煤層群開采條件下對卸壓瓦斯的影響分析

摘 要：隨著煤層開采向深處發(fā)展，煤層具有的低滲透性、高瓦斯壓力和高地應力極大地增加了卸壓開采難度，降低了瓦斯抽采效果，而保護層是增透卸壓及提高瓦斯抽采效果的主要方法之一。針對近距離煤層群瓦斯涌出礦井開采，系統(tǒng)地研究了在上保護層重復開采條件下被保護層多重增透卸壓后的瓦斯?jié)B流變化規(guī)律。結果表明：得出被保護層滲流呈區(qū)域性變化，其中應力集中區(qū)減滲減流，卸壓膨脹區(qū)增透增流，應力恢復區(qū)減滲減流且滲流大于原始應力區(qū)，并得出隨著保護層層數(shù)的增加影響滲流的主要原因；為優(yōu)化卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)布置，使煤層增透卸壓，提高卸壓效果和瓦斯抽采率提供一定理論依據(jù)。

關鍵詞：煤層群；卸壓開采；重復開采；保護層；卸壓瓦斯

在各類礦井災害中，瓦斯災害事故是我國煤礦生產(chǎn)事故中傷亡和損失最大、重特大惡性事故發(fā)生最頻繁的礦井事故，也是煤礦安全生產(chǎn)最嚴重的災害[1-2]。平頂山礦區(qū)有煤層群發(fā)育，可采煤層層數(shù)多，并且煤層縱向間距較小，多數(shù)礦井為多煤層開采[3]，隨著煤層開采向深處發(fā)展，煤層埋藏條件復雜，煤層具有滲透性低、瓦斯壓力大和地應力高等特點，極大地增加了卸壓開采難度，降低了瓦斯抽采效果。多年的研究表明，保護層卸壓開采是提高煤層透氣性和降低瓦斯災害事故最有效的技術措施。因此，為了有效地減小煤層瓦斯壓力，提高卸壓開采效果，對煤層群進行多重卸壓開采條件下，被保護層的卸壓瓦斯的影響進行分析。

1 礦井概況

實驗礦井為河南平頂山礦區(qū)的A礦，設計生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，服務年限約為65.5 a，該井田為立井開拓，進風井有主立井和副立井，回風井有回風立井，一水平的水平標高為+300.0 m，采煤工作面主采戊 9 煤層。煤層傾角13?～20?，平均15?，煤層厚度變化小，一般在1.2～1.8 m，平均1.4 m 左右。煤層結構較簡單，局部有0.2 m 厚的夾矸，煤層頂?shù)装鍘r性為細砂巖和砂質(zhì)泥巖。

2 煤層瓦斯流動規(guī)律

2.1 瓦斯擴散規(guī)律

瓦斯在孔隙和裂隙內(nèi)以擴散和滲透兩類運動為主[4]。在小孔（>1um）和微孔（<0.1um）內(nèi)主要表現(xiàn)為擴散，指瓦斯分子受濃度的梯度作用，高濃度向低濃度發(fā)生運動。由Fick 定律[5]可知，擴散量與擴散系數(shù)成正比；濃度梯度越高，擴散量也越大；煤粒粒徑越小，擴散量也越大。

2.2 瓦斯?jié)B流運動

多孔介質(zhì)中的滲流流動可分為三種運動形式，分別是：層流、層流紊流同時存在以及紊流。其中以雷諾數(shù)來劃分，流體的流動從服從到不服從 Darcy 定律的層流再到紊流狀態(tài)，其狀態(tài)轉變是逐漸過渡的。這是因為煤內(nèi)孔隙的大小、形狀、曲率以及孔隙結構與張開程度等極不均勻，加之受地應力的影響，使它們都在較大程度上變化的緣故。即使如此，煤層的瓦斯流動仍主要表現(xiàn)為服從 Darcy 定律。

3 煤層群多重采動影響下伏煤巖體卸壓效應分析

3.1上保護層開采底板卸壓效應

在上保護層未開采時，煤巖層各場域處于平衡狀態(tài)，隨著采煤工作面的推進，煤層群開采后將引起上覆巖層的變形、冒落及下伏煤巖的移動、膨脹，采動破壞平衡后，圍巖破壞，發(fā)生移動變形，應力重新分布，當煤巖層自重應力降低、彈性能減小，采空區(qū)底板下方出現(xiàn)應力降低區(qū)，使開采空間周圍原有應力平衡狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生裂隙，進而對頂、底板巖層產(chǎn)生不同的破壞，而使被保護層產(chǎn)生了不同的卸壓效應，改變煤巖層的滲透性[6]。

