深部突出煤層采動(dòng)斷裂帶發(fā)育高度確定研究

郭明功， 陶云奇， 張劍釗

（1. 平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦，河南 平頂山 467000；2. 河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；3. 鄭州慧礦智能科技有限公司，河南 鄭州 450016；4. 河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

0 引言

隨著我國(guó)煤炭采掘持續(xù)向縱深發(fā)展，煤與瓦斯突出礦井逐漸增多，采動(dòng)卸壓瓦斯治理難度加大，極易造成采空區(qū)上隅角和回風(fēng)流瓦斯超限。因此，深部煤層采動(dòng)卸壓瓦斯治理已成為煤與瓦斯突出礦井防突工作的重點(diǎn)[1-4]。

目前，采動(dòng)卸壓瓦斯抽采一般采用高位抽采巷、埋管抽采、斜交鉆孔等技術(shù)，但以上技術(shù)存在施工費(fèi)用高、井下運(yùn)輸壓力大、抽采工序復(fù)雜、工期長(zhǎng)等弊端。而采用高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采采動(dòng)卸壓瓦斯能夠有效縮短工期、降低瓦斯治理費(fèi)用、減輕井下排矸、運(yùn)矸壓力。采用高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯技術(shù)代替高抽巷抽采采動(dòng)卸壓瓦斯不僅能夠大幅縮減巖石巷道掘進(jìn)量，有效緩解礦井采掘接替緊張局面，而且瓦斯治理效果顯著，該技術(shù)已在河南、兩淮、山西、陜西、貴州等地諸多礦井推廣應(yīng)用[5-8]。閆保永等[9]在山西呂梁雙柳礦設(shè)計(jì)施工4個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔，且在1號(hào)鉆孔因?qū)游贿x擇不當(dāng)或鉆孔塌孔、堵孔等不確定因素導(dǎo)致抽采純量?jī)H為0.5 m3/min情況下，瓦斯總抽采純量?jī)H比高抽巷低2 m3/min，瓦斯治理成本降低70%，施工工期縮短75%，高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。許超[10]提出了定向鉆孔施工強(qiáng)造斜技術(shù)，在極大縮短定向鉆孔爬坡段無(wú)效進(jìn)尺的同時(shí)，降低了鉆孔復(fù)雜孔段成孔風(fēng)險(xiǎn)。王勇等[11]利用數(shù)值模擬結(jié)果確定鉆孔最佳抽采層位并完成定向鉆孔施工，當(dāng)鉆孔進(jìn)入瓦斯抽采穩(wěn)定階段時(shí)，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)高達(dá)18%，平均瓦斯抽采純量達(dá)8.7 m3/min，利用高位鉆孔輔助其他瓦斯治理措施，使工作面瓦斯抽采率高達(dá)36.7%。陳功華等[12]應(yīng)用高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯技術(shù)將貴州畢節(jié)青龍煤礦回采工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)由抽采前的0.72%降低到了抽采期間的0.20%～0.40%。李文剛等[13]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段確定斷裂帶發(fā)育高度，得出了高位定向長(zhǎng)鉆孔布孔最佳層位。侯國(guó)培等[14]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)確定斷裂帶發(fā)育高度，得出了高位定向長(zhǎng)鉆孔布孔最佳層位。但是，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因采動(dòng)覆巖“三帶”發(fā)育高度范圍確定失準(zhǔn)，定向長(zhǎng)鉆孔布置層位過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用效果不佳的問(wèn)題。鉆孔布置層位過(guò)高，覆巖裂隙未導(dǎo)通，極難抽出瓦斯；鉆孔布置層位過(guò)低，鉆孔抽采混量大、瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)低。因此，采動(dòng)覆巖“三帶”發(fā)育高度的準(zhǔn)確確定極為重要。

鑒于上述分析，以河南平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦（以下簡(jiǎn)稱平煤八礦）己15-15050工作面為研究背景，筆者采用經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法對(duì)該工作面煤層采動(dòng)斷裂帶發(fā)育高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定，并利用千米定向鉆機(jī)在工作面施工高位定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)所得的斷裂帶發(fā)育高度進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，可為類(lèi)似深部高瓦斯采煤工作面斷裂帶發(fā)育高度確定提供理論依據(jù)和參考。

