煤層群重復采動卸壓瓦斯儲運區演化規律實驗研究

林海飛，李磊明，李樹剛，2，孔祥國，2，劉思博，丁 洋，2

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點試驗室，陜西 西安 710054；3.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021)

0 引 言

相對于單一煤層而言，井田中存在多層不同水平的煤層稱之為煤層群。目前，我國諸如貴州畢節、河南平頂山、安徽兩淮等多個高瓦斯礦區均具有煤層群開采條件。采動卸壓瓦斯儲運區域變化特征與覆巖裂隙演化規律密切相關，而煤層群煤層重復開采與單一煤層開采覆巖移動破斷規律有所不同[1]。

對于煤層覆巖采動裂隙動態分布規律的研究，國外的GHABRAIE，DAVID等研究了采動覆巖沉降地質力學，提出了覆巖移動帶變形規律[2-3]。錢鳴高等提出采動裂隙“O”形圈理論[4-5]。林海飛等提出了采動裂隙圓角矩形梯臺帶工程模型[6]。對于煤層群開采覆巖裂隙演化，劉三鈞等分析了遠距離下保護層開采上覆煤巖層裂隙動態演化規律[7]。李樹剛等研究了單層煤開采和重復采動條件下覆巖移動、裂隙分布與演化規律、支承壓力分布特征及采動裂隙橢拋帶形態[8]。張慶賀、楊科、陳榮柱等研究了多關鍵層結構下保護層開采覆巖采動裂隙發育規律[9-11]。潘瑞凱等將重復采動覆巖劃分為不規則空隙帶和周期性空隙帶以及拱間優勢空隙帶和拱下微空隙帶[12]。程志恒等研究了保護層與被保護層雙重采動影響下圍巖應力-裂隙分布與演化特征[13]。李樹清等研究了單層煤開采和雙重卸壓開采覆巖位移、裂隙及應力分布與演化規律[14]。

綜上可知，對于煤層群裂隙演化規律研究成果較為豐富，在高瓦斯煤層群開采瓦斯防治方面起到了重要作用。為進一步明確煤層群重復開采后采動卸壓瓦斯儲運區動態演化規律，文中以貴州某礦為研究背景，通過物理模擬實驗分析了煤層群采動覆巖裂隙分布特征；研究了工作面附近卸壓瓦斯儲運區演化規律；提出了相應的判別方法。以期為高瓦斯煤層群采動卸壓瓦斯抽采布置提供參考依據。

1 物理相似模擬實驗方案

1.1 實驗原型

貴州某礦主采16#煤層、18#煤層，采用下行式開采，16#煤層厚0.3～3.0 m，平均2.6 m，傾角7°～15°，平均11°；18#煤層厚1.3～4.1 m，平均3.3 m，傾角6°～12°，平均8°，與16#煤層間距平均22 m。11613工作面主采16#煤層，走向長650 m，面長145 m；11813工作面主采18#煤層，走向長918 m，面長180.6 m，工作面均采用綜采一次采全高長壁后退式開采方式。工作面覆巖巖性參數見表1，根據關鍵層判別方法[15]得到工作面上覆巖層關鍵層，結果見表2。

表1 上覆巖層物理力學參數

表2 上覆巖層模擬高度

1.2 相似常數確定

實驗采用平面模型，按照表2煤巖層巖性、厚度的不同分層進行走向模擬，模型尺寸2 000 mm×200 mm×110 mm(長×寬×高)，按實驗要求和相似定理確定的相似常數見表3。

表3 模型相似常數

1.3 實驗步驟

1)為研究煤層群開采后的覆巖運動情況，分析煤層群重復采動后卸壓瓦斯儲運區的演化規律。實驗模擬工作面走向長度160 m，煤巖層高度110 m，對于模型未能模擬的巖層厚度，采用加配重的方法實現。

2)上層煤回采過程中，在模型兩邊各留設20 cm的邊界煤柱，以盡量消除邊界效應。在煤層開挖7 cm(對應原型值7 m)作為工作面的開切眼，每次間隔2、3 cm進行推進，記錄開挖過程中的巖層裂隙發育情況。

