上覆灰巖回采工作面頂板瓦斯高效抽采

李亮紅,譙永剛,2,張澤宇,孫 磊,王海杰,秦鵬飛

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院,山西 太原 030002; 2.中國礦業大學 安全工程學院,江蘇 徐州 221000;3.山西馬軍峪常信煤業有限公司,山西 長治 046599; 4.山西黃土坡鑫運煤業有限公司,山西 長治 046599;5.山西襄垣七一新發煤業有限公司,山西 長治 046599)

21世紀煤炭仍是我國的主要能源,占一次能源的一半以上[1]。在未來很長一段時間內,煤炭仍將在經濟和社會發展中起到無法替代的作用[2]。在煤炭開采過程中,由于灰巖頂板特殊的地質條件,極易出現瓦斯異常涌出,對井下人員的生命及財產造成威脅[3-7]。灰巖頂板廣泛分布在山西沁源礦區一帶,其具有致密、堅硬、整體性好、不易垮落的特點,回采過程中易出現垮落不及時導致工作面上隅角瓦斯超限問題。因此,探索灰巖條件下覆巖破壞規律,以確定高位定向鉆孔的布孔參數,實現灰巖瓦斯高效、精準抽采,是亟待解決的科學問題。

近年來,國內外學者在軟弱巖層和堅硬巖層條件下,對覆巖破斷特征進行了探討[8-11]。眾多學者采用相似模擬、數值模擬、理論計算、現場實測等多種方法對覆巖破壞規律進行了研究。張軍等[12]采用相似模擬的方法對覆巖“三帶”高度進行了研究;劉超杰等[13]采用室內相似模擬的方法分析了采動覆巖“三帶”內巖層位移特征,得出“三帶”內巖層位移曲線呈遞減趨勢;程志恒等[14]利用3DEC模擬軟件對頂板裂隙演化進行模擬,結果表明鉆孔高效抽采段長度與裂隙發育程度共同決定鉆孔的抽采效率;劉志高等[15]采用UDEC數值模擬和理論分析等方法分析了工作面開采后上覆巖層的移動變形規律;吳鋒鋒等[16]采用理論分析、數值模擬、相似模擬及現場實測相結合的方法分析了頂板垮落帶高度;皮希宇[17]研究了煤層群開采條件下煤層裂隙場特征,構建了覆巖采動裂隙分布模型,形成了采動作用下瓦斯抽采有利區確定方法,進行了卸壓瓦斯抽采工程應用;郝長勝等[18]利用Fluent軟件模擬不同參數條件下頂板走向長鉆孔的抽采效果,瓦斯治理效果顯著;李文洲[19]通過數值模擬對頂板演化規律進行研究,提出了高瓦斯工作面“三帶兩區”的概念及確定方法,確定了瓦斯抽采巷的位置。

上述學者在覆巖破壞規律方面進行了較充分的研究,但針對覆巖破壞規律進行瓦斯抽采研究較少。筆者以山西常信煤礦90107綜采工作面為工程背景,分析工作面回采過程中灰巖頂板裂隙發育規律,尋找頂板裂隙發育優勢區,采用高位定向鉆孔抽采裂隙優勢區的瓦斯,解決灰巖及類似致密堅硬頂板條件下工作面的瓦斯蓄積問題,為類似工程背景下瓦斯治理提供理論支撐和實踐方法。

1 灰巖物理化學特性

1.1 物理特性

對灰巖的主要成分進行化驗分析,灰巖X射線衍射圖譜如圖1所示。可以看出,灰巖的主要成分為方解石。

圖1 灰巖X射線衍射圖譜

1.2 化學特性

灰巖頂板廣泛存在于沁源礦區,灰巖的主要成分為方解石,主要化學成分為CaCO3,屬于碳酸鹽巖。CaCO3是一種弱電解質,易溶蝕,在自然條件下與空氣中的CO2和水發生化學反應,其反應方程式如下:

(1)

