沿空留巷開采覆巖裂隙演化規律及卸壓瓦斯抽采技術

林海飛, 劉思博, 雙海清, 徐培耘, 周 斌, 羅榮衛

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院, 陜西 西安 710054; 2.西部煤礦瓦斯災害防控陜西省高等學校重點實驗室, 陜西 西安 710054; 3.西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心, 陜西 西安 710054)

煤炭是我國戰略能源, 在維持國際能源格局、保障能源安全、支撐構建能源強國等方面具有重要的地位和作用。沿空留巷開采能夠緩解開采效率低、生產成本高、采掘接續緊張等問題, 是一項安全高效的無煤柱開采技術[1–3]。煤層開采后, 采動覆巖卸壓瓦斯在由橫向離層裂隙與縱向破斷裂隙共同構成的復雜裂隙網絡中運移, 明確卸壓瓦斯儲集運移區分布特征對于提高卸壓瓦斯抽采效率至關重要[4–5]。

目前, 已有學者提出了“O”形圈[6]、高位環形裂隙體[7]、橢拋帶[8]、采動裂隙圓角矩形梯臺帶[9]、“∩”形高帽狀[10]等采動裂隙形態模型, 為研究采場覆巖移動提供了理論基礎, 有效指導了卸壓瓦斯抽采鉆孔布置。RAN[4]等基于裂隙形態及參數特征, 提出確定瓦斯運移通道和富集區的方法;胡國忠等[5]提出了基于覆巖運動原位監測的采動裂隙形態反演方法; 郭小銘[11]等提出“采前背景條件探查、采中水位動態監測、采后綜合測試”的煤層開采全過程裂隙帶高度綜合實測方法; 張禮[12]等提出了采動環形裂隙體的邊界判定方法; 丁洋[13]等提出了高突礦井卸壓瓦斯富集區辨識方法; 侯恩科[14]、黃慶享[15]等對無煤柱切頂沿空留巷受采動影響條件下的頂底板變形規律進行了研究, 表明切頂作用在一定程度上降低了底板破壞發育深度; 王俊峰[16]、楊舒冰[17]等揭示了工作面開采擾動下沿空留巷圍巖的非對稱變形破壞機制; 陳向 軍[18]等指出切頂留巷開采模式下, 靠近工作面兩端的采空區內均存在一個較大渦流區; 王家臣[19]等指出采空區頂板裂隙發育沿面長方向存在分區破斷和動態遷移現象; 榮海[20]等提出了不同層位堅硬巖層的失穩判據, 并計算了巖層失穩釋放能量; 劉洪永[21]等研究發現卸壓瓦斯優勢瓦斯通道發育高度、寬度和范圍隨推進速度的增加而減小; 王婉潔[22]等指出采空區中部破斷裂隙被壓實閉合, 只有少量破斷裂隙可以延伸至離層裂隙與之貫通, 破斷裂隙數量較少, 連續性較弱; 趙鵬翔[23]等將瓦斯運移通道劃分為瓦斯活躍區、運移區及富集區; 程 詳[24]等通過準確辨識卸壓瓦斯富集區域, 優化了上覆被保護煤層卸壓瓦斯抽采鉆孔設計。

綜上, 盡管眾多學者相繼研究了采動覆巖裂隙發育特征、卸壓瓦斯富集區辨識方法, 但鮮有針對沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區精準判別的研究。基于此, 筆者通過物理相似模擬及數值模擬的方法, 研究了采動覆巖裂隙動態發育過程, 定量表征采動裂隙頻數及角度特征, 基于關鍵層判別、采動裂隙、覆巖應變、裂隙角度及數量, 結合通風方式, 提出了沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區的判定方法, 并應用到工程實踐中, 研究結果對沿空留巷開采卸壓瓦斯災害治理具有重要理論意義和工程價值。

1 試驗方案

1.1 工程背景概況

陜西某礦試驗工作面主采2號煤, 該工作面平均走向長度2 852 m, 采面寬度235 m, 采用沿空留巷無煤柱開采方式, 如圖1所示。通過在距巷道主幫0.2 m處施工深度7 m、間距0.5 m、傾角80°的鉆孔, 采用定向聚能爆破技術切斷巷道頂板與采空區頂板聯系, 減少頂板來壓時對保留巷道的擾動影響。

圖1 試驗工作面平面布置及通風系統Fig.1 Plane layout and ventilation system diagram of test working face