3)上層煤回采結束后達到開采穩定狀態，進行下層煤的模擬回采。在模型邊界20 cm處開挖7 cm的開切眼，按間隔2、3 cm的推進速度進行回采，停采線設置在距離邊界20 cm的位置，記錄煤層群重復采動后巖層裂隙發育情況。相似模型實物圖如圖1所示。

圖1 實驗模型布置

2 卸壓瓦斯儲運區演化規律及判別

2.1 煤層群開采卸壓瓦斯儲運區演化規律

2.1.1 上層煤開采卸壓瓦斯儲運區演化規律

16#煤層11613工作面推進37 m時，直接頂初次垮落，垮落高度5 m，巖梁跨度18 m，下方空洞高2.4 m，此為卸壓瓦斯的主要儲集空間，如圖2(a)所示。

隨著工作面推進至59 m，基本頂初次來壓，垮落高度16 m，巖梁長20 m，空洞高1.9 m，此時在尚未垮落的亞關鍵層2下方的離層裂隙為瓦斯儲集空間，如圖2(b)所示。隨著工作面的持續推進，在工作面附近覆巖關鍵層下方位置始終有瓦斯儲集空間的存在。工作面推進至119 m時垮落帶高度11 m，裂隙帶高度53 m，裂隙區寬度20 m，裂隙區內已斷裂垮落的亞關鍵層1，2下方及處于較高層位尚未垮落的亞關鍵層3下方均形成了卸壓瓦斯儲集空間，如圖2(c)所示。工作面推進至132 m時，垮落帶高度11 m，裂隙帶高度不再向上發育，距離煤層底板53 m，此時，裂隙區內的關鍵層下方形成新的瓦斯儲集空間，如圖2(d)所示。16#煤回采過程中，覆巖移動變化的基本情況見表4。

圖2 工作面推進不同距離垮落形態

表4 覆巖移動垮落及來壓情況(單位：m)

2.1.2 下層煤開采覆巖裂隙演化規律

如圖3(a)所示，下煤層工作面推進45 m時，上覆巖層垮落高度13 m，空洞高度3.1 m，此時，間隔層內關鍵層未破斷，懸梁跨度25 m。

如圖3(b)所示，工作面推進至59 m時，關鍵層斷裂造成工作面初次來壓，縱向破斷裂隙發育顯著增加，上下兩煤層采動裂隙貫通，采動裂隙區寬度增加，下煤層采動卸壓瓦斯易隨著工作面處裂隙區向上運移至關鍵層下方儲集空間，還有一部分瓦斯沿著上煤層工作面垮落帶運移至上煤層回采形成的瓦斯儲集空間。如圖3(c)所示，工作面推進至134 m時，其處于上煤層采動覆巖壓實區下方，垮落帶高度13 m，裂隙帶高度則發育至距離煤層底板83 m處，此時，間隔層內關鍵層下方離層裂隙是瓦斯儲集的主要空間。如圖3(d)所示，當工作面推進到150 m時，裂隙帶高度穩定在距離煤層底板83 m。裂隙區內縱向破斷裂隙發育，瓦斯易隨著裂隙區內縱向破斷裂隙向上運移至本煤層上覆巖層瓦斯儲集空間，并繼續向上運移至上部煤層停采線處裂隙區內的瓦斯儲集空間。18#煤層回采過程中，上覆巖層整體移動垮落情況見表5。

圖3 重復采動覆巖垮落形態

表5 覆巖移動垮落情況(單位:m)

2.2 采動卸壓瓦斯儲運區演化特征

對于卸壓瓦斯儲集空間，上層煤開采后，亞關鍵層1處于垮落帶，隨著工作面推進，亞關鍵層1破斷垮落，其所控制巖層上方與未垮落亞關鍵層2形成離層空間，此為卸壓瓦斯儲集區域，同時工作面附近，亞關鍵層1及其所控巖層形成破斷裂隙區，此為卸壓瓦斯優勢運移通道；而亞關鍵層1未垮落部分呈懸臂梁結構，隨著工作面推進，該結構會反復出現，由于其處于垮落帶，其下方瓦斯濃度較低，不是瓦斯抽采的重點區域。