地層中的灰巖很容易通過以上化學反應日積月累被腐蝕,進而形成溶洞。

2 灰巖對頂板及工作面瓦斯賦存的影響

2.1 灰巖對頂板瓦斯賦存的影響

地質運動對瓦斯的生成及賦存影響較為復雜,不同地質構造對瓦斯賦存影響各不相同。若地質運動作用于煤層上覆石灰巖,石灰巖在自然條件的綜合作用下形成溶洞,如圖2所示。

(a)宏觀溶洞 (b)微觀溶洞

以巖溶瓦斯方式賦存于灰巖的裂隙、孔隙和孔洞中形成灰巖瓦斯。研究區礦井煤層頂部的泥巖、砂巖內的裂隙及孔隙較為發育,而石灰巖內的孔隙、裂隙不發育,滲透瓦斯能力較差,這為灰巖溶洞內瓦斯富集和存儲提供了條件。

煤系地層沉積前,灰巖長期受到物理及化學分化作用,導致其上部的溶洞較為發育,其分化面凹凸不平,為瓦斯富集形成有利的空間。上覆巖層的透氣性差,成煤后儲蓄的瓦斯不易逸散,灰巖溶洞內封閉、富集條件好,按照瓦斯賦存規律,有大量的瓦斯封閉在灰巖中。針對頂板灰巖瓦斯問題,制訂有效的瓦斯防治技術措施是安全開采的關鍵。

2.2 灰巖對工作面瓦斯抽采的影響

隨著煤層開采,上覆巖層也會隨之移動和斷裂,上覆巖層的應力可劃分為原巖應力區、應力增高區和應力逐漸恢復區,采動影響下上覆巖層變化如圖3所示。隨著上覆巖層應力的變化,裂隙隨之演變,瓦斯隨裂隙發育也向外逸出。在原巖應力區頂板灰巖瓦斯幾乎不外逸。頂板應力增長至應力增高區,頂板灰巖瓦斯突然增大至峰值。隨著工作面的不斷推進,工作面后方頂板應力逐漸恢復,頂板灰巖瓦斯含量也隨之下降。

圖3 采動影響下上覆巖層變化示意圖

由于受采動影響,頂板破壞是一個動態過程,情況較為復雜,隨著工作面推進,各個巖層移動形成離層和破斷裂隙。按照采動應力重新分布現象,上覆巖層可劃分為“橫三區、豎三帶”。

“橫三區”分別為:煤壁支撐影響區Ⅰ、頂板離層區Ⅱ和重新壓實區Ⅲ。煤壁支撐影響區,煤層受采動影響很小,基本處于原巖狀態,受煤壁的支撐,幾乎不存在裂隙擴展,在該區域抽采瓦斯濃度幾乎為0;頂板離層區,巖層裂隙張開變大,次生裂隙增多,瓦斯解吸能力變強,在此階段瓦斯濃度突然增高,導致工作面瓦斯在很長一段時間超限;重新壓實區,隨著頂板的周期來壓,采空區中部的裂隙逐漸閉合,形成壓實區,抽采瓦斯濃度逐漸降低。

煤層開采過程中頂板破壞的“豎三帶”高度是煤礦瓦斯抽采最重要的參數。“豎三帶”分別為:垮落帶A、裂隙帶B和彎曲下沉帶C。垮落帶內巖層垮落呈破碎態堆積在采空區內;裂隙帶內巖層的穿層裂隙和離層裂隙隨工作面的推進不斷向上發育并隨之貫通,形成瓦斯富集區;彎曲下沉帶裂隙發育至此逐漸閉合。

由于常信煤礦9+10號煤層頂板灰巖屬于堅硬頂板,其垮落帶、裂隙帶最大高度應按照以下經驗公式[20]計算:

(2)

(3)

式中:a為垮落帶最大高度,m;b為裂隙帶最大高度,m;h為煤層開采高度,m。

經計算,垮落帶最大高度為12.7 m,裂隙帶最大高度為55.4 m。高位定向鉆孔設計在此區間內。

3 工程背景

以沁源礦區常信煤礦90107綜采工作面為工程背景,該礦位于霍西煤田東邊緣,開采9+10號煤層,煤層平均厚度2.1 m,傾角2°～5°,最大瓦斯含量7.35 m3/t,其直接頂板為K2石灰巖,致密性與堅硬性共存,厚1.9～9.9 m,平均厚7.0 m。90107工作面附近綜合柱狀圖如圖4所示。由于灰巖本身的密封及可能存在的儲氣條件,致使灰巖成為影響該煤層瓦斯涌出、瓦斯抽采的主要因素。