該工作面煤層厚度1.03~2.40 m, 平均2.2 m, 煤層傾角0°~5°, 平均傾角2°, 為近水平煤層, 煤層平均埋深381.5 m。采用綜合機械化后退長壁式采煤法, 一次采全高, 全部垮落法處理采空區頂板。試驗工作面瓦斯壓力為0.05~0.21 MPa, 原始瓦斯含量1.56~4.16 m3/t, 最大瓦斯涌出量21.05 m3/min, 采用全風壓“Y”型通風方式。

1.2 物理相似模擬試驗方案

根據試驗工作面開采地質條件, 構建平面應力走向相似模擬試驗模型, 巖性參數見表1。相似模擬試驗滿足幾何相似、運動相似及邊界條件相似,確定的模型相似常數見表2。

表1 上覆巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of the overlying strata

表2 模型相似常數Table 2 Model similarity constants

根據模型相似比, 選取合適的相似材料配比。試驗模型以河沙為骨料, 石膏和大白粉為膠結物,云母粉為分層材料[25], 材料配比見表3, 煤層配比中河沙與煤灰質量相同, 根據關鍵層判別方法[26]得到工作面上覆巖層關鍵層。

表3 巖層分布及其配比Table 3 Rock strata distribution and proportioning

沿工作面走向進行開挖模擬, 未模擬巖層通過施加外力載荷補償方法實現均勻加載, 模型兩側各留設10 cm[27]邊界煤柱以消除邊界效應影響。鋪設好的物理模型如圖2所示, 采用XTDIC系統實時采集煤層開采后的物理模型表面圖像, 監測煤層開挖過程中采場覆巖應變場的分布特征。

圖2 試驗模型及相關監測設備Fig.2 Experimental model and related monitoring equipment

1.3 數值模擬試驗方案

為進一步分析沿空留巷無煤柱開采切頂側與非切頂側覆巖裂隙演化規律的區別, 采用3DEC離散元數值模擬軟件對切頂留巷開采后沿工作面傾向采動覆巖裂隙分布進行研究, 建立了數值模型,如圖3所示。

圖3 數值模型Fig.3 Numerical model

模型尺寸為305 m×1 m×131 m, 模型左、右、前、后邊界及底面設置為固定邊界, 頂部設置為自由邊界, 通過在模型上部施加壓力來替代未模擬巖層, 煤巖層物理力學參數見表4。

表4 數值模型的煤巖體物理力學參數Table 4 Mechanical parameters used for numerical model

2 沿空留巷開采覆巖裂隙演化規律

2.1 沿工作面走向覆巖裂隙演化特征

煤層頂板覆巖懸臂長度超過其極限破斷距時,巖層發生破斷跨落, 形成“豎向破斷裂隙”, 巖層間的不協調性下沉會產生不同縱向位移量, 形成“橫向層間裂隙”, 圖4為物理模型工作面推進中覆巖移動與裂隙發育的過程。

圖4 沿工作面走向覆巖裂隙演化過程Fig.4 The evolution process of overlying rock fracture along the strike of working face

工作面推進至25 m時, 由于應力的釋放及重新分布, 采空區直接頂開始變形、下沉, 隨著工作面逐步向前推進, 直接頂下沉量越來越大, 造成與基本頂沿層理面分離, 直接頂發生初次垮落。工作面推進至38 m時, 頂板發生初次來壓, 垮落高度8 m,垮落邊界形態呈梯形, 受亞關鍵層1控制作用的影響, 亞關鍵層1上方未產生破斷裂隙, 離層裂隙發育距煤層頂板最遠11 m, 空洞高度1.8 m。

隨著巖層周期破斷, 采動裂隙呈躍進態勢向上發展, 采動裂隙分布范圍進一步增大, 且裂隙壓實閉合區逐漸顯現于采空區中部。工作面推進142 m時, 發生第7次周期來壓, 破斷裂隙發育至主關鍵層, 距煤層頂板61 m, 離層裂隙發育至80 m處。由于巖石具有碎脹性, 受主關鍵層控制作用的影響,低層位已破斷碎裂巖層體積增大, 使高層位巖層可回轉空間減小, 關鍵層下方離層空間不足, 即使懸空距離超出極限跨距, 關鍵層破斷時結構塊體下沉量、回轉量較小, 未完全斷開, 無法形成完整貫通的豎向破斷裂隙, 主關鍵上方僅出現離層裂隙。這表明煤層充分采動, 可認為裂隙帶的最大發育高度至距煤層工作面頂板約61 m處。此后, 隨著工作面的繼續推進, 采空區中部裂隙被不斷壓實, 兩側裂隙較為發育, 裂隙發育總體變化較穩定。

2.2 沿工作面傾向覆巖裂隙演化特征

通過數值模擬得到切頂留巷開采覆巖裂隙特征, 如圖5所示。

圖5 沿工作面傾向覆巖裂隙特征Fig.5 Overburden rock fracture characteristics along the working face tendency

