡國忠等[6-7]采用地面鉆孔全柱狀原位監(jiān)測方法，揭示了覆巖關鍵層運動的分段特征，提出了考慮多因素的頂板定向長鉆孔瓦斯抽采技術。徐超等[8]、張小龍等[9]、張禮等[10]研究了采動覆巖裂隙發(fā)育及滲透率分布特征對采空區(qū)及斷裂帶瓦斯抽采效率的影響，建立了采動覆巖分形滲透率模型。吳仁倫[11]提出了采空區(qū)瓦斯卸壓運移的“三帶”劃分，將采空區(qū)上覆煤巖層劃分為導氣斷裂帶、卸壓解吸帶和不易解吸帶，并分析了覆巖關鍵層結構、工作面面長和煤層采高對“三帶”范圍的影響規(guī)律。齊慶新等[12]研究了采動條件下裂隙場的形成機制和分布特征，并對各因素影響裂隙演化的規(guī)律進行了定量描述，指出了采動裂隙場條件下的瓦斯匯集規(guī)律。

本文在上述研究的基礎上，基于理論分析與現(xiàn)場經(jīng)驗，建立了斷裂帶有效抽采層位的數(shù)學模型，確定了覆巖斷裂帶有效抽采層位的上下邊界，并通過現(xiàn)場窺視高位鉆孔裂隙分布規(guī)律及分析高位鉆孔抽采濃度變化規(guī)律，驗證了數(shù)學模型的準確性，可為高位抽采工程設計提供依據(jù)。

1 斷裂帶有效抽采層位數(shù)學模型建立

采空區(qū)覆巖“三帶”演化相似模擬試驗如圖1 所示。采空區(qū)覆巖斷裂帶主要分為離層斷裂帶和破斷斷裂帶[13]。其中破斷斷裂帶內既有離層裂隙又有穿層裂隙，位于斷裂帶的下部并與采空區(qū)垮落帶連通，是覆巖斷裂帶瓦斯抽采的有效區(qū)域。

圖1 采空區(qū)“三帶”演化相似模擬試驗Fig. 1 Similarity simulation experiment of evolution of"three zones" in goaf

目前研究覆巖斷裂帶分布規(guī)律的常用方法包括現(xiàn)場探測法[14-15]、相似模擬試驗法[16-17]、數(shù)值模擬法[18-20]和經(jīng)驗公式法[21-22]。本文根據(jù)相似模擬試驗和現(xiàn)場探測發(fā)現(xiàn)，覆巖中的關鍵層主要控制著頂板橫縱裂隙的發(fā)育，判斷控制斷裂帶發(fā)育的關鍵層位置是確定有效抽采層位的關鍵。

在關鍵層判別過程中，先要根據(jù)巖層柱狀圖中頂板巖性和分布高度進行初步分析。之后，根據(jù)巖層的受力載荷和破斷距進一步判斷關鍵層位置[1]。

式中：(qn)1為第1 層巖層自重及其上巖層載荷，kPa；ln為上覆第n層巖層（關鍵層）的破斷距，m； γi為上覆第i層巖層的平均密度，kg/m3；hi為上覆第i層巖層的平均厚度，m；Ei為上覆第i層巖層的彈性模量，MPa；RTn為上覆第n層巖層的抗拉強度，MPa。

采空區(qū)垮落帶之上的第1 層關鍵層對其上巖層起到承載控制作用，并將斷裂帶與垮落帶隔離，成為斷裂帶有效抽采層位的下邊界巖層。采空區(qū)垮落帶之上的第1 層關鍵層N1的計算公式為

式中：M為煤層采高，m；k為頂板巖層的平均碎脹系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場探測及抽采經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)上覆巖層高度超過10 倍采高時，由于關鍵層的承載控制作用，其上巖層縱向裂隙發(fā)育較少，更多產(chǎn)生橫向離層，所以采空區(qū)上覆巖層高度為10 倍采高以下的第1 層關鍵層成為斷裂帶有效抽采層位的上邊界巖層。采空區(qū)上覆巖層高度為10 倍采高以下的第1 層關鍵層N2的計算公式為

