近距離煤層群走向高抽巷層位布置研究

李 忠，張慧杰，郝秀明，舒龍勇，朱南南

(1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)興峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省陽泉市，045100；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013)

目前我國煤炭開采深度最深已達(dá)1 500 m，并且以10～25 m/a的速度向深部延伸，中東部主要礦井開采深度已達(dá)800～1 000 m[1]。隨著開采深度的增加，高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓的力學(xué)特征顯著[2]，由此導(dǎo)致了高瓦斯含量、低透氣性的工程問題，礦井瓦斯涌出量逐步增加，高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井?dāng)?shù)量越來越多，尤其對(duì)于近距離煤層群條件礦井，瓦斯治理成為越發(fā)突出的技術(shù)難題[3-4]。煤與瓦斯共采是煤層群安全開采的典型方法[5]，走向高抽巷作為一種成熟的鄰近層瓦斯抽采方法被廣泛應(yīng)用于近距離煤層群煤礦，并取得顯著成效。朱紅青、楊宏民、張慧杰等[6-10]均對(duì)走向高抽巷的布置層位等關(guān)鍵參數(shù)開展了研究，為本研究提供了參考。

陽泉礦區(qū)是典型的近距離煤層群，是國內(nèi)瓦斯涌出量最大的礦區(qū)之一[11]，筆者總結(jié)了走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯的作用原理，基于裂縫帶高度經(jīng)驗(yàn)公式及關(guān)鍵層理論，提出走向高抽巷層位的理論計(jì)算方法，并統(tǒng)計(jì)陽泉礦區(qū)已有典型走向高抽巷的層位布置及抽采效果，以期為走向高抽巷層位布置提供技術(shù)支撐。

1 走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯作用原理

長壁垮落法回采工作面受采動(dòng)影響會(huì)形成“橫三帶”及“縱三帶”[12]，其中“縱三帶”又包含“頂三帶”及“底三帶”，對(duì)于采空區(qū)上覆巖層，則形成由垮落帶、裂縫帶及彎曲下沉帶組成的“頂三帶”。在覆巖運(yùn)動(dòng)形成“頂三帶”過程中，在地應(yīng)力作用下離層裂隙不斷發(fā)育，導(dǎo)致裂隙場(chǎng)不斷演化，形成通過裂隙網(wǎng)絡(luò)連通的“O”形圈[13]，同時(shí)，裂隙的生成及擴(kuò)展導(dǎo)致含瓦斯煤巖自由空間不斷增加，游離瓦斯的壓力降低造成了瓦斯壓力梯度的產(chǎn)生，促進(jìn)瓦斯解吸，形成瓦斯富集區(qū)；因而，將走向高抽巷布置于裂縫帶“O”形圈范圍內(nèi)，則可實(shí)現(xiàn)卸壓抽采，走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯作用原理如圖1所示。

圖1 走向高抽巷抽采鄰近層瓦斯作用原理

采動(dòng)覆巖裂隙的“O”形圈分布特征是指導(dǎo)走向高抽巷抽采卸壓瓦斯的理論基礎(chǔ)。受采動(dòng)影響，采空區(qū)上方關(guān)鍵層以下煤巖層逐一破斷，待煤巖層下沉一定時(shí)間后，最終形成環(huán)繞工作面的采動(dòng)裂隙“O”形圈。在此基礎(chǔ)上，李樹剛[14]通過開展綜放開采物理模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上覆巖層的采動(dòng)裂縫帶呈現(xiàn)橢圓拋物面形狀，提出了覆巖裂隙的橢拋帶動(dòng)態(tài)分布；林海飛[15]繼而建立了“采動(dòng)裂隙圓角矩形梯臺(tái)帶”工程簡(jiǎn)化模型，描述了采動(dòng)裂縫帶的動(dòng)態(tài)演化過程。采動(dòng)裂隙演化規(guī)律及高抽巷布置如圖2所示。

圖2 采動(dòng)裂隙演化規(guī)律及高抽巷布置示意

瓦斯在采動(dòng)覆巖內(nèi)的流動(dòng)形式為滲流，根據(jù)雷諾數(shù)Re的不同可分為線性層流(1≤Re≤10)、非線性層流(10100)，其瓦斯流動(dòng)可分別采用達(dá)西定律和非線性滲透定律描述：

(1)

