煤層群重復采動卸壓瓦斯儲運區(qū)演化規(guī)律實驗研究

林海飛，李磊明，李樹剛，2，孔祥國，2，劉思博，丁 洋，2

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點試驗室，陜西 西安 710054；3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

0 引 言

相對于單一煤層而言，井田中存在多層不同水平的煤層稱之為煤層群。目前，我國諸如貴州畢節(jié)、河南平頂山、安徽兩淮等多個高瓦斯礦區(qū)均具有煤層群開采條件。采動卸壓瓦斯儲運區(qū)域變化特征與覆巖裂隙演化規(guī)律密切相關(guān)，而煤層群煤層重復開采與單一煤層開采覆巖移動破斷規(guī)律有所不同[1]。

對于煤層覆巖采動裂隙動態(tài)分布規(guī)律的研究，國外的GHABRAIE，DAVID等研究了采動覆巖沉降地質(zhì)力學，提出了覆巖移動帶變形規(guī)律[2-3]。錢鳴高等提出采動裂隙“O”形圈理論[4-5]。林海飛等提出了采動裂隙圓角矩形梯臺帶工程模型[6]。對于煤層群開采覆巖裂隙演化，劉三鈞等分析了遠距離下保護層開采上覆煤巖層裂隙動態(tài)演化規(guī)律[7]。李樹剛等研究了單層煤開采和重復采動條件下覆巖移動、裂隙分布與演化規(guī)律、支承壓力分布特征及采動裂隙橢拋帶形態(tài)[8]。張慶賀、楊科、陳榮柱等研究了多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)下保護層開采覆巖采動裂隙發(fā)育規(guī)律[9-11]。潘瑞凱等將重復采動覆巖劃分為不規(guī)則空隙帶和周期性空隙帶以及拱間優(yōu)勢空隙帶和拱下微空隙帶[12]。程志恒等研究了保護層與被保護層雙重采動影響下圍巖應(yīng)力-裂隙分布與演化特征[13]。李樹清等研究了單層煤開采和雙重卸壓開采覆巖位移、裂隙及應(yīng)力分布與演化規(guī)律[14]。

綜上可知，對于煤層群裂隙演化規(guī)律研究成果較為豐富，在高瓦斯煤層群開采瓦斯防治方面起到了重要作用。為進一步明確煤層群重復開采后采動卸壓瓦斯儲運區(qū)動態(tài)演化規(guī)律，文中以貴州某礦為研究背景，通過物理模擬實驗分析了煤層群采動覆巖裂隙分布特征；研究了工作面附近卸壓瓦斯儲運區(qū)演化規(guī)律；提出了相應(yīng)的判別方法。以期為高瓦斯煤層群采動卸壓瓦斯抽采布置提供參考依據(jù)。

1 物理相似模擬實驗方案

1.1 實驗原型

貴州某礦主采16#煤層、18#煤層，采用下行式開采，16#煤層厚0.3～3.0 m，平均2.6 m，傾角7°～15°，平均11°；18#煤層厚1.3～4.1 m，平均3.3 m，傾角6°～12°，平均8°，與16#煤層間距平均22 m。11613工作面主采16#煤層，走向長650 m，面長145 m；11813工作面主采18#煤層，走向長918 m，面長180.6 m，工作面均采用綜采一次采全高長壁后退式開采方式。工作面覆巖巖性參數(shù)見表1，根據(jù)關(guān)鍵層判別方法[15]得到工作面上覆巖層關(guān)鍵層，結(jié)果見表2。

表1 上覆巖層物理力學參數(shù)

表2 上覆巖層模擬高度

1.2 相似常數(shù)確定

實驗采用平面模型，按照表2煤巖層巖性、厚度的不同分層進行走向模擬，模型尺寸2 000 mm×200 mm×110 mm(長×寬×高)，按實驗要求和相似定理確定的相似常數(shù)見表3。

表3 模型相似常數(shù)

1.3 實驗步驟

1)為研究煤層群開采后的覆巖運動情況，分析煤層群重復采動后卸壓瓦斯儲運區(qū)的演化規(guī)律。實驗?zāi)M工作面走向長度160 m，煤巖層高度110 m，對于模型未能模擬的巖層厚度，采用加配重的方法實現(xiàn)。

2)上層煤回采過程中，在模型兩邊各留設(shè)20 cm的邊界煤柱，以盡量消除邊界效應(yīng)。在煤層開挖7 cm(對應(yīng)原型值7 m)作為工作面的開切眼，每次間隔2、3 cm進行推進，記錄開挖過程中的巖層裂隙發(fā)育情況。