圖4 90107工作面附近局部綜合柱狀圖

4 堅硬灰巖條件下覆巖破壞規律模擬分析

在灰巖頂板條件下,為了準確地確定高位定向鉆孔最佳抽采層位,借助3DEC離散元數值模擬,以期確定其裂隙發育優勢區。基于常信煤礦90107工作面實際地質生產條件,構建離散元數值計算模型,對綜采工作面灰巖頂板裂隙動態發育進行模擬。為簡化計算過程,采用近似二維的平面模型,其長度×寬度×高度=300 m×2 m×101.4 m,數值模擬模型如圖5所示。

圖5 數值模擬模型圖

4.1 頂板演化規律模型邊界條件

在本次數值模擬中共包含9層地層,各地層煤巖體節理及物理力學參數均取經驗值,如表1～2所示。模型頂部施加垂向等效載荷,模型底部和兩側均為固定邊界。

表1 煤巖層節理力學參數

表2 煤巖層物理力學參數

模型頂部載荷按照等效載荷計算:

(4)

式中:q為頂部垂向等效載荷,MPa;n為頂板巖層數,取9;ρi為第i層頂板的密度,kg/m3;hi為第i層頂板的厚度,m;g為重力加速度,取9.8 m/s2。

通過計算得到頂部等效載荷為7.68 MPa。

4.2 工作面回采期間頂板演化規律模擬結果分析

為了減小邊界效應的影響,模型的兩端各預留50 m煤柱。開挖步距為20 m,共開挖200 m。上覆巖層裂隙動態演化如圖6所示。

(a)工作面推進40 m,頂板初次來壓

(c)工作面推進80 m,周期來壓

(b)工作面推進60 m,頂板大面積懸頂

(d)工作面推進200 m,采空區壓實

由圖6(a)可知,工作面推進40 m時,直接頂板K2灰巖發生第一次垮落,初次垮落步距為40 m;從40 m推進到60 m時,頂板灰巖大面積懸而不落,如圖6(b)所示;待推進到80 m時,頂板大面積垮落,頂板周期來壓,測得來壓步距為40 m,頂板裂隙逐漸向上發育,采空區逐漸被壓實,如圖6(c)所示;當工作面推進至200 m時,頂板裂隙基本不隨工作面的推進而繼續向上發育,裂隙帶發育趨于穩定,如圖6(d)所示。由圖6可知,工作面初次來壓步距為40 m,周期來壓步距為40 m,當工作面推進至200 m時,垮落帶高度為距離煤層底板11.4 m,裂隙帶高度為距離煤層底板50 m,開切眼和工作面兩側裂隙發育較為明顯,采空區中間隨煤層開采逐漸被壓實。

工作面回采期間垂直方向位移云圖如圖7所示,垂直方向應力云圖如圖8所示。結合圖6可知:隨著工作面的推進,工作面頂板可劃分為裂隙發育區和壓實區,應力集中在開切眼周圍和工作面附近。

圖7 垂直方向位移云圖

圖8 垂直方向應力云圖

煤層瓦斯密度比空氣小,隨頂板裂隙逐漸向上移動。裂隙帶發展隨高度的增加逐漸減弱,以至于瓦斯向上移動到一定高度將不再移動。工作面頂板裂隙局部示意圖如圖9所示。根據數值模擬結果可知,距煤層底板11.4～25.0 m存在破斷裂隙和離層裂隙,即為裂隙發育優勢區,距煤層底板25～50 m僅存在離層裂隙,瓦斯向上移動將不再明顯,瓦斯聚積在裂隙發育優勢區內。

圖9 工作面頂板裂隙局部示意圖

4.3 不同方法“兩帶”高度計算結果分析

利用經驗公式計算得到的“兩帶”高度,以及通過3DEC數值模擬得到的“兩帶”高度誤差分析結果見表3。

表3 不同方法“兩帶”高度計算誤差分析

由表3可知,數值模擬和經驗公式所得到的“兩帶”高度比較接近,垮落帶高度和裂隙帶高度的相對誤差分別為11.4%、10.8%,相對誤差均在10%左右,可在工程實踐中應用。

