厚煤層覆巖裂隙分布模擬分析及采空區瓦斯抽采技術

畢 猛

(山西王家嶺煤業有限公司，山西 保德 036600)

礦井煤炭回采時存在諸多安全風險，特別是礦井開采厚煤層時，由于一次開采厚度大、采空區內遺煤量多，采面瓦斯涌出量大，往往會引起瓦斯超限等問題[1-3]。煤壁瓦斯、落煤瓦斯、采空區瓦斯以及鄰近層瓦斯中，當開采煤層為單一厚煤層時，采空區遺煤瓦斯往往是綜放開采時主要瓦斯涌出來源，高位瓦斯抽采是降低采空區瓦斯涌出的主要技術措施之一，該技術實施關鍵是掌握采動覆巖裂隙擴展分布以及卸壓瓦斯集聚范圍[4-5]。近些年來，眾多的學者以及技術人員對采動覆巖裂隙分布以及卸壓瓦斯抽采技術展開研究，并取得豐碩成果[6-8]。在以往研究成果的基礎上，文章針對山西某礦30506綜放工作面開采情況，采用理論分析、數值模擬對采動覆巖裂隙分布規律進行探討，并依據分析結果提出使用低-中-高位鉆孔進行瓦斯抽采，有效降低了采空區瓦斯涌出并為采面安全回采創造良好條件。

1 工程概況

山西某礦為高瓦斯礦井，3采區30502綜放工作面開采5號煤層，采面傾向長200 m、走向長1 890 m。5號煤層厚度12 m、傾角4.9°，頂底板巖層巖性以泥巖、粉砂巖等為主，煤層埋深平均315 m，瓦斯原始含量為4.89 m3/t。5號煤層上覆4號、3號煤層，煤厚分別為0.35 m、0.27 m，不可采，瓦斯含量預計在2.7 m3/t以下，對5號煤層回采期間瓦斯涌出影響極小。

在30503綜放工作面回采之前，對開采的煤層進行預抽，但是受到煤層透氣性差、吸附性強等因素制約，本煤層瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采濃度一般在10%以內，抽采純量約為7.8 m3/min，抽采后煤層殘余瓦斯含量仍可達到3.95 m3/t以上，煤層中殘余瓦斯含量較高。煤層瓦斯預抽后，預測正常回采期間30502綜放工作面回采期間瓦斯涌出量可達到21.3 m3/min，采面正常供風量為1 800～2 050 m3/min，若僅通過采空區埋管方式降低采空區瓦斯涌出，回風巷以及回風上隅角內瓦斯濃度接近臨界值，給采面煤炭回采安全帶來較大威脅。

2 采面采空區覆巖裂隙分布特征分析

2.1 理論計算

煤炭開采后，采面上覆巖層垮落、下沉，會形成獨特裂隙擴展形式，同時覆巖層穿層、離層裂隙互相貫通、交替發育，最終在采空區上覆巖層形成裂隙發育帶，在裂隙發育帶內有大量的高濃度瓦斯。具體采空區覆巖裂隙帶見圖1。

30503綜放工作面開采的5號煤層平均厚度為12 m、傾角4.9°，頂板以粉砂巖、泥巖等為主，抗壓強度在40 MPa以內，因此采面開采后采空區覆巖裂隙帶、垮落帶發育高度h1、h2可通過公式(1)、(2)計算：

(1)

(2)

式中:M為煤厚，m；δ為采空區丟煤充填厚度，m；kp為煤巖碎脹系數，無量綱。

根據30503綜放工作面煤層賦存以及開采特征，取M=12 m、δ=2.55 m、kp=1.3，帶入公式(1)、(2)中分別計算得到h1=135.4±10.42 m、h2=31.5 m。

圖1 采空區覆巖裂隙帶分布示意

2.2 模擬分析

2.2.1 裂隙發育分析

采用RFOA2D軟件對30503綜放工作面回采過程中采空區覆巖裂隙擴展、演化規律進分析，不同推進距離時頂板裂隙擴展情況見圖2。

圖2 不同推進距離時頂板裂隙擴展情況

從圖2看出，當采面推進至105 m時，出現3次周期來壓，覆巖垮落高度約為34 m，之后隨著推進距離增加，垮落高度基本保持不變；當推進至150 m時采面出現第4次周期來壓，此時頂板裂隙擴展至5號煤層頂板上覆約95 m位置；當采面推進至213 m時采面出現第7次周期來壓，此時頂板裂隙擴展至5號煤層頂板上覆約103 m位置，后續隨著推進距離增加，頂板裂隙擴展高度基本保持不變。

