薄煤層開采裂縫與瓦斯抽采技術研究

楊 勇

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 太原 030205）

0 引言

近年來，隨著綜放工作面特別是上保護層回采率的提高，煤巷施工難度加大，造成瓦斯超限事故頻發，嚴重影響安全生產[1]。通過對不同地區煤巷布置的對比分析，確定了合理的掘進方案[2-3]。目前對煤層底板破壞深度與覆巖攜水裂縫高度的關系研究較多，但對不同厚度煤層特別是小煤柱煤層的差異研究較少。根據工作頂板斷裂的發展，國內學者提出了工作頂板斷裂理論：“上三帶”[4-5]。通過開采高度、開采深度、巖性、工作面推力、煤層角等因素影響采場圍巖的應力-斷裂分布和演化。以山西某礦薄煤層工作面為研究對象，通過理論計算和數值模擬，研究薄煤層頂板上覆巖層在開采過程中的斷裂發育規律，保障煤礦安全意義重大。

1 地質概況

根據山西某礦的地質條件和實際生產情況，決定進行空巷放頂試驗，優化巷道支護參數。為了減少工作面的瓦斯量，有必要采取頂板抽采措施。在現場試驗中發現，當巷道內形成一定尺寸的煤巖破壞區時，圍巖中的應力集中會導致煤巖體變形，使井眼周圍有更大的泄壓空間，有利于降低井眼附近地區的瓦斯壓力。因此，有必要確定采動裂縫的發展程度和工作面頂板的瓦斯情況，為獲得較好的瓦斯抽采效果做準備。

2 頂板采動裂隙帶高度的理論計算

完全下沉帶位于裂隙帶上方，裂隙帶位于冒落帶上方，冒落帶內巖石無序排列，而裂隙帶內巖石較為有序排列，瓦斯會順著裂縫運移，并積聚，由于該區域是煤巷掘進的關鍵部位，如果不做好巷道支護工作，很容易導致瓦斯積聚。按照要求，在瓦斯含量較高的裂隙帶區域，采取瓦斯抽采措施。

根據工作面頂板裂紋區高度，得出結論：

2.1 冒落帶的高度

沿煤層法線，下降區的高度，如式（1）所示：

式中：M 為開采煤層的厚度，M=1.2 m；K 冒落帶巖石的膨脹系數為K=1.2；α 為煤層傾角，α=8°。

2.2 斷裂帶的高度

沿煤層法線斷裂區高度分布，如式（2）所示：

將M=1.2 m 代入式（2），計算得H2=28.7 m、17.5 m。

3 頂板采動裂隙發育規律數值模擬

采用離散元udec 模擬分析了8#煤層右2 采空區頂板裂縫的發展情況。在三維地質力學模型試驗的基礎上進行了計算機模擬。針對8#煤層右2 采空區的工程地質條件，建立了長×高（160 m×00 m）數值模擬模型。為了消除邊界的影響，在每一邊劃定了30米的邊界。采用離散元方法得到了煤礦應力場的分布。力學參數如表1 所示，模擬模型如圖1 所示。

表1 采用巖體的力學參數

數值模擬結果表明，工作面推進20 m 后，工作面頂部首次塌陷，上升到7#煤體中的瓦斯被大量的煤層穿透裂縫釋放，而老煤層頂板主要形成順層裂縫。隨著采礦的繼續，老頂裂縫和破裂區加深。在推進30 m后，老頂首次斷裂，將較低的7#煤層沖入采空區。當推進60 m 時，老頂2#沉入煤矸石中，中間形成了一個“V”形狀穿透性裂縫。當推進80 m 時，老頂3#沉入煤矸石中，煤矸石不僅形成了一個倒置的“V”在巖層中央形成穿孔斷裂，同時也造成了“V”-兩端呈穿孔狀斷裂，上亞關鍵層1 與上巖層之間為非穿透性斷裂。同時，老頂3#接觸煤矸石，壓實下巖層斷裂。當推入100 m 時，亞關鍵層1 地層下沉到煤矸石中。它從上至亞關鍵層2 地層彎曲并下沉兩個巖層，形成更多的滲透性和順式地層裂縫。裂縫在下采空區進一步閉合。