3)上層煤回采結(jié)束后達到開采穩(wěn)定狀態(tài)，進行下層煤的模擬回采。在模型邊界20 cm處開挖7 cm的開切眼，按間隔2、3 cm的推進速度進行回采，停采線設(shè)置在距離邊界20 cm的位置，記錄煤層群重復采動后巖層裂隙發(fā)育情況。相似模型實物圖如圖1所示。

圖1 實驗?zāi)Ｐ筒贾?/p>

2 卸壓瓦斯儲運區(qū)演化規(guī)律及判別

2.1 煤層群開采卸壓瓦斯儲運區(qū)演化規(guī)律

2.1.1 上層煤開采卸壓瓦斯儲運區(qū)演化規(guī)律

16#煤層11613工作面推進37 m時，直接頂初次垮落，垮落高度5 m，巖梁跨度18 m，下方空洞高2.4 m，此為卸壓瓦斯的主要儲集空間，如圖2(a)所示。

隨著工作面推進至59 m，基本頂初次來壓，垮落高度16 m，巖梁長20 m，空洞高1.9 m，此時在尚未垮落的亞關(guān)鍵層2下方的離層裂隙為瓦斯儲集空間，如圖2(b)所示。隨著工作面的持續(xù)推進，在工作面附近覆巖關(guān)鍵層下方位置始終有瓦斯儲集空間的存在。工作面推進至119 m時垮落帶高度11 m，裂隙帶高度53 m，裂隙區(qū)寬度20 m，裂隙區(qū)內(nèi)已斷裂垮落的亞關(guān)鍵層1，2下方及處于較高層位尚未垮落的亞關(guān)鍵層3下方均形成了卸壓瓦斯儲集空間，如圖2(c)所示。工作面推進至132 m時，垮落帶高度11 m，裂隙帶高度不再向上發(fā)育，距離煤層底板53 m，此時，裂隙區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵層下方形成新的瓦斯儲集空間，如圖2(d)所示。16#煤回采過程中，覆巖移動變化的基本情況見表4。

圖2 工作面推進不同距離垮落形態(tài)

表4 覆巖移動垮落及來壓情況(單位：m)

2.1.2 下層煤開采覆巖裂隙演化規(guī)律

如圖3(a)所示，下煤層工作面推進45 m時，上覆巖層垮落高度13 m，空洞高度3.1 m，此時，間隔層內(nèi)關(guān)鍵層未破斷，懸梁跨度25 m。

如圖3(b)所示，工作面推進至59 m時，關(guān)鍵層斷裂造成工作面初次來壓，縱向破斷裂隙發(fā)育顯著增加，上下兩煤層采動裂隙貫通，采動裂隙區(qū)寬度增加，下煤層采動卸壓瓦斯易隨著工作面處裂隙區(qū)向上運移至關(guān)鍵層下方儲集空間，還有一部分瓦斯沿著上煤層工作面垮落帶運移至上煤層回采形成的瓦斯儲集空間。如圖3(c)所示，工作面推進至134 m時，其處于上煤層采動覆巖壓實區(qū)下方，垮落帶高度13 m，裂隙帶高度則發(fā)育至距離煤層底板83 m處，此時，間隔層內(nèi)關(guān)鍵層下方離層裂隙是瓦斯儲集的主要空間。如圖3(d)所示，當工作面推進到150 m時，裂隙帶高度穩(wěn)定在距離煤層底板83 m。裂隙區(qū)內(nèi)縱向破斷裂隙發(fā)育，瓦斯易隨著裂隙區(qū)內(nèi)縱向破斷裂隙向上運移至本煤層上覆巖層瓦斯儲集空間，并繼續(xù)向上運移至上部煤層停采線處裂隙區(qū)內(nèi)的瓦斯儲集空間。18#煤層回采過程中，上覆巖層整體移動垮落情況見表5。

圖3 重復采動覆巖垮落形態(tài)

表5 覆巖移動垮落情況(單位:m)

2.2 采動卸壓瓦斯儲運區(qū)演化特征

對于卸壓瓦斯儲集空間，上層煤開采后，亞關(guān)鍵層1處于垮落帶，隨著工作面推進，亞關(guān)鍵層1破斷垮落，其所控制巖層上方與未垮落亞關(guān)鍵層2形成離層空間，此為卸壓瓦斯儲集區(qū)域，同時工作面附近，亞關(guān)鍵層1及其所控巖層形成破斷裂隙區(qū)，此為卸壓瓦斯優(yōu)勢運移通道；而亞關(guān)鍵層1未垮落部分呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，隨著工作面推進，該結(jié)構(gòu)會反復出現(xiàn)，由于其處于垮落帶，其下方瓦斯?jié)舛容^低，不是瓦斯抽采的重點區(qū)域。

