下保護層開采時被保護層裂隙發育與滲透特征

王 晶，王曉蕾

( 呂梁學院 礦業工程系，山西 呂梁 033000 )

我國是一個煤炭大國，煤炭在我國能源結構中占有重要地位[1-2]，對我國經濟發展具有重要的促進作用[3]。隨著我國煤炭的大量回采，淺埋深煤炭資源已趨于枯竭，煤炭企業不得不轉向深部開采，我國煤礦開采深度正以每年8～12 m的速度向下延 伸[4-5]。隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量增加、吸附性增強、滲透率降低[6]。煤與瓦斯突出事故發生概率越來越高，嚴重影響煤礦的安全生產[7]。

保護層開采是區域防突的有效方法之一。當開采保護層時，原始應力平衡狀態被打破，保護層周圍煤巖體發生破壞[8]，形成應力降低區，同時產生裂隙，透氣性發生改變。被保護層內瓦斯得以卸壓，瓦斯壓力和含量降低，從而降低煤層瓦斯突出危險性[9-10]。所以，保護層開采時被保護層裂隙演化和卸壓特征是判斷保護層開采效果的關鍵因素。

針對保護層開采時被保護層裂隙演化和卸壓特征的研究，閆浩[11]等采用上保護層開采技術對深部礦井無常規保護層的高瓦斯透氣煤層安全開采進行了研究，通過數值模擬軟件進行了有效模擬，并應用于平煤十二礦，取得了良好的效果；涂敏[12]等利用數值模擬軟件對保護層開采后覆巖裂隙發育特征以及卸壓增透效果進行了研究，并利用該成果對顧橋煤礦瓦斯進行了治理，瓦斯抽采率達到50%以上，實現了工作面的安全回采；齊慶新[13]等為解決沙曲煤礦近距離突出危險煤層群開采瓦斯防治問題，采用理論分析、模擬研究以及現場實測對其22201工作面進行了分析，得出了保護層開采后具有較好效果的結論，并在實測中進行了應用，保證了良好的抽采效果；何祥[14]等以潘二煤礦為試驗礦井，采用相似模擬試驗和數值模擬試驗以及現場測試相結合的方法對保護層開采煤層卸壓增透以及抽采效果進行了研究，卸壓瓦斯抽采率可達69%以上，煤層滲透率增加了2 000倍以上，證實了該技術的可行性；施峰[15]等采用相似模擬技術對南桐礦區不同間距下保護層開采時被保護層開采效果進行了研究，隨著間距的增加被保護層的卸壓范圍增加，且隨層間距的增加保護范圍呈加速減小趨勢；霍丙杰[16]等采用相似模擬技術對長平礦保護層開采煤層滲透性變化進行了分析，保護層開采后被保護層變形率和滲透率都較大，滲透性增大了1倍多，對于礦井瓦斯治理具有很好的理論支撐；張宏偉[17]等采用相似模擬技術對長平煤礦低滲透煤層開采卸壓效果進行了研究，卸壓后滲透率提高了30多倍，達到了開采卸壓的保護效果。

以上學者主要通過相似模擬、數值模擬對保護層開采影響范圍以及覆巖移動變化特征進行了研究，但缺乏對被保護層裂隙演化以及滲透性的研究。為此本文以某礦為試驗礦井，采用鉆孔電視窺視和分段注水試驗對保護層開采過程中被保護層裂隙及滲透變化特征進行分析，并對保護層開采過程中滲透特性進行了模擬研究。

1 工程概況及觀測設備

1.1 工程概況

該煤礦生產能力0.3 Mt/a。井田內存在19號、25號兩層煤，其平均厚度分別為2.0，1.8 m。采用綜采一次采全高的開采工藝，自然垮落法管理頂板。其中19號煤層屬于煤與瓦斯突出煤層，瓦斯壓力達到1.01 MPa，瓦斯含量為14.01 m3/t，煤層透氣性較差，進行常規鉆孔瓦斯抽采時很難達到治理效果，無法實現抽放瓦斯的目的。25號煤層氣瓦斯壓力為0.5 MPa，瓦斯含量7.9 m3/t，與19號煤層的瓦斯壓力和突出危險性相比均較低。為了提高19號煤層的透氣性，可選擇25號煤層作為下保護層開采從而防治煤與瓦斯突出事故發生，在25號煤層中布置首采工作面11023。根據工作面實際情況以及地質特征布置編號分別為①，②的2個鉆孔進行觀測，鉆孔布置如圖1所示，①和②號鉆孔深度為35 m，垂直于煤壁仰角45°布置，鉆孔間距35 m。