5 上鄰近層瓦斯抽采試驗及抽采效果分析

經過上述對裂隙發育優勢區的確定,在該區域施工抽采鉆孔對頂板瓦斯進行精準抽采,進一步提高瓦斯抽采率。根據裂隙發育優勢區,提出頂板定向高位鉆孔瓦斯抽采方案。

5.1 頂板定向高位鉆孔抽采工藝

鉆場設于90107工作面回風巷的西幫,開孔幫距離開切眼417 m,鉆場為梯形,內部長度為12 m,外部長度為16 m,深度為4.7 m,高度為2.8 m。鉆場內設計施工4個定向鉆孔,分別布置在18、23、28、33 m的位置來攔截和預抽9+10號煤層的上鄰近層瓦斯,其中鉆孔主孔鉆入8號煤層中,預抽8號煤層瓦斯,分支孔位于8號煤層之下(裂隙發育優勢區),攔截8號煤層的瓦斯,鉆孔孔徑120 mm。開孔間距10 m,開孔高度控制在底板以上1.8 m左右,鉆孔軌跡要平滑,不能出現拐急彎、“駝峰”和“鍋底”。鉆孔布置平面圖、剖面投影圖、終孔位置圖見圖10～12。

圖10 鉆孔布置平面圖

圖11 鉆孔剖面投影圖

圖12 鉆孔終孔位置示意圖

5.2 瓦斯抽采效果分析

通過對鉆場高位鉆孔瓦斯抽采進行實時監測,得到單孔瓦斯抽采效果圖和工作面瓦斯抽采效果圖,如圖13～14所示。

圖13 單孔瓦斯抽采效果圖

由圖13可知,高位定向鉆孔抽采瓦斯純量增長一段時間后保持穩定,其中1#鉆孔隨著工作面的推進,出現波動變化。1#、2#鉆孔布置于裂隙發育優勢區,其抽采效果明顯優于3#、4#鉆孔。2#鉆孔布置在上鄰近層8#煤層中,其抽采效果最優,單孔抽采瓦斯純量平均達到3 m3/min。

由圖14可知,抽采前第0～5天工作面瓦斯純量為0;第6～8天瓦斯純量突然增高至8.47 m3/min,在之后的很長一段時間內一直穩定不下,最高可達8.99 m3/min;第24～30天瓦斯純量才開始下降。抽采后工作面瓦斯純量隨時間呈下降趨勢,第30天后瓦斯純量下降至1 m3/min。對90107回采工作面回風巷上隅角瓦斯進行考察,瓦斯抽采后上隅角瓦斯濃度(CH4體積分數)為0.1%～0.8%,上隅角瓦斯濃度降幅最大可達87.5%。

圖14 工作面瓦斯抽采效果圖

6 結論與展望

6.1 結論

1)在“兩帶”理論計算的基礎上進行了3DEC數值模擬研究,二者得到的上覆巖層破壞規律基本一致。隨著工作面的回采,頂板初次垮落步距為40 m,周期垮落步距40 m,垮落帶高度為11.4 m,裂隙帶發育高度為50 m。

2)根據3DEC離散元數值模擬,裂隙發育優勢區為11.4～25.0 m,鉆孔層位布置在該區域來攔截和預抽9+10號煤上鄰近層瓦斯。

3)瓦斯抽采鉆孔施工后,對90107工作面瓦斯進行了為期一個月的考察,上隅角和工作面瓦斯超限問題得到有效解決,上隅角瓦斯濃度始終保持在0.8%以下,上隅角瓦斯濃度最大降幅可達87.5%。

6.2 展望

1)對于“灰巖瓦斯”,目前國內外重在研究灰巖頂板的弱化技術,而對于灰巖瓦斯的賦存及防治仍是一項重要的研究課題。

2)隨著本煤層的開采,頂板灰巖瓦斯突然涌向工作面,造成工作面瓦斯超限,灰巖瓦斯的預測預報亦是當今煤礦開采的技術難題,需要進行深入研究。

3)頂板灰巖瓦斯的賦存規律仍停留在探索階段,今后可以通過實驗室或者數值模擬進行研究。