亞關(guān)鍵層2處于裂隙帶，隨著工作面推進，該關(guān)鍵層破斷垮落，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，其所控制巖層上方與未垮落亞關(guān)鍵層3形成卸壓瓦斯儲集空間，同時工作面附近，亞關(guān)鍵層2形成鉸接結(jié)構(gòu)，隨著工作面推進，關(guān)鍵層下該結(jié)構(gòu)反復出現(xiàn)，由于其處于裂隙帶，其下方瓦斯?jié)舛容^高，是瓦斯抽采的重點區(qū)域。

隨后，當工作面推進到一定距離后，主關(guān)鍵層彎曲下沉，其下方不再出現(xiàn)離層空間。如圖4所示為上層煤開采卸壓瓦斯儲運區(qū)示意圖。

圖4 煤層開采卸壓瓦斯儲運區(qū)

當下層煤開采后，煤層間關(guān)鍵層處于裂隙帶，隨著工作面推進，該關(guān)鍵層破斷垮落形成砌體梁結(jié)構(gòu)，與下方巖層形成離層裂隙，是瓦斯儲集空間；由于上下兩煤層采動裂隙貫通，當工作面推進到上層煤停采線附近時，上層煤瓦斯儲集空間略有減小。但瓦斯易沿著裂隙區(qū)通道向上運移至間隔內(nèi)關(guān)鍵層下儲集空間，再順著上煤層冒落帶內(nèi)裂隙通道繼續(xù)向上，此時，上煤層采動形成的瓦斯儲集空間充滿瓦斯成為瓦斯抽采的重點區(qū)域。煤層群重復采動后瓦斯儲運區(qū)演化過程如圖5所示。

圖5 重復采動卸壓瓦斯儲運區(qū)域演化過程

2.3 采動卸壓瓦斯儲集區(qū)判別方法

第1步：明確采場上覆巖層所有硬巖層，確定采場上方全部關(guān)鍵層層位。

第2步：根據(jù)工作面開采高度，考慮亞關(guān)鍵層下方巖層碎脹系數(shù)，確定亞關(guān)鍵層是否位于垮落帶形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，造成工作面開采期間亞關(guān)鍵層下方出現(xiàn)空洞，成為短暫儲集卸壓瓦斯空間，即式(1)是否成立[16]。

(1)

如式(1)成立，則認為直接頂垮落后，會在關(guān)鍵層的下方出現(xiàn)空洞，瓦斯短暫儲集。如式(1)不成立，則亞關(guān)鍵層將進入裂隙帶，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵層下方離層裂隙空間穩(wěn)定，卸壓瓦斯易儲集。

第3步：如關(guān)鍵層下方存在空洞，結(jié)合工作面設(shè)計開采參數(shù)確定是否會造成上方關(guān)鍵層出現(xiàn)斷裂，即

a-2∑hcotα≥h2(2Rt/q)1/2

(2)

式中 ∑h為關(guān)鍵層與工作面之間巖層的累計厚度；α為覆巖的斷裂角；h2為關(guān)鍵層厚度；Rt為關(guān)鍵層的抗拉強度；q為關(guān)鍵層承載。

如式(2)成立，則認為關(guān)鍵層受回采范圍影響會出現(xiàn)斷裂；反之，則認為關(guān)鍵層僅發(fā)生彎曲下沉或未受到采動影響，此時，該關(guān)鍵層下方不存在瓦斯儲集空間。

第4步：如關(guān)鍵層發(fā)生斷裂，則需要進一步確定其斷裂后屬于垮落帶還是裂隙帶[17-18]，即

1)斷裂塊體不發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件

(3)

式中φ為巖塊間的摩擦角，(°)。

2)斷裂塊體不發(fā)生變形失穩(wěn)的條件

(4)

式中，σp為斷裂巖塊咬合處的擠壓力，MPa；σc為巖塊抗壓強度，MPa；k為根據(jù)經(jīng)驗判定比例系數(shù),i=L/h2；β為巖塊斷裂后允許的下沉角度，(°)。由空洞尺寸與斷裂步距L決定。