式中：qn——n點(diǎn)處的比流量，m3/(m2·d)；

m——指數(shù)，取值范圍為1～2，若m取1，則為達(dá)西定律，若m取大于1，則為非線性滲透定律；

P——瓦斯壓力的平方，MPa2；

λ——煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)。

2 走向高抽巷層位的理論計(jì)算方法

2.1 基于經(jīng)驗(yàn)公式的走向高抽巷層位確定

走向高抽巷的抽采效果與“O”形圈分布密切相關(guān)，巷道層位需依據(jù)采動(dòng)覆巖的裂縫帶高度確定，布設(shè)層位Hg應(yīng)滿足下式[16]：

Hm

(2)

式中：Hm——垮落帶高度，m；

Hg——高抽巷布設(shè)層位，m;

Hl——裂縫帶高度，m。

垮落帶高度可由下式確定：

(3)

式中：M——工作面回采高度，m；

k——垮落巖石平均碎脹系數(shù)；

α——煤層傾角，(°)。

裂縫帶高度可由以下經(jīng)驗(yàn)公式確定：

(4)

式中：a、b、c——常數(shù)，可由表1確定。

表1 常數(shù)取值

將式(3)和(4)代入式(2)，可得：

(5)

2.2 基于關(guān)鍵層理論的走向高抽巷層位確定

走向高抽巷的層位還可通過關(guān)鍵層定量判別確定，一般而言，裂縫帶高度受關(guān)鍵層控制。許家林[17]提出以破斷距作為判斷指標(biāo)來確定關(guān)鍵層，關(guān)鍵層判斷方法敘述如下。

2.2.1 確定堅(jiān)硬巖層

自下而上分析巖層的載荷，假設(shè)第1層巖層為堅(jiān)硬巖層，1～m層巖層均與之協(xié)調(diào)變形，則考慮到第m層巖層對(duì)第1層堅(jiān)硬巖層的作用載荷為：

(6)

式中：q1(x)m——第m層巖層對(duì)第1層堅(jiān)硬巖層的作用載荷，MPa；

hi——第i巖層的厚度，m；

γi——第i巖層的容重，MN/m3；

Ei——第i巖層的彈性模量，MPa。

假設(shè)第m+1層巖層不與第1層堅(jiān)硬巖層協(xié)調(diào)變形，則

q1(x)m+1

(7)

將式(6)代入式(7)，可得堅(jiān)硬巖層的判別公式：

(8)

可據(jù)此方法依次計(jì)算出第1層到第m層堅(jiān)硬巖層。

2.2.2 計(jì)算破斷距

自下而上第k層硬巖層的破斷距l(xiāng)k可按以下公式計(jì)算：

(9)

式中：hk——第k層硬巖層的厚度，m；

σk——第k層硬巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；

qk——第k層硬巖層所承受的載荷，MPa。

其中，qk可按下式計(jì)算：

(10)

式中：j——第k組巖層中的第j層巖層；

mk——第k組巖層的巖層數(shù)量；

Ek,j——第k組巖層第j層巖層的彈性模量，MPa；

hk,j——第k組巖層第j層巖層的厚度，m；

γk,j——第k組巖層第j層巖層的容重，MN/m3；

Ek,0——第k組巖層中第1層硬巖層的彈性模量,MPa;

hk,0——第k組巖層中第1層硬巖層的厚度,m。

2.2.3 關(guān)鍵層判斷

按照?qǐng)?jiān)硬巖層的破斷距確定關(guān)鍵層位置的判別流程如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵層判別流程(以三層硬巖為例，據(jù)許家林)

3 近距離煤層群走向高抽巷層位布置效果分析

3.1 陽泉礦區(qū)概況

陽泉礦區(qū)位于山西省沁水煤田東北部，煤種主要為無煙煤，是全國瓦斯涌出量最大、瓦斯突出事故頻率最高的礦區(qū)之一。陽泉礦區(qū)屬低透氣性煤層群條件，礦區(qū)內(nèi)煤層包括3、6、8上、8、9、12、13、15、15下號(hào)煤層，3號(hào)、15號(hào)煤層屬穩(wěn)定可采煤層。15號(hào)煤層厚度3.53～9.50 m，煤層瓦斯壓力為0.25～2.30 MPa，瓦斯含量7.13～26.73 m3/t，礦井相對(duì)瓦斯涌出量最大達(dá)64 m3/t，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量最大達(dá)600 m3/min，尤為重要的是，礦井瓦斯涌出量中鄰近層瓦斯涌出量的占比超過80%。為解決鄰近層瓦斯涌出問題，走向高抽巷作為一種經(jīng)長期試驗(yàn)效果良好的抽采技術(shù)被廣泛采用。