圖1 鉆孔布置示意 Fig. 1 Schematic of borehole layout

1.2 測試設備

1.2.1 鉆孔電視窺視裝置

鉆孔電視采用防爆型鉆孔成像裝置，其主要由成像系統、測深系統、處理系統3部分組成。其系統結構如圖2所示。

圖2 鉆孔電視系統 Fig. 2 Drilling television system

其成像原理是在井下設備中采用了一種特殊的反射棱鏡成像的CCD光學耦合器件將鉆孔孔壁圖像以360°全方位連續顯現出來，利用處理系統將采集到的鉆孔圖像進行處理，測試中不斷采集和保存，最后通過二維或三維的圖片形式呈現，通過圖片能夠清楚地查明鉆孔裂隙張開特征以及構造特征等全方位信息。圖像轉變系統結構如圖3所示。

圖3 鉆孔圖像轉變系統結構 Fig. 3 Structure of drilling image transformation system

1.2.2 鉆孔注水設備

鉆孔設備采用山東科技大學的雙栓塞分段注水裝置，其包含測試裝置、封孔裝置、操作裝置3部分。其系統結構如圖4所示。

圖4 分段注水系統 Fig. 4 Subsection water injection system

鉆孔分段注水裝置測試原理是保護層回采前被保護層處于原始狀態，當保護層開采后，原始狀 態被打破，受到采動影響的作用，被保護層發生位移、破斷，同時形成采動裂隙，裂隙發育度會發生改變，通過測試不同段的注水量，可定性判斷其裂隙發育程度。

2 被保護層裂隙發育

采用鉆孔電視窺視和分段注水裝置探測被保護層裂隙發育情況，為了準確掌握裂隙發育情況和提高測試效率，采用多孔測試、一孔多用的原則。試驗中為了避免注水對裂隙的破壞造成鉆孔電視窺視結果不準確，在試驗中先進行鉆孔電視窺視，再進行分段注水試驗。

2.1 鉆孔電視窺視

采用鉆孔窺視裝置對被保護層進行裂隙觀測，觀測圖像如圖5所示。

圖5 裂隙發育特征 Fig. 5 Characteristics of fracture development

由鉆孔電視窺視結果可知，保護層開采前，被保護層裂隙數量較少，裂隙寬度較小，裂隙發育度較低；當保護層開采后，裂隙數量明顯增多且裂隙寬度有一定增加。為了進一步分析裂隙發育特征對保護層開采前后裂隙進行數字化分析，分析裂隙數量與寬度的關系特征，得出裂隙數量與寬度曲線、裂隙寬度比例的曲線圖，如圖6，7所示。

裂隙寬度反映了受保護層開采影響被保護層裂隙發育的程度。由圖6和圖7可知，保護層開采后，被保護層裂隙寬度多集中在10 mm以下，占所有裂隙的83.3%。當保護層開采后，受采動影響，裂隙寬度和數量有所增加，主要集中在10～20 mm之間，占所有裂隙的75%。這說明保護層開采后被保護層受采動影響，裂隙發育度升高。

圖6 裂隙數量與寬度關系曲線 Fig. 6 Relationship between the number and width of fractures

圖7 裂隙寬度分布曲線 Fig. 7 Fracture width distribution curves

2.2 分段注水試驗

試驗中測試段長度為1 m，為了提高試驗準確度，每個測試段進行3次試驗，取平均值，注水時間設置為5 min，注水壓力為0.4 MPa。保護層開采前被保護層注水特征如圖8所示。

由圖8可知，保護層開采前被保護層鉆孔注水量保持在8 L/min左右，裂隙發育程度整體偏低。當保護層開采后，被保護層鉆孔注水量明顯提高，注水量可達到24 L/min，是開采前的3倍，受保護層采動影響，被保護層裂隙發育程度明顯提高。采動對于裂隙發育具有很好的促進作用。

圖8 鉆孔注水量曲線 Fig. 8 Water injection curves

3 被保護層增透相似模擬試驗

由裂隙演化可知，25號煤層進行下保護層開采，其影響范圍可以達到被保護的19號煤層，其影響程度以及卸壓增透效果如何還需要進一步分析，為了明確下保護層開采后被保護層的影響特征，采用相似模擬對其進行分析，試驗中采用可伸縮箱式滲透性測試系統，系統結構如圖9所示[18]。