從模擬結果看出，30503綜放工作面開采后，上覆巖層垮落帶高度約為34 m、約為5號煤層厚度的2.83倍；裂隙帶發育高度約為103 m，約為5號煤層厚度的8.58倍。

2.2.2 裂隙內瓦斯分布分析

采空區覆巖不同高度瓦斯濃度分布見圖3。從圖中看出，在距離煤層頂板120 m范圍內，瓦斯濃度在煤層頂板覆巖內分布呈現增加趨勢，主要是由瓦斯密度相對于空氣密度較低導致，但是隨著與煤層頂板距離的增加，覆巖內裂隙發育程度會有所降低；在縱向方向(采面—采空區方向)隨著采空區深度增加，覆巖上瓦斯濃度呈現降低趨勢，越靠近采面瓦斯濃度越高；在采空區內深度約45 m時，采空區上覆巖層覆巖瓦斯濃度較低，主要是采空區漏風使該區域內瓦斯向采面內運移導致；采空區內深度接近300 m時，覆巖裂隙基本被壓實，覆巖內瓦斯濃度急劇降低。

圖3 采空區覆巖不同高度瓦斯濃度分布

綜合分析采面開采后覆巖裂隙擴展規律以及采空區覆巖內瓦斯濃度分布規律，確定高位瓦斯抽采鉆孔最佳高度為距離煤層頂板35～55 m范圍。抽采鉆孔與回風巷間距會直接影響采空區瓦斯抽采效果。高位瓦斯抽采鉆孔與回風巷水平距離選取依據工程類比法確定，將水平距離確定為20～60 m，后續可依據鉆孔瓦斯抽采效果對水平距離進行優化。

3 卸壓瓦斯抽采

3.1 瓦斯抽采鉆孔布置

高位瓦斯抽采鉆孔是降低采空區瓦斯涌出以及避免回風上隅角瓦斯超限的主要措施。根據采面裂隙帶理論計算、模擬結果以及覆巖內瓦斯濃度分布模擬結果得出，將瓦斯抽采鉆孔終孔高度確定在5號煤層頂板上覆35～55 m范圍內可取得較好瓦斯抽采效果。

采用低-中-高位鉆孔抽采采空區瓦斯，具體在回風巷采面側間隔80 m布置1個鉆場，在鉆場內采空區方向施工12個抽采鉆孔，見圖4。鉆孔布置參數見表1。

回風巷內布置的鉆孔深度為4 m、寬度為4 m、高度為3.0 m，鉆場內布置3排鉆孔，單排4個鉆孔，上排鉆孔、中排鉆孔以及下排鉆孔終孔距離煤層頂板距離分別為55 m、45 m、35 m；鉆孔水平錯距10 m。抽采鉆孔孔徑均為113 mm，相鄰近兩鉆場內鉆孔間有20 m壓茬距離。

圖4 瓦斯抽采鉆孔布置示意

3.2 瓦斯抽采效果

在30503綜放工作面采用高位瓦斯鉆孔進行覆巖裂隙瓦斯抽采，并結合埋管降低采空區瓦斯涌出，現場測定的瓦斯抽采概況見表2。

對采面回采期間回風巷及回風上隅角位置瓦斯濃度進行測定，具體測定結果見圖5。從圖中看出，回風巷以及回風上隅角瓦斯濃度分別降至0.5%、0.6%以內。采面其他位置瓦斯濃度均在0.4%以內，風排瓦斯量控制在6.3 m3/min以內，為采面安全回采創造了良好條件。

圖5 瓦斯濃度測定結果

4 結 語

1) 文中采用理論分析以及數值模擬相結合的方式對采面上覆巖層裂隙擴展以及瓦濃度分布規律進行探討，理論計算發現5號煤層開采后垮落帶、裂隙帶高度分別為135.4±10.42 m、31.5 m；數值模擬發現采面推進至105 m(出現3次周期來壓)后，覆巖垮落高度基本穩定在34 m，采面推進至213 m(出現7次周期來壓)后覆巖垮落高度基本穩定在103 m；采空區后方300 m以外覆巖裂隙基本被壓實，采空區靠近采面50 m范圍內裂隙瓦斯濃度隨著與采面距離縮小呈增加趨勢。

2) 結合理論分析、數值模擬以及以往高位瓦斯抽采鉆孔布置經驗，確定將抽采鉆孔終孔布置在距離5號煤層頂板35～55 m范圍內，依據現場實際條件對抽采鉆孔布置方案進行設計?，F場應用后，瓦斯抽采鉆孔抽采量可達到9.5 m3/min，采面后續回采期間回風上隅角、回風巷內瓦斯濃度分別降至0.6%、0.5%以內，瓦斯濃度均在安全范圍內，可滿足采面生產需要。