1 工作面概況

平煤八礦己15-15050工作面可采走向長(zhǎng)度為1 988 m，傾向長(zhǎng)度為248 m，煤層厚度為2.5 ～3.8 m，平均煤層厚度為3.3 m，煤層傾角為6～18°，平均為15°。直接頂為深灰色厚層狀砂質(zhì)泥巖，層理明顯；基本頂為淺灰色中細(xì)粒砂巖；煤的堅(jiān)固性系數(shù)?≤0.17，煤的放散初速度ΔP＝28.1 mmHg；原始瓦斯壓力為1.2 MPa，瓦斯含量為9.66 m3/t。根據(jù)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)等級(jí)劃分，己15-15050工作面屬于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性工作面。己15-15050工作面煤層頂板巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，煤層綜合柱狀圖如圖1所示，工作面巷道布置如圖2所示。

圖 1 煤層綜合柱狀圖Fig. 1 Coal seam comprehensive histogram

圖 2 己15-15050工作面巷道布置Fig. 2 Layout of VI15-15050 working face roadway

表 1 煤層頂板巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of mechanical parameters of coal seam roof and rock stratum

2 斷裂帶發(fā)育高度確定

采用高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采采動(dòng)卸壓瓦斯，為保證理想的瓦斯抽采效果，必須首先確定斷裂帶發(fā)育高度，指導(dǎo)高位定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)和施工。目前，斷裂帶發(fā)育高度確定方法依據(jù)不同的基本原理可分為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法3種。但是，僅憑1種方法很難準(zhǔn)確判定斷裂帶發(fā)育高度。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用2種及2種以上方法判定斷裂帶發(fā)育高度。本文采用經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法2種方法綜合確定上覆巖層斷裂帶發(fā)育高度。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

“三帶”發(fā)育高度經(jīng)驗(yàn)劃分一般采用《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》關(guān)于不同煤巖層性質(zhì)形成的經(jīng)驗(yàn)公式。依據(jù)己15-15050工作面煤層傾角、覆巖巖石抗壓強(qiáng)度等選取“三帶”發(fā)育高度計(jì)算公式[15]：

式中：Hma為垮落帶高度；M為煤層厚度；Hli為斷裂帶高度；n為煤分層層數(shù)。

將己15-15050工作面平均煤層厚度M=3.3 m，煤分層層數(shù)n=1代入式（1）、式（2），可得

由經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果可得，己15-15050工作面鉆孔層位應(yīng)選擇在13.2～51.6 m范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法

數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法依據(jù)實(shí)驗(yàn)手段和模擬結(jié)果表現(xiàn)形式可分為相似材料模擬實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法，兩者均是模擬煤層開(kāi)挖進(jìn)而分析上覆巖層裂隙發(fā)育特征和覆巖垮落情況來(lái)確定斷裂帶高度。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)法主要通過(guò)調(diào)節(jié)骨料和黏結(jié)材料配比模擬不同巖層的巖性，并施加外力載荷模擬實(shí)驗(yàn)工作面覆巖承壓情況，利用全站儀和高清數(shù)碼觀測(cè)和記錄煤層模擬開(kāi)挖后覆巖位移和裂隙發(fā)育情況，最終采用鋼尺測(cè)量斷裂帶發(fā)育高度[16]。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法則主要利用UDEC、3DEC、FLAC3D等數(shù)值模擬軟件，通過(guò)對(duì)不同層位進(jìn)行材料參數(shù)和節(jié)理參數(shù)賦值，最終以應(yīng)力云圖、位移云圖等表現(xiàn)形式表征采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征和斷裂帶發(fā)育高度。本文利用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法確定上覆巖層斷裂帶發(fā)育高度。

2.2.1 模型建立

基于離散元算法的UDEC數(shù)值模擬軟件可模擬動(dòng)靜態(tài)加載條件下的非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)行為特征，為工程設(shè)計(jì)或施工提供理論依據(jù)。依據(jù)UDEC軟件特性和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，沿走向建立尺寸?00 m×100 m（長(zhǎng)×高）、以泰森多邊形為表現(xiàn)形式的數(shù)值模型（圖3），對(duì)平煤八礦己15-15050工作面采動(dòng)覆巖斷裂帶發(fā)育高度進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)力學(xué)參數(shù)同表1，采用直觀分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[17-18]。

圖 3 UDEC數(shù)值模型Fig. 3 UDEC numerical model

圖 4 模擬煤層開(kāi)挖數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 Numerical simulation experiment results of simulated coal seam excavation