亞關鍵層2處于裂隙帶，隨著工作面推進，該關鍵層破斷垮落，形成砌體梁結構，其所控制巖層上方與未垮落亞關鍵層3形成卸壓瓦斯儲集空間，同時工作面附近，亞關鍵層2形成鉸接結構，隨著工作面推進，關鍵層下該結構反復出現，由于其處于裂隙帶，其下方瓦斯濃度較高，是瓦斯抽采的重點區域。

隨后，當工作面推進到一定距離后，主關鍵層彎曲下沉，其下方不再出現離層空間。如圖4所示為上層煤開采卸壓瓦斯儲運區示意圖。

圖4 煤層開采卸壓瓦斯儲運區

當下層煤開采后，煤層間關鍵層處于裂隙帶，隨著工作面推進，該關鍵層破斷垮落形成砌體梁結構，與下方巖層形成離層裂隙，是瓦斯儲集空間；由于上下兩煤層采動裂隙貫通，當工作面推進到上層煤停采線附近時，上層煤瓦斯儲集空間略有減小。但瓦斯易沿著裂隙區通道向上運移至間隔內關鍵層下儲集空間，再順著上煤層冒落帶內裂隙通道繼續向上，此時，上煤層采動形成的瓦斯儲集空間充滿瓦斯成為瓦斯抽采的重點區域。煤層群重復采動后瓦斯儲運區演化過程如圖5所示。

圖5 重復采動卸壓瓦斯儲運區域演化過程

2.3 采動卸壓瓦斯儲集區判別方法

第1步：明確采場上覆巖層所有硬巖層，確定采場上方全部關鍵層層位。

第2步：根據工作面開采高度，考慮亞關鍵層下方巖層碎脹系數，確定亞關鍵層是否位于垮落帶形成懸臂梁結構，造成工作面開采期間亞關鍵層下方出現空洞，成為短暫儲集卸壓瓦斯空間，即式(1)是否成立[16]。

(1)

如式(1)成立，則認為直接頂垮落后，會在關鍵層的下方出現空洞，瓦斯短暫儲集。如式(1)不成立，則亞關鍵層將進入裂隙帶，形成砌體梁結構，關鍵層下方離層裂隙空間穩定，卸壓瓦斯易儲集。

第3步：如關鍵層下方存在空洞，結合工作面設計開采參數確定是否會造成上方關鍵層出現斷裂，即

a-2∑hcotα≥h2(2Rt/q)1/2

(2)

式中 ∑h為關鍵層與工作面之間巖層的累計厚度；α為覆巖的斷裂角；h2為關鍵層厚度；Rt為關鍵層的抗拉強度；q為關鍵層承載。

如式(2)成立，則認為關鍵層受回采范圍影響會出現斷裂；反之，則認為關鍵層僅發生彎曲下沉或未受到采動影響，此時，該關鍵層下方不存在瓦斯儲集空間。

第4步：如關鍵層發生斷裂，則需要進一步確定其斷裂后屬于垮落帶還是裂隙帶[17-18]，即

1)斷裂塊體不發生滑落失穩的條件

(3)

式中φ為巖塊間的摩擦角，(°)。

2)斷裂塊體不發生變形失穩的條件

(4)

式中，σp為斷裂巖塊咬合處的擠壓力，MPa；σc為巖塊抗壓強度，MPa；k為根據經驗判定比例系數,i=L/h2；β為巖塊斷裂后允許的下沉角度，(°)。由空洞尺寸與斷裂步距L決定。