由圖5可知, 覆巖移動受切頂影響, 頂板容易破斷, 切頂側基本頂斷裂位置轉移至采空區側, 頂板側向懸臂長度減小。在垮落帶范圍內, 切頂側破斷裂隙較為發育, 有利于卸壓瓦斯運移。切落后的矸石較好地充填了采空區, 對基本頂巖塊起到了一定的支撐作用, 使覆巖上位的頂板破斷難度增大,裂隙數量減少, 切頂側主關鍵層下方離層裂隙寬度為0.27 m, 非切頂側為0.32 m。因此在高位覆巖區域, 未切頂側覆巖裂隙較為發育; 切頂側與非切頂側裂隙發育高度基本不變, 研究結果與前人[28]的一致, 均發育至主關鍵層, 高度為61 m。

2.3 沿工作面走向覆巖應變規律

XTDIC系統通過采集不同推進距離時刻物理模型表面的散斑圖像, 與煤層開采前標定的圖像進行對比分析, 計算得到物理模型的表面變形特征,圖6為不同工作面推進距離下覆巖應變云圖。

圖6 不同工作面推進距離下覆巖應變云圖Fig.6 Overburden rock strain nephogram under different working face advancing distance

覆巖應變分布形態呈梯形, 工作面推進至52 m時, 亞關鍵層1下方巖層應變整體較大, 受亞關鍵層1的控制影響, 其上方巖層應變較小。煤層頂板區域巖層應變表現出較強的非連續性, 說明該處巖層受頂板來壓影響, 巖層冒落形成無序的堆積結構, 該處應為采空區冒落帶。工作面開采產生自由運動空間, 上覆巖層彎曲破斷垮落, 垮落巖層碎脹充滿自由空間, 在此過程中, 覆巖垮落趨勢逐漸減小, 產生鉸接結構, 覆巖裂隙以跳躍式向上發育。因此隨著工作面推進距離的變長, 梯形應變區也相應變大。工作面推進至72 m時, 梯形頂部巖層受亞關鍵層2的支撐, 上方巖層僅發生微小變形, 下方巖層懸空距離超出其極限跨距發生破斷, 形成鉸接結構, 并產生較大離層空間, 因此, 梯形下部冒落帶范圍及頂部離層空洞范圍應變較大(應變云圖紅色部分)。工作面推進至152 m時, 梯形高度進一步上升, 至主關鍵層, 模型應變量最大的區域仍處于采場兩端、裂隙發育頂部及采場底部冒落帶。工作面繼續推進至175 m時, 受時間效應的影響, 采空區中部被進一步壓實, 導致主關鍵層下方離層空間增大, 顯示為梯形頂部應變增大, 并且梯形上方巖層產生兩個不連續的長條形離層應變。應變不連續表明: 巖層僅是因為不協調性下沉而產生離層, 并未產生破斷裂隙。其中開切眼位置斷裂角為55°~61°, 工作面位置斷裂角為59°~62°。

進一步觀察覆巖應變云圖(圖6)可知, 梯形應變模型中主要發生變形的區域呈梯形框架, 梯形左右兩腰的應變區寬度為22~27 m; 梯形中部應變值為0, 說明該區域穩定, 可認為該處為大面積壓實區。

2.4 不同區域裂隙參數特征

根據覆巖應變特征, 可得出裂隙相對發育區域。為進一步定量表征不同區域采動裂隙特征, 將上覆巖層劃分為10 cm×15 cm平行四邊形網格, 如圖7所示。

圖7 裂隙網格劃分Fig.7 Fissure grid division

采動裂隙角度可以反映瓦斯運移的方向性, 采動裂隙數量可以反映瓦斯運移的能力[4]。因此, 筆者對煤層開采結束后不同覆巖區域采動裂隙角度、數量分布特征進行了統計分析。統計時將具有連續特征的視作同一裂隙處理[29]。玫瑰圖可以直觀顯示不同區域裂隙角度及數量的分布, 將裂隙與x軸之間的夾角記為裂隙角度θ, 范圍為0°~180°,簡化的裂隙角度統計圖如圖8所示。

