王家?guī)X煤礦綜放工作面上覆巖層運(yùn)動規(guī)律及卸壓區(qū)瓦斯抽采試驗(yàn)研究

蔡 峰

(中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100120)

0 引言

大型綜合機(jī)械化采煤設(shè)備的普及，加快了礦井煤炭的開采速度[1-3]。然而，高強(qiáng)度、快速開采提高煤炭生產(chǎn)效率的同時(shí)增強(qiáng)了煤巖體擾動，極易誘發(fā)工作面上覆巖層破斷、移動[4-6]，并在煤層中形成大量采動裂隙和離層。這些裂隙成為鄰近煤層瓦斯運(yùn)移的通道，離層成為了瓦斯的聚集場所[7]。周期來壓時(shí)，上覆巖層垮落，聚集在裂隙和離層內(nèi)的瓦斯迅速噴出，增大了瓦斯災(zāi)害事故發(fā)生的可能性。因此，揭示工作面上覆巖層運(yùn)動特征及其來壓規(guī)律，對煤礦安全開采及瓦斯災(zāi)害防治有重要的理論和實(shí)際意義。

自20世紀(jì)80年代提出“橫三帶”“豎三帶”理論體系以來[8-9]，不少學(xué)者在此基礎(chǔ)上對覆巖裂隙演化規(guī)律做了進(jìn)一步深入研究。趙毅鑫等[10]將相似模擬、數(shù)值模擬和分形理論相結(jié)合，研究了淺埋超大采高工作面覆巖裂隙演化規(guī)律，并探討了分形維數(shù)、采高和覆巖裂隙發(fā)育高度等參量間的關(guān)系；姚琦等[11]基于相似模擬實(shí)驗(yàn)，對湘永煤礦2463工作面覆巖破壞特征及移動規(guī)律進(jìn)行分析，得出最大擾度出現(xiàn)位置，以及充填和未充填區(qū)域頂板下沉特征；張培鵬等[12]利用相似模擬實(shí)驗(yàn)方法，對開采過程中高位硬厚巖層覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律進(jìn)行研究，得到了硬厚巖層破斷前后的結(jié)構(gòu)形狀，并分析了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的動力災(zāi)害規(guī)律；高喜才等[13]針對大傾角煤層變角度綜放工作面受傾角變化影響的問題，將相似模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，以棗泉煤礦大傾角煤層120210變角度工作面為例，分析了大傾角煤層變角度工作面和單一角度工作面綜放開采覆巖運(yùn)移規(guī)律；尹光志等[14]以平煤神馬集團(tuán)十礦己15煤層24080工作面實(shí)際地質(zhì)資料為背景，開展了三維采動應(yīng)力條件下覆巖裂隙演化規(guī)律相似模擬實(shí)驗(yàn)。此外，還有部分學(xué)者進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究[15-17]。綜上所述，學(xué)者們基于物理相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型和現(xiàn)場試驗(yàn)等手段不斷研究探索覆巖裂隙演化規(guī)律，取得豐富成果。然而，以特定區(qū)域的地質(zhì)資料為背景進(jìn)行的相似模擬實(shí)驗(yàn)，或在特定煤田進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)是否符合所有礦區(qū)覆巖移動演化特征還有待考究。

在瓦斯治理方面，肖峻峰等[18]研究了近距離高瓦斯煤層群上覆巖層裂隙演化規(guī)律，優(yōu)化了傾向高抽巷布置參數(shù)，并以現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性；許滿貴等[19]將物理相似模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，探究了“三軟”煤層綜采工作面覆巖運(yùn)移、裂隙演化規(guī)律，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；王金華[20]以同煤塔山煤礦為實(shí)際工程背景，研發(fā)了低瓦斯、高涌出礦井，特厚、大采高煤層綜放開采高效技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該條件下工作面產(chǎn)量1 000萬t/a的目標(biāo)；張村等[21]以淮南礦4個(gè)工作面瓦斯抽采數(shù)據(jù)為例，探究了工作面推進(jìn)速度對瓦斯抽采的影響程度(敏感因子)，認(rèn)為工作面推進(jìn)速度對瓦斯抽采的影響主要取決于推進(jìn)過程中保護(hù)層與被保護(hù)層瓦斯涌出量的大小。但以上研究成果主要針對高瓦斯礦井瓦斯治理及如何高產(chǎn)高效生產(chǎn)展開的研究，而對低瓦斯礦井瓦斯治理及高效抽采的研究有限[22-23]。

王家?guī)X煤礦瓦斯含量和煤層透氣性較低，但由于高強(qiáng)度開采致使煤層瓦斯涌出量較大[24]。主采的2號煤層在煤層瓦斯含量、地質(zhì)條件、通風(fēng)方式等相同的前提下，綜放工作面要比普通工作面的瓦斯涌出量大，這主要與開采過程中瓦斯涌出的不均衡性有關(guān)，所以綜放工作面瓦斯的來源、流通通道還需深入研究。