2.2.2 采動(dòng)覆巖垮落特征分析

在已建立的模型中，煤層上部全部巖層自重簡(jiǎn)化為重力形式加載于模型頂端，每次模擬開(kāi)挖20 m對(duì)頂板覆巖斷裂帶發(fā)育情況進(jìn)行模擬，兩邊各留一定距離煤柱避免邊界效應(yīng)[19]。模型上部設(shè)定為自由邊界，底部及左右兩側(cè)設(shè)定為固定邊界，即模型底部及兩側(cè)邊界節(jié)點(diǎn)在各個(gè)方向不會(huì)發(fā)生位移[20]。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作面回采至40 m時(shí)，頂板發(fā)生周期垮落，工作面第1次周期來(lái)壓，離層裂隙已經(jīng)開(kāi)始形成，部分區(qū)域相鄰巖層出現(xiàn)較小的離層，直接頂出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，且部分巖體垮落至煤層底板，巖層內(nèi)部已出現(xiàn)可視化裂隙，裂隙發(fā)育至11.3 m?；夭芍?0 m時(shí)，工作面第3次周期來(lái)壓，亞關(guān)鍵層斷裂，頂板下部巖層層位運(yùn)移明顯，頂板大部分巖體持續(xù)發(fā)生垮落，垮落至底板，但上部巖層依然處于較穩(wěn)定狀態(tài)，巖層間離層裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，且有向更深部巖層延伸的趨勢(shì)，鄰近采空區(qū)上覆巖層已產(chǎn)生較小縱向裂隙，裂隙發(fā)育至14.7 m。回采至80 m時(shí)，工作面第5次周期來(lái)壓，頂板巖體已基本垮落至頂板，采空區(qū)逐漸被壓實(shí)，且模型頂端發(fā)生輕微凹陷；上覆巖層斷裂區(qū)域逐漸擴(kuò)大，縱向裂隙逐漸向上發(fā)育，且在距煤層頂板41.6 m處以上區(qū)域出現(xiàn)多條縱向裂隙，以下區(qū)域上覆巖層縱向裂隙基本導(dǎo)通；采空區(qū)上覆巖層在計(jì)算剖面已逐漸顯現(xiàn)梯形形態(tài)，裂隙發(fā)育至25.1 m。回采至100 m時(shí)，工作面第7次周期來(lái)壓，主關(guān)鍵層破斷垮落，上覆巖層縱向裂隙完全導(dǎo)通，上覆巖層基本頂完全垮落至煤層底板，煤層早期被回采區(qū)域完全壓實(shí)，上覆巖層上部巖體發(fā)生明顯凹陷且有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，頂板基本保持穩(wěn)定，上覆巖層垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶整體呈現(xiàn)梯形分布。基于垮落帶和斷裂帶分界方法，即關(guān)鍵層是否存在鉸接結(jié)構(gòu)可知，垮落帶最大發(fā)育高度為12.6 m，斷裂帶最大發(fā)育高度為48 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)斷裂帶發(fā)育高度確定結(jié)果指導(dǎo)高位定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)和施工，通過(guò)分析高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采采動(dòng)卸壓瓦斯效果進(jìn)而驗(yàn)證斷裂帶發(fā)育高度確定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1 高位定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)及施工

基于UDEC數(shù)值模擬結(jié)果分析得出的斷裂帶高度，在平煤八礦己15-15050工作面粗粒砂巖、中粒砂巖巖層內(nèi)由低到高均勻設(shè)計(jì)6個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔，開(kāi)孔方位角為160°，開(kāi)孔傾角為10°，鉆孔直徑為120 mm，鉆孔編號(hào)依次為1號(hào)-6號(hào)，鉆孔全程下入?73 mm篩管進(jìn)行護(hù)孔。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。鉆孔布置如圖5所示。

表 2 高位定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of high-level directional long borehole

3.2 瓦斯抽采效果分析

在回采工作面配風(fēng)量為2 400～3 500 m3/min情況下，對(duì)高位定向長(zhǎng)鉆孔控制回采區(qū)域（即己15-15050工作面自2021-08-25-10-27日回采，自開(kāi)切眼以內(nèi)72.1～214.7 m范圍）各鉆孔瓦斯抽采情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)對(duì)比如圖6所示，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采混量對(duì)比如圖7所示，上隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖8、圖9所示。

圖 5 高位定向長(zhǎng)鉆孔布置Fig. 5 Layout of high-level directional long borehole

圖 6 高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)對(duì)比Fig. 6 Comparison of gas extraction volume fraction of high-level diretional long borehole

圖 7 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采混量對(duì)比Fig. 7 Comparison of extraction and production mixing volume of high-level diretional long borehole

（1） 從圖6可看出，2號(hào)鉆孔距煤層頂板20 m，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)相對(duì)偏低，1號(hào)、3號(hào)-5號(hào)鉆孔距煤層頂板均在23 m以上，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，單孔最大瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)分別為13.2%，9.1%，7.52%，6.8%。說(shuō)明高位定向長(zhǎng)鉆孔布置層位準(zhǔn)確且斷裂帶高濃度瓦斯區(qū)在距頂板23 m以上。