3.2 煤層開采保護層底板損傷狀態(tài)

重新壓實區(qū)域內(nèi)煤巖層經(jīng)歷應力加載、卸荷、重新加載后可能出現(xiàn)損傷破壞，保護層開采后，被保護層出現(xiàn)水平方向為主的小角度的微小裂隙[7]。卸壓瓦斯大量解吸引起煤體收縮變形，部分煤巖體受力比其原始應力更大出現(xiàn)壓縮變形[8]。卸壓增透區(qū)是卸壓瓦斯產(chǎn)生及運移的主要空間，也是進行卸壓瓦斯攔截及抽采的高效區(qū)，瓦斯抽采工程需考慮采動裂隙演化的空間和時間效應。

4 采場圍巖破壞變形對卸壓瓦斯的影響

4.1上保護層開采底板變形破壞與應力分布對瓦斯?jié)B流的影響

（1）上保護層底板移動變形特征

保護層工作面剛開始推進時，工作面前方底板處于應力增高狀態(tài)，下伏煤巖層處于壓縮狀態(tài)，底板向下移動；隨工作面繼續(xù)推進，采空區(qū)擴大，采空區(qū)下方煤巖層應力處于卸壓狀態(tài)，采空區(qū)底板巖層開始發(fā)生向上運動，采空區(qū)向上的位移量隨著采空區(qū)的范圍增大而增大。采空區(qū)下部煤巖體呈膨脹狀態(tài)，在此區(qū)內(nèi)有較多裂隙；繼續(xù)推進，覆巖垮落，一段時間后采空區(qū)壓實，且煤巖體應力逐步恢復至原巖應力狀態(tài)。

（2）上保護層底板巖層應力分布特征

上保護層采動后，圍巖應力重新分布，而煤層底板的應力也隨之改變。保護層開采，原巖應力狀態(tài)受到破壞，頂?shù)装迕簬r層移動變形，應力重新分布。工作面正常推進過程中，煤層底板始終處于采前壓縮、采后膨脹和應力恢復的狀態(tài)下。根據(jù)底板的應力狀態(tài)，可劃分為 4 個區(qū)：原巖應力區(qū)、應力集中區(qū)、應力降低區(qū)和應力恢復區(qū)，如圖1所示。

應力集中區(qū)一般位于保護層工作面前方50m至后方20m，其范圍與工作面采高、埋深、長度、傾角和層間距等有關。應力降低區(qū)處于保護層工作面后方0～20m，有時在工作面前有卸壓發(fā)生，卸壓的主要因素有層間距及層間巖性等。被保護層的卸壓是一個逐步過渡的過程，最大卸壓點在保護層工作面后方20～130m。應力恢復區(qū)主要在采空區(qū)的后方。應力恢復區(qū)的應力一般小于原始應力，被保護層的透氣性介于應力降低區(qū)與原始煤體之間[9-10]。

以上區(qū)域劃分為下部被保護層卸壓瓦斯抽采位置及時間確定提供了依據(jù)。應力集中區(qū)的應力較大、煤層裂隙在應力的作用下發(fā)生閉合，使得煤層透氣性系數(shù)減小，該區(qū)的鉆孔瓦斯抽采量低于原始煤體的瓦斯抽采量。應力降低區(qū)，被保護層的應力遠小于原始應力，煤層裂隙相對較大。此外，還有次生裂隙的產(chǎn)生，被保護層的透氣性較強，為其卸壓瓦斯抽采提供了一定的條件。應力恢復區(qū)，鉆孔瓦斯抽采量逐漸下降，直至煤層瓦斯枯竭，喪失抽采價值。

4.2煤層群重復開采破壞變形規(guī)律及對卸壓瓦斯影響

（1）保護層頂、底板裂隙分帶與發(fā)育特征

煤層群多層上保護層開采后，原保護層底板成為下一層保護層開采的頂板。開采完全后，頂板垮落，在垂直方向的覆巖三帶區(qū)域重新分布，當兩個煤層間距較小時，中間巖層全部垮落與上一層保護層開采后的冒落帶合二為一，形成大范圍的冒落帶。煤層群重復開采，使累積采高增加，因而裂隙帶的發(fā)育高度增大；當煤層之間間距較大時，則覆巖冒落高度有限，中間巖層形成的裂隙帶來溝通首采保護層后的冒落帶，冒落帶被壓實后形成大范圍的裂隙帶。