筆者以王家?guī)X煤礦12301工作面為工程背景，基于物理相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、微震監(jiān)測手段，對綜放工作面上覆巖層運(yùn)動規(guī)律展開綜合研究，以期為類似條件下的瓦斯治理問題提供參考。

1 相似模擬物理模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

中煤華晉公司王家?guī)X煤礦位于鄉(xiāng)寧縣西南部，井田位于華北板塊鄂爾多斯地塊河?xùn)|區(qū)塊的南部邊緣，河?xùn)|區(qū)塊東部以離石斷裂為界，西部為黃河，南部和北部是沉積帶邊緣。井田總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以褶曲為主，次級褶曲走向主要為南北向。本井田太原組和山西組為主要含煤地層，含可采煤層5層，自上而下分別為2、3、7、10、12號煤層，其中2、10號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，3號煤層為較穩(wěn)定大部可采煤層，7、12號煤層為不穩(wěn)定局部可采煤層。

相似模擬實(shí)驗(yàn)以2號煤層12301工作面為實(shí)驗(yàn)工作面。2號煤層平均厚度6.2 m，采用綜采放頂煤采煤法，平均采高6 m，煤層傾角5°，工作面直接頂為中-細(xì)砂巖，其抗壓強(qiáng)度53～89 MPa，平均抗壓強(qiáng)度68 MPa。

1.2 相似模擬實(shí)驗(yàn)材料配比及模型尺寸

基于12301工作面地質(zhì)和開采條件，建設(shè)2 m走向的物理相似模擬裝置，材料詳細(xì)配比結(jié)果見表1，模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，在模型邊界10 cm(影響煤柱)處開挖8 cm(對應(yīng)原型值8 m，以下尺寸均為原型值)作為開切眼。

圖1 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 巖層分布及其配比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

模擬12301工作面不同推進(jìn)距離時(shí)上覆巖層運(yùn)移及裂隙發(fā)育過程如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為10 m時(shí)，直接頂上覆巖層首次出現(xiàn)離層，并在頂板第一巖層有豎向微裂縫；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為17 m時(shí)，上覆巖層間隙增大，頂板第二巖層出現(xiàn)豎向微裂縫，且出現(xiàn)離層；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為35 m時(shí)，直接頂初次垮落，第二巖層同時(shí)破斷，破斷巖塊長度由開切眼至煤壁依次為34、23、12、9 m；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為55 m時(shí)，上覆巖層發(fā)生初次來壓，初次來壓步距55 m，垮落高度距煤層底板16 m，空洞高度4.5 m，離層裂隙距煤層頂板最遠(yuǎn)23 m；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為85 m時(shí)，直接頂垮落，頂板發(fā)生第1次周期來壓，來壓步距30 m，垮落高度47 m，空洞高度5.6 m，上覆巖層破壞后未全部垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為110 m時(shí)，上覆巖層發(fā)生第2次周期來壓；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為135 m時(shí)，上覆巖層發(fā)生第3次周期來壓，垮落高度距煤層底板57 m，空洞高度2.5 m，離層裂隙距煤層頂板最遠(yuǎn)67 m；當(dāng)工作面推進(jìn)距離160 m 時(shí)，上覆巖層發(fā)生第4次周期來壓，此時(shí)垮落高度距煤層底板90 m，離層裂隙距煤層頂板最遠(yuǎn)102 m，離層裂隙大部分已趨于閉合，采空區(qū)覆巖整體運(yùn)動基本趨于穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)開挖結(jié)束。

圖2 工作面不同推進(jìn)距離時(shí)上覆巖層運(yùn)移及裂隙發(fā)育過程

綜上所述，上覆巖層共發(fā)生4次周期來壓，基本頂初次垮落步距55 m，基本頂周期來壓步距24～30 m，周期來壓平均步距26.2 m，為初次來壓步距的0.476倍，垮落帶高度13.4～17.5 m，裂縫帶最大高度達(dá)到95 m。

3 綜放工作面覆巖移動演化數(shù)值模擬

3.1 幾何模型及邊界條件設(shè)定

根據(jù)12301工作面開采技術(shù)條件，建立數(shù)值模擬模型，如圖3所示。

圖3 工作面數(shù)值模擬模型及網(wǎng)格劃分

模型尺寸為260 m×400 m×326 m(長×寬×高)。模型中巖層層理、節(jié)理選擇為面接觸——庫侖滑移節(jié)理模型。模型左邊界、右邊界、下邊界采用位移固定，通過在上邊界施加均布載荷，左右邊界施加圍壓，模擬實(shí)際工作面圍壓。針對王家?guī)X礦開采條件，采用分步開挖模式。巖石力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石力學(xué)基本參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