工作面長遠大于高，8#煤層右2 采空區中部巖體能夠被壓實，考慮工作面傾斜長度因素，對覆巖裂縫的發育范圍影響較小，且工作面傾角只有8°，因此，模型工作面為水平方向100 米長。數值模擬研究了不同開采高度和煤層厚度下煤柱寬度對地表移動和變形的影響。模擬結果表明，頂板裂紋的發展規律和趨勢基本一致，在工作面約20 m 的區域內，穿孔裂紋和順層裂紋較發達，中間裂紋貼合緊密。亞關鍵層1 發生了下沉與變形，和亞關鍵層2 形成了非滲透性穿透層。如圖2 所示。

圖2 工作面傾斜方向頂板裂紋

通過數值模擬表明，8#煤層薄煤層的覆巖冒落帶高度約為8 m，覆巖冒落裂隙總體高度約為24 m，薄煤層頂板開采斷裂的發展過程分為兩個階段：在亞關鍵層1 觸矸前，舊頂板巖層繼續破碎、滲透和發育，順層斷裂繼續發育，中部形成中間高兩端低形狀，兩端中間低兩端高形狀；亞關鍵層1 觸矸后，本層內部雖然發育有較多的順層及穿層，然而這些裂隙并未貫通。造成這種現象的一大原因是亞關鍵層1 的位置在彎曲下沉帶。

4 瓦斯抽采技術

可以看出，裂縫區的發育高度在24 m 左右，裂縫區寬度約為20 m。因此，必須對開采孔進行處理，并在開采區域內設置抽采鉆孔。

由于工作面瓦斯涌出量大，在8#煤層工作面采空區設置高位鉆場，控制半徑小，利用率不高，工作面瓦斯治理難度大。為此，將高位抽放尾巷道改為掘送頂板高抽巷，對工作面以上7#煤層和局部瓦斯進行治理，如圖3 所示。為了實現這一目標，可以通過優化高抽巷的位置設計，合理確定高抽巷間距，有效降低氣體濃度，提高采收率。高抽巷距8#煤層頂板20 m，與回風巷平行，與回風巷水平20 m，巷道截面為6 m2，由于工作面長度交大，每隔120 m，在工作面的頂板上設置一個高位鉆場。鉆探地點在150～180 m 長的水平井眼附近有6～8 個井眼。

圖3 不同工作面累計進尺瓦斯抽采濃度

項目實施，降低了瓦斯濃度，提高了生產效率。在分析現場實際情況的基礎上，總結出一套切實可行的瓦斯治理方案和措施。瓦斯抽放量達到43 m3/min，抽氣率達54%。

不同工作面累計進尺瓦斯抽采濃度情況，如圖3所示。不同工作面累計進尺瓦斯抽采量情況，如圖4所示。新施工鉆孔瓦斯抽采濃度（全文中“瓦斯抽采濃度”均為“瓦斯體積分數”）范圍為37%～59%，原有鉆孔瓦斯抽采濃度范圍為10%～25%，抽采效率為原有鉆孔抽采的2 倍以上；當工作面推進，累計進尺增加，高抽巷和高位鉆孔的瓦斯抽采量在32 m3/min 以上。極大提高了礦井安全生產能力。

圖4 不同工作面累計進尺瓦斯抽采量

5 結論

1）根據山西某礦8#煤層薄煤層地質情況，結合理論計算、數值模擬，得出工作面回采時頂板巖層裂縫擴展規律。薄煤層時，采空區中部壓實變大，工作面傾向和走向兩端裂隙發育區范圍變小。

2）在薄煤層開采時，不破壞亞關鍵層，亞關鍵層彎曲和下沉，防止在亞關鍵層及以上巖層形成穿透性裂縫。亞關鍵層應視為瓦斯富集輸送的標志層，應沿著亞關鍵層下側進行瓦斯抽采。

3）根據數值分析結果及實踐經驗，結合巷道和高層鉆井現場進行了瓦斯抽采，用頂板抽采巷道與水平鉆場相結合的方法應用效果良好。