2 個關鍵層之間所有的巖層即有效抽采層位，有效抽采層位包含下邊界巖層，不包含上邊界巖層。

2 采空區(qū)覆巖斷裂帶窺視分析

2.1 試驗工作面概況

山西壽陽段王煤業(yè)集團有限公司段王煤礦生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，礦井主采8+9 號和15 號煤層，礦井瓦斯等級為高瓦斯，絕對瓦斯涌出量為62.08 m3/min。090507 工作面開采8+9 號煤層，平均厚度為4.4 m，煤層視密度為1.52 t/m3，煤層屬于貧瘦煤；工作面煤層傾角為0～16°，平均傾角為5°，埋深為180～414 m；工作面走向長度為2 612 m，傾向長度為180 m；工作面采用“U”型布置，綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板。

2.2 有效抽采層位分析

根據(jù)關鍵層判別公式，對090507 工作面采空區(qū)上覆巖層高度為10 倍采高以下的巖層進行關鍵層判別，結果見表1。

表1 工作面采空區(qū)覆巖關鍵層判別結果Table 1 Identification results of key layer of overburden in goaf of working face

090507 工作面直接頂巖層的平均碎脹系數(shù)取1.35，根據(jù)斷裂帶有效抽采層位數(shù)學模型計算得出采空區(qū)垮落帶高度為12.6 m，其上第1 層關鍵層為中砂巖，工作面采空區(qū)上覆巖層高度為10 倍采高以下的第1 層關鍵層為細粒砂巖，工作面高位鉆孔有效抽采層位為8+9 號煤層頂板上方12.6 m 處的中砂巖到39.3 m 處的4 號煤。

2.3 覆巖斷裂帶窺視分析

2.3.1 窺視鉆孔設計方案

為驗證斷裂帶有效抽采層位數(shù)學模型的有效性，設計在8+9 號煤層090509 工作面運輸巷布置2 個窺視鉆孔，觀測090507 工作面采空區(qū)上覆巖層垮落帶和斷裂帶分布情況，進一步確定8+9 號煤層采空區(qū)有效抽采層位的分布規(guī)律。鉆孔布置如圖2所示，參數(shù)見表2。

表2 鉆孔主要參數(shù)Table 2 Main parameters of borehole

圖2 鉆孔布置Fig. 2 Borehole layout

2.3.2 鉆孔窺視結果

1 號鉆孔實際施工26 m，鉆孔探測成像結果如圖3 所示?？煽闯鲈诰嗫卓?～23 m 范圍內的圍巖完整程度較高，表明該鉆孔未進入到斷裂帶中；在距孔口23～26 m 范圍內，孔壁周圍裂隙增多，破碎加劇，鉆孔施工過程中發(fā)生不返渣的情況，由此可判定該范圍內鉆孔對應的覆巖頂板進入垮落帶。

圖3 1 號鉆孔探測成像結果Fig. 3 Probing imaging results of No.1 borehole

2 號鉆孔實際施工63 m，鉆孔探測成像結果如圖4 所示?？煽闯鲈诰嗫卓?～33 m 范圍內的圍巖整體完整性較好，表明該區(qū)域處于未受采動影響區(qū)域；在距孔口33～63 m 范圍內，孔壁開始出現(xiàn)大量裂隙，且裂隙分布不規(guī)則，表明鉆孔處的頂板處于破斷斷裂帶；距孔口63 m 之后，孔壁周圍裂隙發(fā)育減少，表明鉆孔已經(jīng)穿過破斷斷裂帶。

