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(yīng)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(hù)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(hù)層重復(fù)開采條件下被保護(hù)層多重增透卸壓后的瓦斯?jié)B流變化規(guī)律。結(jié)果表明：得出被保護(hù)層滲流呈區(qū)域性變化，其中應(yīng)力集中區(qū)減滲減流，卸壓膨脹區(qū)增透增流，應(yīng)力恢復(fù)區(qū)減滲減流且滲流大于原始應(yīng)力區(qū)，并得出隨著保護(hù)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(guān)鍵詞：煤層群；卸壓開采；重復(fù)開采；保護(hù)層；卸壓瓦斯

在各類礦井災(zāi)害中，瓦斯災(zāi)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(yán)重的災(zāi)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(fù)雜，煤層具有滲透性低、瓦斯壓力大和地應(yīng)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(hù)層卸壓開采是提高煤層透氣性和降低瓦斯災(zāi)害事故最有效的技術(shù)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(jìn)行多重卸壓開采條件下，被保護(hù)層的卸壓瓦斯的影響進(jìn)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(shè)計生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，服務(wù)年限約為65.5 a，該井田為立井開拓，進(jìn)風(fēng)井有主立井和副立井，回風(fēng)井有回風(fēng)立井，一水平的水平標(biāo)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(jié)構(gòu)較簡單，局部有0.2 m 厚的夾矸，煤層頂?shù)装鍘r性為細(xì)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)與張開程度等極不均勻，加之受地應(yīng)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(yīng)分析

3.1上保護(hù)層開采底板卸壓效應(yīng)

在上保護(hù)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(jìn)，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(yīng)力重新分布，當(dāng)煤巖層自重應(yīng)力降低、彈性能減小，采空區(qū)底板下方出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，使開采空間周圍原有應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生裂隙，進(jìn)而對頂、底板巖層產(chǎn)生不同的破壞，而使被保護(hù)層產(chǎn)生了不同的卸壓效應(yīng)，改變煤巖層的滲透性[6]。

3.2 煤層開采保護(hù)層底板損傷狀態(tài)

重新壓實區(qū)域內(nèi)煤巖層經(jīng)歷應(yīng)力加載、卸荷、重新加載后可能出現(xiàn)損傷破壞，保護(hù)層開采后，被保護(hù)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(yīng)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(jìn)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(yīng)。

4 采場圍巖破壞變形對卸壓瓦斯的影響

4.1上保護(hù)層開采底板變形破壞與應(yīng)力分布對瓦斯?jié)B流的影響

（1）上保護(hù)層底板移動變形特征

保護(hù)層工作面剛開始推進(jìn)時，工作面前方底板處于應(yīng)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(jìn)，采空區(qū)擴大，采空區(qū)下方煤巖層應(yīng)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(jìn)，覆巖垮落，一段時間后采空區(qū)壓實，且煤巖體應(yīng)力逐步恢復(fù)至原巖應(yīng)力狀態(tài)。

（2）上保護(hù)層底板巖層應(yīng)力分布特征

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

應(yīng)力集中區(qū)一般位于保護(hù)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(guān)。應(yīng)力降低區(qū)處于保護(hù)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(hù)層的卸壓是一個逐步過渡的過程，最大卸壓點在保護(hù)層工作面后方20～130m。應(yīng)力恢復(fù)區(qū)主要在采空區(qū)的后方。應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的應(yīng)力一般小于原始應(yīng)力，被保護(hù)層的透氣性介于應(yīng)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(hù)層卸壓瓦斯抽采位置及時間確定提供了依據(jù)。應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力較大、煤層裂隙在應(yīng)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(yīng)力降低區(qū)，被保護(hù)層的應(yīng)力遠(yuǎn)小于原始應(yīng)力，煤層裂隙相對較大。此外，還有次生裂隙的產(chǎn)生，被保護(hù)層的透氣性較強，為其卸壓瓦斯抽采提供了一定的條件。應(yīng)力恢復(fù)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(fù)開采破壞變形規(guī)律及對卸壓瓦斯影響

（1）保護(hù)層頂、底板裂隙分帶與發(fā)育特征

煤層群多層上保護(hù)層開采后，原保護(hù)層底板成為下一層保護(hù)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(dāng)兩個煤層間距較小時，中間巖層全部垮落與上一層保護(hù)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(fù)開采，使累積采高增加，因而裂隙帶的發(fā)育高度增大；當(dāng)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(hù)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(xué)者最早從預(yù)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(jìn)行了多種分類，但其結(jié)果無法直接得以應(yīng)用于保護(hù)層開采技術(shù)。隨著研究繼續(xù)深入，國內(nèi)保護(hù)層角度對底板的影響研究認(rèn)為上保護(hù)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(xì)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(yán)重。

（2）重復(fù)采動多層上保護(hù)層卸壓效應(yīng)

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

上保護(hù)層開采的影響區(qū)域主要和傾角及層間的巖性有關(guān)。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(guān)系，同時使得瓦斯解吸流動作用增加。保護(hù)層與下被保護(hù)層間有堅硬巖層時，可以限制下被保護(hù)層膨脹變形，因而對下被保護(hù)層的卸壓保護(hù)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(fù)采動上保護(hù)層，隨著頂?shù)装宓膶游话l(fā)生改變，及與被保護(hù)層間的間距減小，加大了對被保護(hù)層的影響作用。

兩個保護(hù)層都在被保護(hù)層上部，其開采第一層時，下方兩個煤層也同時成為被保護(hù)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(hù)層后，再開采卸壓較充分的煤層，以此為第二保護(hù)層，使得下伏煤巖體再次卸壓，被保護(hù)層的卸壓作用更加充分。

（3）重復(fù)采動對被保護(hù)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(hù)層底板的煤層卸壓效果較為充分，因而透氣性增大，被保護(hù)層的滲流特性發(fā)生了變化[12]，煤層群多層保護(hù)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(fù)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(fù)采動對下伏煤巖體進(jìn)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(jié)論

（1）根據(jù)保護(hù)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(xì)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(jìn)入采空區(qū)最容易的區(qū)域；

（2）重復(fù)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。

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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）