圖8 簡化的裂隙角度統計圖Fig.8 Simplified figure of fracture angle statistics

通過對圖7中不同覆巖區域的采動裂隙角度、數量進行統計分析, 得到如圖9所示的采動裂隙統計分析結果。

圖9 采動裂隙統計Fig.9 Statistics of mining-induced fractures

不同覆巖區域離層裂隙角度集中在0°~10°, 豎向破斷裂隙角度主要集中在80°~120°。煤層頂板上方0~10 cm(A11, A12)區域處于垮落帶內, 共有76條裂隙, 其中離層裂隙24條, 占比31.58%, 此區域內瓦斯流通能力最強; 煤層頂板上方10~20 cm(A21,A22)區域內共有30條裂隙, 其中離層裂隙10條, 占比33.33%; 煤層頂板上方20~30 cm(A31, A32)區域內共有23條裂隙, 其中離層裂隙12條, 占比52.17%。不同區域內, 上覆巖層距煤層越遠, 裂隙數量越少, 且離層裂隙占比逐漸增大; 破斷裂隙減少, 表明瓦斯向上運移通道減少。煤層頂板上方60~80 m(A71, A72, A81, A82)圖像統計區域內, 未產生破斷裂隙, 則該區域巖層垂向滲透系數較低,瓦斯向上運移困難。由于采空區中部覆巖應力恢復, 大量破斷裂隙被壓實閉合, 導致采空區中部豎向破斷裂隙較少。

3 沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采技術

3.1 卸壓瓦斯抽采靶區確定

卸壓瓦斯運移區和儲集區精準判定是實現抽采靶區位置確定的前提, 筆者基于關鍵層判別、采動裂隙、覆巖應變、裂隙角度及數量, 并結合礦井通風方式, 提出了沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區的判定方法, 該方法具體分為5步, 如圖10所示。

圖10 沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區判定方法Fig.10 Determination method of pressure relief gas extraction target area in gob-side entry retaining mining

第1步: 確定采場上方關鍵層層位。根據關鍵層理論, 關鍵層破斷時, 其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是一致的, 因此確定關鍵層層位是研究覆巖移動的基礎。經計算, 試驗工作面的關鍵層判別結果見表3。

第2步: 根據沿空留巷開采走向及傾向覆巖裂隙特征, 結合采動裂隙發育高度, 初步判定卸壓瓦斯儲集運移區范圍。

第3步: 根據覆巖應變特征, 進一步圈定卸壓瓦斯儲集運移區, 并針對覆巖高應變區域內的采動裂隙角度及數量作統計分析。將采動裂隙鈍角發育區判定為瓦斯運移區、采動裂隙銳角發育區認為是瓦斯儲集區。

第4步: 根據關鍵層理論, 關鍵層破斷時, 其下方可能存在較大的離層裂隙空間, 結合第1步關鍵層層位確定卸壓瓦斯儲集區。值得注意的是, 若關鍵層下方僅存在離層裂隙空間, 未產生破斷裂隙使其導通瓦斯, 則認為該區域不屬于儲集區。

第5步: 確定沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區。“Y”型通風方式下, 采空區漏風嚴重, 漏風風流流經采空區, 其內解吸的瓦斯通過漏風風流的裹攜, 大量涌入采場空間, 并在漏風壓差作用下,由于工作面兩側巷道壓實不足, 采空區內大量瓦斯涌出, 且低層位切頂側采動裂隙發育程度高, 區域內瓦斯更易隨漏風風流涌出。若將抽采鉆孔布置在低層位, 瓦斯抽采體積分數得不到保障。因此,在確定卸壓瓦斯儲集區、運移區的基礎上, 沿空留巷開采卸壓瓦斯高效抽采區域判定還應綜合考慮瓦斯抽采體積分數, 將抽采鉆孔布置在“采動裂隙銳角發育區+高瓦斯體積分數”區域。

根據上述卸壓瓦斯運儲區及抽采靶區判定方法, 試驗工作面卸壓瓦斯儲運區寬度在22~27 m,開切眼側儲運區角度約為58°, 工作面側儲運區角度約為60°, 儲運區高度為距煤層頂板61 m。在關鍵層下方存在卸壓瓦斯儲集區, 隨著工作面推進,儲集區被不斷壓實閉合, 并在關鍵層下方形成新的儲集區。雖然主關鍵層上方存在離層空間, 可為卸壓瓦斯運移儲集提供空間位置條件, 但是主關鍵層上方覆巖未發生破斷, 因此阻斷了瓦斯向上運移的通道。