圖4 2 號鉆孔探測成像結果Fig. 4 Probing imaging results of No.2 borehole

根據(jù)現(xiàn)場窺視結果，破斷斷裂帶和離層斷裂帶未出現(xiàn)較為明顯的邊界。根據(jù)1 號鉆孔進入垮落帶的位置（圖3（c））和2 號鉆孔進入破斷斷裂帶的位置（圖4（a）），綜合判斷采空區(qū)上覆巖層的破斷角約為62°。根據(jù)1 號和2 號鉆孔的觀測分析，采空區(qū)覆巖破斷斷裂帶的范圍為8+9 號煤層頂板上方11.5～40.5 m 區(qū)域。

3 斷裂帶有效抽采層位工業(yè)試驗

3.1 高位鉆孔抽采設計

考慮到提高有效抽采段的長度，將高位鉆孔布置成2 排，終孔層位的高度確定為40，45 m。因此，在工作面軌道巷頂板上方5 m 處布置高位鉆場，在鉆場中布置2 排共16 個高位鉆孔，開孔高度為距煤層頂板6.5 m，考慮到煤層平均傾角為5°，2 排鉆孔傾角分別設計為12，14°，控制走向長度為110 m 左右。高位鉆孔布置如圖5 所示。

圖5 高位鉆孔布置Fig. 5 High level borehole layout

3.2 瓦斯抽采效果分析

在工業(yè)試驗中每組鉆孔呈扇形布置，應用“兩堵一注”囊袋進行封孔，封孔深度為10 m，在瓦斯抽采過程中各鉆孔均未出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。對2022 年7 月5 日-2022 年8 月4 日期間高位鉆孔的瓦斯抽采體積分數(shù)進行收集整理，選取抽采效果較好和規(guī)律較為明顯的6-8 號和14-16 號鉆孔進行分析。高位鉆孔瓦斯抽采體積分數(shù)如圖6 所示，可看出鉆孔瓦斯抽采體積分數(shù)曲線基本呈雙“馬鞍”形，始抽段和衰減段均在高位鉆孔有效抽采層位之外，瓦斯抽采體積分數(shù)均較小。

圖6 高位鉆孔瓦斯抽采體積分數(shù)Fig. 6 Gas extraction volume fraction of high level borehole

8+9 號煤層斷裂帶有效抽采層位分析如圖7 所示。一般認為通過高位抽采工程抽采覆巖斷裂帶瓦斯體積分數(shù)達15%以上時鉆孔所在的覆巖層位為斷裂帶有效抽采層位。圖7 中柱狀圖斜線充填區(qū)域為瓦斯抽采體積分數(shù)達15%以上的有效抽采層位，范圍為8+9 號煤層頂板上方13.9 m 處的中砂巖到37.4 m 處的砂質泥巖。通過實際觀測確定的有效抽采層位與數(shù)學模型確定的有效抽采層位基本一致。

圖7 斷裂帶有效抽采層位Fig. 7 Effective extraction layer in fracture zone

4 結論

1） 建立了斷裂帶有效抽采層位數(shù)學模型，得出了有效抽采層位的下邊界為采空區(qū)垮落帶之上的第1 層關鍵層，上邊界為采空區(qū)上覆巖層高度為10 倍采高以下的第1 層關鍵層，其中有效抽采層位包含下邊界巖層，不包含上邊界巖層。

2） 根據(jù)斷裂帶有效抽采層位數(shù)學模型計算得出段王煤礦8+9 號煤層采空區(qū)斷裂帶有效抽采層位高度范圍為頂板上方12.6～39.3 m。根據(jù)090507 工作面采空區(qū)覆巖裂隙窺視結果，得出工作面斷裂角約為62°，破斷斷裂帶高度范圍為頂板上方11.5～40.5 m，驗證了斷裂帶有效抽采層位數(shù)學模型的準確性。

3） 根據(jù)斷裂帶有效抽采層位數(shù)學模型，在段王煤礦090507 工作面進行高位鉆孔抽采試驗。結果表明，8+9 號煤層采空區(qū)覆巖斷裂帶有效抽采層位為頂板上方13.9 m 處的中砂巖到37.4 m 處的砂質泥巖，與數(shù)學模型確定的有效抽采層位基本一致，取得了很好的應用效果。