12301工作面不同推進(jìn)距離覆巖采動裂隙特征如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)表示工作面推進(jìn)距離，縱坐標(biāo)表示垂直方向的距離。由圖4可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為20 m時(shí)，直接頂下沉量增大；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為32 m時(shí)，直接頂隨采隨垮；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為40 m時(shí)，上覆巖層裂隙發(fā)育更加充分，發(fā)育高度增大；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為52 m后，基本頂初次垮落，工作面初次來壓，垮落的巖石并未充滿采空區(qū)；隨著工作面不斷推進(jìn)，覆巖形成周期性來壓，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為60 m時(shí)，上覆巖層部分離層裂隙被壓實(shí)，關(guān)鍵層附近空洞范圍增大；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為80 m時(shí)，基本頂再次破斷，采動裂縫帶發(fā)育高度增大至96 m；當(dāng)工作面推進(jìn)距離為100 m時(shí)，采動裂縫帶發(fā)育高度增大至104 m；隨著工作面推進(jìn)距離至104 m，上覆巖層下沉幅度增大，關(guān)鍵層斷裂；當(dāng)工作面推進(jìn)距離至260 m處，關(guān)鍵層出現(xiàn)周期性破斷，形成較穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，垮落帶和裂縫帶的發(fā)育高度基本不再變化，工作面采動完全，同時(shí)采空區(qū)中部斷裂帶內(nèi)采動裂隙已基本壓實(shí)閉合。

圖4 12301工作面不同推進(jìn)距離覆巖采動裂隙特征

3.3 煤層底板應(yīng)力變化規(guī)律

12301工作面不同推進(jìn)距離底板垂直應(yīng)力變化如圖5所示。由圖5可知，在開切眼完成之后，底板垂直應(yīng)力集中系數(shù)約為1.24；隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)底板應(yīng)力一直在減小，這是由于在初次來壓前基本頂未斷裂，基本頂起到支撐上覆巖層的作用，因此上覆巖層未對底板形成壓力；工作面推進(jìn)至52 m 時(shí)出現(xiàn)初次來壓現(xiàn)象，上覆巖層開始垮落，采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，采空區(qū)中部的底板應(yīng)力開始增大，垂直應(yīng)力集中系數(shù)約為2.14；當(dāng)工作面推進(jìn)至260 m 時(shí)，工作面前方垂直應(yīng)力集中系數(shù)約為2.35，采空區(qū)中部位置垂直應(yīng)力峰值達(dá)到原巖應(yīng)力的2.18倍左右，說明采空區(qū)中部裂隙逐漸被壓實(shí)。

圖5 12301工作面不同推進(jìn)距離底板垂直應(yīng)力變化

4 工程實(shí)踐

開采過程中，煤層受擾動影響受力不均，致使煤巖體發(fā)生破裂，所釋放出的彈性波在傳播，這種彈性波可看成微震事件[25]，因此，采用微震監(jiān)測系統(tǒng)識別產(chǎn)生裂隙而生成的彈性波，就能夠掌握工作面推進(jìn)過程中上覆巖層裂隙發(fā)育及演化規(guī)律。

4.1 覆巖空間微震監(jiān)測

4.1.1 傳感器布置

傳感器的布設(shè)位置如圖6所示，安裝方法如圖7所示。

圖6 傳感器布設(shè)

圖7 傳感器安裝示意

4.1.2 微震監(jiān)測結(jié)果

在12301工作面進(jìn)、回風(fēng)巷頂板，煤層、采空區(qū)頂?shù)装骞舶l(fā)生2 572個(gè)微震事件，如圖8所示。圖8中X指工作面傾向距離，Y工作面走向距離，Z指工作面垂直距離。在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，周期來壓4～6次，平均步距20 m，平均來壓周期5 d。工作面回采過程中，超前工作面、煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)生了大量的微震事件，事件集中分布在工作面前方50 m范圍內(nèi)，說明此區(qū)域應(yīng)力集中較大，應(yīng)注意超前支護(hù)防范。

圖8 采動覆巖微震事件三維空間分布

在監(jiān)測時(shí)間內(nèi)，采空區(qū)上部頂板出現(xiàn)了較多橫向分布的微震事件，中部和下部頂板產(chǎn)生大量微震事件，且有新的裂隙不斷產(chǎn)生。由于新生裂隙和原有裂隙互相連通，致使頂板產(chǎn)生了裂縫帶，裂縫帶的高度在90 m左右，采空區(qū)下部頂板裂隙貫通后發(fā)生較大范圍垮落，上部頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