（2） 綜合圖5-圖7可看出，1號(hào)鉆孔抽采混量一直保持在較低水平，判定為無(wú)效鉆孔。2號(hào)鉆孔布置在距頂板20 m處，抽采前期，瓦斯抽采混量能夠達(dá)到抽采管經(jīng)濟(jì)流量（10 m3/min）；抽采中期，抽采混量出現(xiàn)明顯下降現(xiàn)象，由此認(rèn)為，距煤層頂板20 m上覆巖層巖性較為破碎；2021年9月20日，己15-15050工作面推進(jìn)至105 m處，鉆孔抽采混量明顯上升且抽采后期抽采態(tài)勢(shì)穩(wěn)定。說(shuō)明當(dāng)己15-15050工作面推進(jìn)105 m時(shí)，工作面頂板上覆巖層充分垮落，高位定向長(zhǎng)鉆孔與采空區(qū)斷裂帶已充分溝通。

（3） 從圖8、圖9可看出，在工作面回采期間，在日均采4刀煤情況下，上隅角最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.71%，工作面正常開(kāi)采時(shí)最小瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.20%，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.47%；風(fēng)巷最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.69%，最小瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.24%，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.47%，期間未出現(xiàn)瓦斯超限。在回采工作面供風(fēng)量基本保持穩(wěn)定的情況下，上隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)與煤層回采推進(jìn)速度存在正相關(guān)關(guān)系。

（4） 綜合現(xiàn)場(chǎng)抽采情況和瓦斯抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況可知，在1號(hào)鉆孔判定為無(wú)效鉆孔，2號(hào)鉆孔抽采效果較差的情況下，高位定向長(zhǎng)鉆孔日抽采純量基本保持在3～4 m3/min。配風(fēng)量按2 500 m3/min計(jì)算，最大風(fēng)排瓦斯量為17.25 m3/min，最小風(fēng)排瓦斯量為6 m3/min，平均風(fēng)排瓦斯量為11.75 m3/min，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯量可達(dá)風(fēng)排瓦斯量的25.5%～34.0%，高位定向長(zhǎng)鉆孔布置在斷裂帶確定高度內(nèi)能有效降低采動(dòng)卸壓瓦斯向上隅角和回風(fēng)流的逸散量，避免上隅角、回風(fēng)流瓦斯超限。

4 結(jié)論

（1） 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法結(jié)果可知，2種斷裂帶高度確定方法所得斷裂帶發(fā)育高度基本吻合，綜合可得己15-15050工作面垮落帶最大發(fā)育高度為13.2 m，斷裂帶最大發(fā)育高度為48 m。

（2） 通過(guò)高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果分析認(rèn)定距煤層頂板20 m處上覆巖層巖性較為破碎；斷裂帶高濃度瓦斯區(qū)在距頂板23 m以上；當(dāng)己15-15050工作面推進(jìn)至105 m時(shí)，工作面頂板上覆巖層充分垮落，高位定向長(zhǎng)鉆孔與采空區(qū)斷裂帶已充分溝通，與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致。

（3） 基于經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)法確定的斷裂帶發(fā)育高度布置高位定向長(zhǎng)鉆孔，己15-15050工作面在日均采4刀煤情況下，上隅角及回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.71%，最小瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.25%，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.47%，期間未出現(xiàn)瓦斯超限，高位定向長(zhǎng)鉆孔布置在當(dāng)前層位內(nèi)能夠成功治理上隅角和回風(fēng)流瓦斯，驗(yàn)證了綜合2種方法確定斷裂帶發(fā)育高度的正確性。

（4） 綜合現(xiàn)場(chǎng)抽采和瓦斯抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況可知，在回采工作面供風(fēng)量基本保持穩(wěn)定的情況下，上隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)與煤層回采推進(jìn)速度存在正相關(guān)關(guān)系；1號(hào)鉆孔判定為無(wú)效鉆孔，2號(hào)鉆孔抽采效果較差，鉆孔日抽采純量基本保持在3～4 m3/min，配風(fēng)量按2 500 m3/min計(jì)算，鉆孔抽采瓦斯量可達(dá)風(fēng)排瓦斯量的25.5%～34.0%，鉆孔布置在斷裂帶確定高度內(nèi)能有效降低采動(dòng)卸壓瓦斯向上隅角和回風(fēng)流的逸散量，避免上隅角、回風(fēng)流瓦斯超限。