圖9 相似模擬結構 Fig. 9 Characteristics of fracture development

為了更好地觀測保護層開采過程中被保護層變化特征，采用二維模擬裝置進行研究。相似模擬試驗臺尺寸為2.9 m×2.0 m×0.3 m( 長×高×寬 )。以細沙、石灰、石膏為骨料，硼砂為膠結材料，以云母模擬巖層分層。根據工作面實際情況確定幾何相似比為100∶1，密度比為1.6∶1.0，強度比為160∶1，時間比為10∶1。為了補償覆巖320 m的自重應力，施加0.05 MPa的垂直應力。開挖過程中兩側留設保護煤柱，根據工作面開采實際情況進行開挖。

3.1 開采被保護層應力特征

保護層開采后，原始應力平衡狀態被打破，應力將重新分布，為了分析保護層開采后對被保護層應力的影響，對被保護層應力進行分析。

在19號煤層中每隔10 cm布置1個測點，初始測點距離左側10 cm。共布置15個測點，測點布置如圖10所示。開挖過程中被保護層各測點應力變化特征如圖11所示。

圖10 應力測點布置 Fig. 10 Layout of stress points

圖11 應力分布曲線 Fig. 11 Stress distribution curves

由圖11可知，保護層開采后，被保護層應力平衡被打破，出現明顯的應力降低區。在保護煤柱以及煤壁兩側出現了應力升高區。沿工作面開采方向將上覆巖層應力劃分為原巖應力區、支撐應力區、開采卸壓區、應力恢復區4個區，如圖12所示。

圖12 應力分區特征 Fig. 12 Characteristics of stress zoning

當保護層開采到50 m時，被保護層煤壁和保護煤柱附近出現了應力集中現象，應力集中系數分別為1.50，1.42。工作面后方20～45 m范圍內被保護層應力降低到6.8～7.3 MPa，形成了卸壓區，卸壓系數最高可達到28%。當保護層開采到100 m時，被保護層卸壓范圍進一步擴大，開切眼前方20～70 m范圍內形成了卸壓區，應力最低降到3.4 MPa。由此可知，保護層開采后，受采動影響被保護層應力得到有效釋放。

3.2 保護層開采過程中被保護層增透特征

當相似模擬試驗模型形成后，打開高壓氮氣瓶，通入1.5 MPa的氮氣，同時觀察壓力表讀數，檢測該系統的密閉性。當通入高壓氮氣1 h后，壓力表讀數為1.481 MPa，壓力損耗0.019 MPa，損耗率為1.2%。由此可知，密閉性較好，可以進行被保護層卸壓增透效果試驗，通過氮氣流量測定被保護層滲透率。保護層開采過程中被保護層滲透率變化如圖13所示。

圖13 滲透率分布曲線 Fig. 13 Permeability distribution curves

當工作面開采到110 m時，工作面煤壁距被保護層滲透率測試系統中的1號垂直距離為30 m，結合應力監測，出氣口位置未受到采動影響，該次測試的被保護層滲透率為未采動影響下的滲透率，為3.61×10-11m2。由測定結果可知，被保護層滲透率與應力變化存在緊密聯系，當應力增加時滲透率減少，應力減少時滲透率升高。

原巖應力區距離工作面較遠，基本上不受保護層采動影響，滲透率保持穩定；支撐應力區屬于應力升高區，受應力增高影響，采動裂隙閉合，滲透率降低；開采卸壓區主要位于采空區上方，裂隙發育度較高，滲透率較高；應力恢復區受采動影響產生裂隙，但應力已恢復，因此，裂隙有一定閉合，滲透率降低。以保護層開采到170 m進行分析，根據應力特征可知，1號和2號進氣口處于卸壓區內，其滲透率明顯提高，可達到32.2×10-11和24.3×10-11m2。3號至6號出氣口位于支撐應力區內，其滲透率明顯降低，最低值為1.42×10-11m2。7號至9號出氣口基本上處于原巖應力區內，其滲透率基本上與未開采時相同，為3.62×10-11～3.64×10-11m2。以原巖應力區滲透率作為對比值，不同分區滲透強度變化如圖14所示。

圖14 應力分區與滲透率強度關系 Fig. 14 Characteristics of stress zoning

4 被保護層卸壓數值模擬試驗

由現場測試以及相似模擬試驗可知，25號煤層作為19號煤的下保護層進行開采，其頂板的影響范圍可達到被保護層19號煤，但影響程度以及卸壓增透效果如何，有待進一步分析。