結(jié)合開展的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場微震監(jiān)測試驗(yàn)，基本可以得出該工作面覆巖采動裂隙分布特征，如圖9～11所示。

圖9 工作面回采后物理相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著工作面推進(jìn)，整個(gè)工作面形成了比較明顯的“三帶”形態(tài)，垮落帶高度最終穩(wěn)定到24 m，冒采比為4.14，采動裂縫帶高度穩(wěn)定到110 m。由圖10可以看出，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，工作面經(jīng)歷了多次周期來壓，關(guān)鍵層也出現(xiàn)周期性破斷，形成較穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，垮落帶高度不斷變化增加最后穩(wěn)定在24 m，采動裂縫帶的高度發(fā)育到100 m左右。由圖11可以看出，測試階段采空區(qū)中部和下部頂板有新的裂隙不斷產(chǎn)生，且中部頂板新生裂隙和原有裂隙之間、原有裂隙之間相互貫通，逐漸形成了頂板裂縫帶，裂縫帶的高度在95 m左右，采空區(qū)頂板事件最大高度(裂隙發(fā)育高度)在200 m左右(距煤層頂板垂距)，周期平均來壓步距為20 m。

圖10 工作面回采后數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11 工作面回采后微震試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果

綜合以上分析結(jié)果表明，12301工作面的垮落帶高度在24 m左右，采動裂縫帶高度在90～110 m。

4.2 卸壓區(qū)瓦斯抽采效果

王家?guī)X礦目前采用煤層頂板裂縫帶高位鉆孔的瓦斯抽采治理方式[26]。綜合相似模擬、數(shù)值模擬和微震監(jiān)測結(jié)果，高位鉆孔布置層位和平距見表3。在回風(fēng)巷布置8個(gè)鉆場，每個(gè)鉆場施工4個(gè)高位鉆孔，鉆孔孔徑133 mm，鉆孔長度500 m左右，開孔段9 m設(shè)置鋼制套管并用水泥砂漿采用“兩堵一注”方式進(jìn)行封孔。

表3 高位鉆孔布置層位/平距數(shù)據(jù) m

通過在合理層位布置抽采鉆孔，對工作面覆巖瓦斯儲運(yùn)區(qū)卸壓瓦斯進(jìn)行抽采治理，得到了合理層位范圍內(nèi)的瓦斯抽采純量，與其他層位瓦斯抽采純量對比如圖12所示。由圖12可知，合理層位工作面瓦斯抽采量為1.84～3.24 m3/min，平均瓦斯抽采量為2.52 m3/min；其他層位工作面瓦斯抽采量為0.53～2.65 m3/min，平均瓦斯抽采量為1.66 m3/min。合理層位工作瓦斯抽采量為其他層位工作面瓦斯抽采量的1.5倍，瓦斯抽采效果顯著。

圖12 層位影響的工作面瓦斯抽采量對比

4.3 工作面瓦斯治理效果

2018年5月6日至7月25日，對工作面回風(fēng)流和上隅角進(jìn)行瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，如圖13所示。由圖13可以看出，工作面上隅角和回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛染陀?.8%，保證了采煤工作面高效安全回采。同時(shí)也說明瓦斯抽采合理層位布置的重要性。

圖13 上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

5 結(jié)論

(1)隨工作面的推進(jìn)，工作面上覆巖層垮落高度距煤層底板距離從16 m變化到90 m；離層裂隙距頂板距離隨工作面的推進(jìn)由23 m增大至102 m；空洞高度隨工作面的推進(jìn)不斷減小。

(2)初次來壓前基本頂未斷裂，上覆巖層未對底板形成壓力，隨工作面的推進(jìn)，采空區(qū)的應(yīng)力一直在減小。初次來壓后，上覆巖層開始垮落，采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，隨工作面的推進(jìn)，采空區(qū)的底板應(yīng)力開始增大。

(3)在進(jìn)、回風(fēng)巷頂板，煤層、采空區(qū)頂?shù)装骞舶l(fā)生了2 572個(gè)微震事件，事件集中分布在工作面前方50 m范圍內(nèi)，此區(qū)域應(yīng)力集中較大，應(yīng)注意超前支護(hù)防范。12301工作面周期來壓平均步距20～26 m，采動裂縫帶高度90～110 m，周期來壓為4～6次。

(4)合理層位工作面瓦斯抽采量1.84～3.24 m3/min，平均瓦斯抽采量2.52 m3/min；其他層位工作面瓦斯抽采量0.53～2.65 m3/min，平均瓦斯抽采量1.66 m3/min。合理層位工作瓦斯抽采量為其他層位工作面瓦斯抽采量的1.5倍，回風(fēng)流、上隅角瓦斯?jié)舛染怀^0.8%，瓦斯治理效果顯著。研究可為類似條件下的礦井瓦斯治理提供參考。