3.2 走向高抽巷布置層位確定

3.2.1 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定裂縫帶高度范圍

依據(jù)式(3)，工作面回采高度M取6.3 m，垮落巖石平均碎脹系數(shù)k取1.2，煤層傾角取10°，則垮落帶高度Hm為31.99 m；依據(jù)式(4)，陽泉礦區(qū)15號(hào)煤層上覆巖層屬中硬或堅(jiān)硬，若按中硬計(jì)算，a取1.6，b取3.6，c取5.6，則裂縫帶高度Hl為51.65m，若按堅(jiān)硬計(jì)算，a取1.2，b取2.0，c取8.9，則裂縫帶高度Hl為74.80 m。

為保證取值合理，按計(jì)算結(jié)果的并集取值，布設(shè)層位Hg滿足：31.99 m

3.2.2 依據(jù)關(guān)鍵層理論判別堅(jiān)硬巖層

以陽泉礦區(qū)興峪礦為例，X-4號(hào)地勘鉆孔15號(hào)煤層上覆巖層分布見表2(序號(hào)按巖層由上而下遞增)。由于煤巖層物理力學(xué)參數(shù)獲取的局限性，無法對(duì)興峪礦15號(hào)煤層上覆所有巖層進(jìn)行分析，也就無法確定關(guān)鍵層，但是根據(jù)這一方法判斷出堅(jiān)硬巖層也對(duì)裂縫帶高度的確定有指導(dǎo)作用。通過式(8)計(jì)算自下而上的巖層參數(shù)，可得15號(hào)煤層上覆第6層細(xì)砂巖和第20層中砂巖是堅(jiān)硬巖層。

表2 興峪礦15號(hào)煤層上覆巖層賦存特征

續(xù)表2

3.2.3 走向高抽巷合理層位理論分析

15號(hào)煤層上覆兩層堅(jiān)硬巖層，第1層堅(jiān)硬巖層與15號(hào)煤層平均間距25.94 m，小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的垮落帶高度31.99 m，該堅(jiān)硬巖層對(duì)于走向高抽巷布置不具有指導(dǎo)意義；第2層堅(jiān)硬巖層與15號(hào)煤層平均間距79.38 m，略大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的裂縫帶高度74.80 m，該堅(jiān)硬巖層層位對(duì)于裂縫帶高度確定具有關(guān)鍵作用。基于經(jīng)驗(yàn)公式及關(guān)鍵層理論計(jì)算結(jié)果可知，位于15號(hào)煤層上方約79.38 m的中砂巖可作為裂縫帶頂部的標(biāo)志層，高抽巷應(yīng)在該堅(jiān)硬巖層下方合適的層位處布置。

3.3 陽泉礦區(qū)走向高抽巷層位布置效果分析

走向高抽巷在陽泉礦區(qū)的應(yīng)用十分廣泛，總結(jié)已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)于不同地質(zhì)條件下走向高抽巷的層位布置具有借鑒意義。統(tǒng)計(jì)陽泉礦區(qū)已有典型走向高抽巷的層位布置及抽采效果見表3。由表3可知，陽泉礦區(qū)以往走向高抽巷的布置基本符合本次理論分析的合理層位。為研究不同層位布置對(duì)抽采效果的影響規(guī)律，以高抽巷與15號(hào)煤層的層間距、層間距與煤厚的比值分別作橫坐標(biāo)，抽采量與抽采濃度作縱坐標(biāo)，陽泉礦區(qū)不同層位走向高抽巷抽采參數(shù)對(duì)比見圖4。

表3 陽泉礦區(qū)典型走向高抽巷層位布置及抽采效果統(tǒng)計(jì)

圖4 陽泉礦區(qū)不同層位走向高抽巷抽采參數(shù)對(duì)比

由圖4(a)可知，在層間距由30 m增加至80 m期間，瓦斯?jié)舛瘸式档挖厔?shì)且變化趨緩，抽采瓦斯混合量快速增大，抽采瓦斯純量緩慢增大，變化趨勢(shì)的拐點(diǎn)均為層間距約70 m處；由圖4(b)可知，隨層間距與煤厚比值自4.5增加至12.5，瓦斯?jié)舛瘸式档挖厔?shì)且變化趨緩，抽采瓦斯混合量與抽采純量均先增大后減小，且拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的層間距與煤厚比為9.5左右。抽采濃度與抽采流量與走向高抽巷層位的變化和裂隙發(fā)育程度有關(guān)，在層間距由30 m增加至80 m時(shí)，距離15號(hào)煤層上覆第2層堅(jiān)硬巖層由遠(yuǎn)及近，推測(cè)離層裂隙發(fā)育程度呈增加趨勢(shì)，堅(jiān)硬巖層下方一定距離處為裂隙最為發(fā)育的區(qū)域。