根據采空區漏風攜瓦斯有效深度及有效區域理論[30], 采空區內漏風流場決定了采空區漏風攜瓦斯能力。由于試驗工作面采用“Y”型通風方式,導致工作面及尾巷區域漏風嚴重, 增大了采空區漏風攜瓦斯有效深度。依據關鍵層判別結果, 亞關鍵層1處于煤層頂板8 m處, 下方為垮落帶, 且受漏風影響, 可認為不存在瓦斯儲集區。亞關鍵層2處于煤層頂板40 m處, 其下方存在較大離層空間, 根據圖9統計分析結果, 該區域內離層裂隙、破斷裂隙較多, 是卸壓瓦斯儲集區。主關鍵層距煤層較遠,對該層位進行鉆孔抽采, 瓦斯治理效果較小。因此, 試驗工作面高效抽采區域處于距煤層頂板40 m, 距輔運巷主幫煤壁25~50 m處。實際生產中,僅對最佳區域進行抽采是不合理的[31], 主要原因是同一工作面受開采技術條件和地質條件影響, 瓦斯高效抽采區域存在一定的差異, 且同一區域布置大量鉆孔, 鉆孔施工過程中易發生串孔現象, 影響瓦斯抽采效果。因此, 試驗工作面抽采靶區確定為與煤層頂板垂距30~46 m、與輔運巷平距30~55 m的區域。

3.2 卸壓瓦斯抽采鉆孔布置

依據試驗工作面抽采靶區位置, 此次長距離大孔徑高位鉆孔鉆場布置在輔助運輸巷, 每個鉆場施工鉆孔9個, 孔徑均為120 mm, 鉆孔由套管孔段、定向造斜段和定向穩斜段等組成。鉆孔定向穩斜段水平面布置于距試驗工作面輔助運輸巷主幫30~55 m處, 剖面位于煤層以上30~46 m的頂板裂隙帶內, 鉆孔布置參數見表5。

表5 高位定向長鉆孔布置參數Table 5 High directional long borehole layout parameter table

3.3 抽采效果分析

通過現場采集數據, 分析得到試驗工作面高位定向長鉆孔抽采體積分數變化規律如圖11所示。高位定向長鉆孔在抽采過程中, 不同層位鉆孔抽采體積分數存在一定差異, 從各個鉆孔抽采體積分數的變化趨勢可知, 伴隨著工作面的推進, 裂隙帶在頂板周期來壓的不斷影響下, 不斷重復壓實與形成的變化過程, 瓦斯儲運通道也在不斷閉合與重構,造成鉆孔瓦斯體積分數的上下波動。將其大致分為3個階段: 抽采初期低位波動、抽采中期高位波動緩降、抽采末期快速衰減。

圖11 不同鉆孔瓦斯抽采體積分數Fig.11 Gas extraction volume fraction of different boreholes

鉆場開始抽采后, 2023–09–16(此時鉆場距工作面334 m)之前, 瓦斯抽采體積分數整體較小, 均低于20%, 表明此時采動覆巖裂隙在鉆孔終孔位置未發育, 處于抽采初期低位波動階段。隨著工作面持續推進, 鉆場進入工作面超前334 m范圍內, 定向長鉆孔終孔位置處于瓦斯儲集區, 瓦斯抽采體積分數大幅提升, 最高達71.4%, 之后波動下降, 在0.4%~15.2%之間。2023–10–12(此時鉆場距工作面74 m)之后, 瓦斯抽采體積分數持續下降, 最終在距工作面17 m時, 關閉鉆孔抽采系統。抽采期間采場空間瓦斯體積分數保持在0.5%以下, 整體瓦斯抽采效果良好, 證明高位定向長鉆孔布置參數具有合理性。

4 結 論

(1)隨著覆巖周期破斷, 采動裂隙形態及覆巖應變分布形態呈躍進態勢向上發展, 裂隙帶最大發育高度為61 m。不同區域采動離層裂隙角度集中在0°~10°, 豎向破斷裂隙區角度主要集中在80°~120°,上覆巖層距煤層距離越遠, 裂隙數量越少, 離層裂隙占比逐漸增大, 瓦斯向上運移能力減弱。

(2)低層位覆巖受切頂影響, 易發生破斷垮落,切頂側覆巖裂隙較為發育, 在高層位覆巖區域內未切頂側覆巖裂隙較為發育。切頂側主關鍵層下方離層裂隙寬度為0.27 m, 非切頂側為0.32 m, 切頂側與非切頂側裂隙發育高度相同。

(3)基于關鍵層判別、采動裂隙角度及數量、覆巖應變特征等, 結合通風方式, 提出沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區判定方法, 將抽采鉆孔布置在“采動裂隙銳角發育區+高瓦斯體積分數”區域,判定得出試驗工作面抽采靶區為與煤層頂板垂距30~46 m、與輔運巷平距30~55 m的區域。

(4)將高位定向長鉆孔抽采可劃分為3個階段:抽采初期低位波動、抽采中期高位波動緩降、抽采末期快速衰減。卸壓瓦斯整體抽采效果良好, 證明高位定向長鉆孔布置參數具有合理性, 驗證了沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區判定方法的準確性。