如果斷裂后的巖塊同時滿足式(3)和式(4)，則關鍵層處于裂隙帶，關鍵層斷裂回轉形成砌體梁結構，與鄰近下層位關鍵層采動隨動巖層形成穩定存在的離層裂隙空間，是卸壓瓦斯儲集的優勢空間。反之，關鍵層垮落仍然處于垮落帶，關鍵層下方瓦斯儲集空間短暫存在。

第5步：上煤層采動覆巖穩定狀態為下煤層回采的初始條件，確定煤層間關鍵層位置，返回第2步對煤層間關鍵層進行判定，存在2種情況：①關鍵層斷裂處于垮落帶中呈懸臂梁結構，瓦斯儲集空間短暫存在；②關鍵層斷裂處于裂隙帶中呈砌體梁結構，此時，卸壓瓦斯的運移儲集又可分為2種情況[19]。

第一，上下兩煤層采動裂隙尚未貫通前，下煤層采動卸壓瓦斯沿著裂隙區通道向上運移至間隔層關鍵層下方離層裂隙處儲集。

第二，采動裂隙貫通后，由于上覆巖層冒落帶內巖層碎裂成塊，錯落的堆放擠壓在一起，巖塊間雜亂的分布諸多裂隙，瓦斯容易在其中流動[20]。因此，下煤層卸壓瓦斯易沿著裂隙區通道向上運移至間隔層內關鍵層下儲集空間，再順著上煤層冒落帶內裂隙通道繼續向上，此時，上煤層采動形成的瓦斯儲集空間再次成為瓦斯抽采的重點區域。如圖6為煤層群開采瓦斯儲集空間判別程序。

圖6 瓦斯儲集空間判別程序

3 現場應用

3.1 抽采系統布置

16#煤層11613采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用高位定向鉆孔，如圖7所示，終孔布置在距離煤層頂板15 m處，位于亞關鍵層2下方卸壓瓦斯儲集區。鉆孔分布在距離回風巷10～40 m裂隙區，共4個鉆孔，間距10 m。定向孔在水平面設計平行于回風巷，深度600 m。

圖7 11613工作面鉆孔布置

18#煤層11813采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用軌順施工導通鉆孔，每組導通鉆孔施工4個，孔徑153 mm，打穿11613軌順巷道，利用11613軌順作為高抽巷抽采11813采空區瓦斯，如圖8所示，同時布置采空區埋管進行邁步式抽采。

圖8 11813工作面鉆孔布置

3.2 瓦斯抽采效果

11613工作面布置的4個鉆孔抽采效果如圖9所示。鉆場最大抽采濃度27.8%，最大混合量達29.3 m3/min，最大純量達6.75 m3/min，累計抽采瓦斯量約115萬m3。

圖9 16#煤瓦斯抽采效果

11813工作面瓦斯抽采7個月效果如圖10所示，每個時間段瓦斯抽采總量較穩定，月平均抽采總量99 119.96 m3；抽采瓦斯濃度基本維持在每月15.1%，瓦斯抽采平均純流量為2.35 m3/min。

圖10 18#煤瓦斯抽采效果

4 結 論

1)重復采動條件下工作面及其上覆巖層內裂隙演化規律：16#煤層開采垮落帶高度11 m，裂隙帶高度53 m。隨著18#煤的開采，煤層群采動裂隙貫通，16#煤上覆巖層裂隙進一步發育擴展；當工作面推進至150 m，受煤層群重復采動影響垮落帶高度13 m，裂隙帶高度83 m。位于裂隙帶內的關鍵層下方離層區域是卸壓瓦斯儲集的優勢空間。

2)結合物理相似模擬實驗以及上覆巖層內關鍵層各項參數，可計算確定各關鍵層在覆巖“三帶”中的位置及其采動過程中斷裂垮落結構，提出工作面附近卸壓瓦斯儲集空間判別方法。

3)基于采動卸壓瓦斯儲集空間判別結果，16#煤高位定向鉆孔進行卸壓瓦斯抽采，18#煤采取鉆孔導通上煤層運順高抽巷及采空區埋管相結合抽采方式，瓦斯抽采效果良好，保證工作面的安全高效回采。