對下伏煤巖體，國內(nèi)學者最早從預防底板突水的角度對采場下伏煤巖體的破壞狀態(tài)的研究理論，進行了多種分類，但其結果無法直接得以應用于保護層開采技術。隨著研究繼續(xù)深入，國內(nèi)保護層角度對底板的影響研究認為上保護層開采后，煤系地層原有的狀態(tài)發(fā)生改變，采動空間支承壓力向底板的傳遞使得底板破壞并產(chǎn)生裂隙，采空區(qū)底板有底鼓及膨脹現(xiàn)象發(fā)生，因而將受采動影響的底板煤巖層分為底鼓裂隙帶、底鼓變形帶和細微變化帶，裂隙情況與分帶如圖2。根據(jù)工程實踐與分析可知[11]，底鼓裂隙帶下限為底板下方 15～25m，變形帶則為下方 50～60m。底鼓裂隙帶巖石主要為粘彈性，受開采的影響破壞較為嚴重。

（2）重復采動多層上保護層卸壓效應

煤層群重復開采，沿工作面走向可分為三區(qū)：應力集中區(qū)、卸壓區(qū)和應力恢復區(qū)，如圖 3。

上保護層開采的影響區(qū)域主要和傾角及層間的巖性有關。煤層裂隙發(fā)育主要表現(xiàn)為膨脹變形，煤層透氣性與變形成正比關系，同時使得瓦斯解吸流動作用增加。保護層與下被保護層間有堅硬巖層時，可以限制下被保護層膨脹變形，因而對下被保護層的卸壓保護作用受到削弱。一般而言，底板處的裂隙發(fā)育不如頂板發(fā)育的充分。若重復采動上保護層，隨著頂?shù)装宓膶游话l(fā)生改變，及與被保護層間的間距減小，加大了對被保護層的影響作用。

兩個保護層都在被保護層上部，其開采第一層時，下方兩個煤層也同時成為被保護層。如圖4所示。這與下行開采方式相似，一般而言，開采完畢上保護層后，再開采卸壓較充分的煤層，以此為第二保護層，使得下伏煤巖體再次卸壓，被保護層的卸壓作用更加充分。

（3）重復采動對被保護層卸壓瓦斯?jié)B流的影響

采空區(qū)的覆巖向采空區(qū)移動，形成垮落以及裂隙，其下方的巖體形成底鼓斷裂及變形，保護層底板的煤層卸壓效果較為充分，因而透氣性增大，被保護層的滲流特性發(fā)生了變化[12]，煤層群多層保護層開采，較之單層開采，覆巖裂隙發(fā)育更為充分，因而卸壓更加顯著。重復采動時，覆巖中的兩帶（冒落帶與裂隙帶）范圍都增加，裂隙發(fā)育充分，為卸壓瓦斯的運移提供了較大的流動范圍和更多的流通通道；同時，重復采動對下伏煤巖體進行了多重卸壓，使得卸壓效果更明顯，在兩者的影響效果增大的情況下，能使瓦斯快速、大量地運移至采空區(qū)。

5結論

（1）根據(jù)保護層開采后采場圍巖破壞變形規(guī)律，在垂直方向上將底板煤巖層劃分為“三帶”，分別是：底鼓裂隙帶，底鼓膨脹帶和細微變化帶；其中底鼓裂隙帶由于形成了大量的穿層裂隙和離層裂隙，成為瓦斯流動進入采空區(qū)最容易的區(qū)域；

（2）重復采動下，覆巖垮落形成的冒落帶和裂隙帶范圍增大；底板煤巖層經(jīng)過多次采動破壞，下伏煤巖體破壞深度增加，裂隙更發(fā)育，底鼓裂隙帶范圍增大，為卸壓瓦斯形成良好的流動通道；同時下伏煤巖體經(jīng)歷多重卸壓效果明顯。

參考文獻

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作者簡介

劉鵬飛（1986-），男，河南平頂山人，主要從事礦井瓦斯突出防治工作。

（作者單位：中國平煤神馬能源化工集團）