如果斷裂后的巖塊同時滿足式(3)和式(4)，則關(guān)鍵層處于裂隙帶，關(guān)鍵層斷裂回轉(zhuǎn)形成砌體梁結(jié)構(gòu)，與鄰近下層位關(guān)鍵層采動隨動巖層形成穩(wěn)定存在的離層裂隙空間，是卸壓瓦斯儲集的優(yōu)勢空間。反之，關(guān)鍵層垮落仍然處于垮落帶，關(guān)鍵層下方瓦斯儲集空間短暫存在。

第5步：上煤層采動覆巖穩(wěn)定狀態(tài)為下煤層回采的初始條件，確定煤層間關(guān)鍵層位置，返回第2步對煤層間關(guān)鍵層進行判定，存在2種情況：①關(guān)鍵層斷裂處于垮落帶中呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，瓦斯儲集空間短暫存在；②關(guān)鍵層斷裂處于裂隙帶中呈砌體梁結(jié)構(gòu)，此時，卸壓瓦斯的運移儲集又可分為2種情況[19]。

第一，上下兩煤層采動裂隙尚未貫通前，下煤層采動卸壓瓦斯沿著裂隙區(qū)通道向上運移至間隔層關(guān)鍵層下方離層裂隙處儲集。

第二，采動裂隙貫通后，由于上覆巖層冒落帶內(nèi)巖層碎裂成塊，錯落的堆放擠壓在一起，巖塊間雜亂的分布諸多裂隙，瓦斯容易在其中流動[20]。因此，下煤層卸壓瓦斯易沿著裂隙區(qū)通道向上運移至間隔層內(nèi)關(guān)鍵層下儲集空間，再順著上煤層冒落帶內(nèi)裂隙通道繼續(xù)向上，此時，上煤層采動形成的瓦斯儲集空間再次成為瓦斯抽采的重點區(qū)域。如圖6為煤層群開采瓦斯儲集空間判別程序。

圖6 瓦斯儲集空間判別程序

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 抽采系統(tǒng)布置

16#煤層11613采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用高位定向鉆孔，如圖7所示，終孔布置在距離煤層頂板15 m處，位于亞關(guān)鍵層2下方卸壓瓦斯儲集區(qū)。鉆孔分布在距離回風巷10～40 m裂隙區(qū)，共4個鉆孔，間距10 m。定向孔在水平面設(shè)計平行于回風巷，深度600 m。

圖7 11613工作面鉆孔布置

18#煤層11813采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用軌順施工導通鉆孔，每組導通鉆孔施工4個，孔徑153 mm，打穿11613軌順巷道，利用11613軌順作為高抽巷抽采11813采空區(qū)瓦斯，如圖8所示，同時布置采空區(qū)埋管進行邁步式抽采。

圖8 11813工作面鉆孔布置

3.2 瓦斯抽采效果

11613工作面布置的4個鉆孔抽采效果如圖9所示。鉆場最大抽采濃度27.8%，最大混合量達29.3 m3/min，最大純量達6.75 m3/min，累計抽采瓦斯量約115萬m3。

圖9 16#煤瓦斯抽采效果

11813工作面瓦斯抽采7個月效果如圖10所示，每個時間段瓦斯抽采總量較穩(wěn)定，月平均抽采總量99 119.96 m3；抽采瓦斯?jié)舛然揪S持在每月15.1%，瓦斯抽采平均純流量為2.35 m3/min。

圖10 18#煤瓦斯抽采效果

4 結(jié) 論

1)重復采動條件下工作面及其上覆巖層內(nèi)裂隙演化規(guī)律：16#煤層開采垮落帶高度11 m，裂隙帶高度53 m。隨著18#煤的開采，煤層群采動裂隙貫通，16#煤上覆巖層裂隙進一步發(fā)育擴展；當工作面推進至150 m，受煤層群重復采動影響垮落帶高度13 m，裂隙帶高度83 m。位于裂隙帶內(nèi)的關(guān)鍵層下方離層區(qū)域是卸壓瓦斯儲集的優(yōu)勢空間。

2)結(jié)合物理相似模擬實驗以及上覆巖層內(nèi)關(guān)鍵層各項參數(shù)，可計算確定各關(guān)鍵層在覆巖“三帶”中的位置及其采動過程中斷裂垮落結(jié)構(gòu)，提出工作面附近卸壓瓦斯儲集空間判別方法。

3)基于采動卸壓瓦斯儲集空間判別結(jié)果，16#煤高位定向鉆孔進行卸壓瓦斯抽采，18#煤采取鉆孔導通上煤層運順高抽巷及采空區(qū)埋管相結(jié)合抽采方式，瓦斯抽采效果良好，保證工作面的安全高效回采。