為了進一步明確下保護層開采后對于被保護層的影響特征，采用FLAC3D數值模擬軟件，建立數值模擬模型分別對保護層開采后被保護層卸壓特征、膨脹特性兩個方面進行分析研究，進一步驗證該方法在該礦實施的合理性[19]。

以11023工作面25號煤層開采卸壓保護19號煤層為工程背景，構建了數值模擬模型，如圖15所示。本次數值模擬試驗采用摩爾－庫倫模型，其物理力學參數見表1。模型底部和左右設置為固定邊界，上部自由。

圖15 數值模擬模型 Fig. 15 Numerical simulation model

表1 物理力學參數 Table 1 Mechanical and physical parameters

4.1 開采被保護層卸壓特征

保護層開采后，受采動影響被保護層能夠進行卸壓，采用卸壓率對其進行評價，計算公式為

式中，sη為被保護層卸壓率； 'zσ為卸壓垂直應力； zσ為未開采時的垂直應力。

通過式( 1 )得出工作面開采過程中被保護層的卸壓率曲線，如圖16所示。

圖16 卸壓率曲線 Fig. 16 Pressure relief rate curve

由圖16可知，當保護層開采到300 m時，被保護層出現了卸壓，距離開切眼50和260 m卸壓效率最高達到了1.45，中部地區保持在0.5左右，卸壓率曲線整體呈“溝渠狀”分布，其應力平均下降了將近50%，說明保護層開采對被保護層有很好的卸壓作用。

4.2 開采被保護層膨脹特征

對保護層開采過程中被保護層頂底板位移變形量進行監測，以膨脹率為判定依據，其計算公式為

式中，ξ為被保護層的膨脹率；u為保護層開采過程中被保護層頂底板位移差；M為被保護層厚度。

通過計算得出保護層開采過程中被保護層膨脹率曲線，如圖17所示。

圖17 膨脹率曲線 Fig. 17 Inflation curve

由圖17可知，保護層開采后，被保護層頂底板產生了相對位移。其膨脹率曲線呈現兩邊高中間低的“溝渠狀”分布，膨脹率整體大于煤礦《防治煤與瓦斯突出細則》的3‰的要求。該煤礦實行保護層開采達到了卸壓增透的效果。

5 綜合分析

由保護層開采前后被保護層注水量以及裂隙發育特征對比分析可知，保護層開采前被保護層鉆孔注水量較低，在裂隙發育特征圖像上裂隙發育量極小且裂隙發育寬度較低；當保護層開采后被保護層鉆孔注水量明顯提高，是保護層開采前的3倍，在裂隙發育特征圖像上裂隙發育量明顯提高且裂隙數量明顯增加。鉆孔電視探測與分段注水試驗具有較好的一致性，進一步證實了現場測試的準確度。

保護層開采前被保護層鉆孔注水量及裂隙發育量較低，而在相似模擬中保護層未開采前被保護層裂隙滲透率極低，為3.61×10-11m2，其應力處于原始應力狀態；當保護層開采后，被保護層鉆孔注水量及裂隙發育程度明顯提高，而在相似模擬中保護層開采后被保護層裂隙滲透率明顯提高，保護層開采能夠有效提高被保護層裂隙滲透率；相似模擬試驗中當應力增加時滲透率減少，應力減少時滲透率升高，與數值模擬試驗中應力相比平均下降了近50%，而被保護層卸壓率有較高提升的結論相一致，進一步證實了保護層開采引起的應力變化對于被保護層卸壓具有較好的促進作用。

綜合現場測試、相似模擬、數值模擬試驗，保護層開采后被保護層裂隙發育度明顯提高，被保護層具有明顯的應力降低和卸壓率提高，被保護層膨脹率超過細則規定，當進行保護層開采時，被保護層滲透率增加，促進被保護層瓦斯解吸和擴散速度的提升，提高瓦斯治理效果。因此，該煤礦實行保護層開采是可行的。

6 結 論

( 1 ) 保護層開采前，被保護層裂隙發育數量和寬度較小，保護層開采后，裂隙數量和寬度明顯增加，裂隙發育度提高。

( 2 ) 保護層開采后被保護層出現了原巖應力區、支撐應力區、開采卸壓區、應力恢復區4個區，卸壓區內滲透率是未開采前的7倍以上。

( 3 ) 保護層開采后，被保護層卸壓幅度將近50%，卸壓率曲線呈“溝渠狀”分布。

( 4 ) 保護層開采后，被保護層膨脹率整體大于3‰，滿足《防治煤與瓦斯突出細則》的要求，因此實行保護層開采可以達到卸壓增透的效果。