復(fù)合關(guān)鍵層綜放開采瓦斯運(yùn)移與抽采耦合規(guī)律研究

董國偉，任小亮，梁烜銘，李典成，白成偉，安敏鴿

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

2021年全國原煤產(chǎn)量41.3億t，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56%，僅2021年瓦斯事故已經(jīng)造成32人死亡，仍是煤礦開采重大災(zāi)害源。隨著礦井的安全高效不斷推進(jìn)，工作面覆巖破斷及裂隙發(fā)育情況出現(xiàn)變化，導(dǎo)致卸壓瓦斯的涌出和運(yùn)移情況相應(yīng)變化，不利于工作面抽采措施的布置。加之工作面上方存在相鄰的多層堅硬巖層時，復(fù)雜的地質(zhì)條件給工作面安全高效生產(chǎn)帶來了更大的隱患。特殊地質(zhì)條件下高強(qiáng)度綜放開采加劇了瓦斯災(zāi)害發(fā)生可能性，例如復(fù)合關(guān)鍵層綜放工作面開采。

一般情況下，煤層覆巖表現(xiàn)為分層破斷，在一些特殊的地層沉積條件下，相鄰硬巖層之間會產(chǎn)生復(fù)合作用。錢鳴高院士[1]針對大多數(shù)采場上方總是存在一層或幾層堅硬巖層控制采場覆巖活動的情況，提出了采場覆巖關(guān)鍵層理論，認(rèn)為關(guān)鍵層應(yīng)該對采場覆巖活動全部或局部起決定作用，并定義其幾何特征、巖性特征、變形特征、破斷特征、支承特征，給出了關(guān)鍵層的剛度、強(qiáng)度判別條件。錢鳴高院士等[2，3]運(yùn)用有限元數(shù)值分析、建立力學(xué)模型等方法，明確了關(guān)鍵層上覆巖層載荷、下部巖層支承應(yīng)力的分布規(guī)律以及關(guān)鍵層破斷順序，對相鄰硬巖之間復(fù)合效應(yīng)給予分析，明確復(fù)合關(guān)鍵層定義?？妳f(xié)興、茅獻(xiàn)彪等[4-8]在關(guān)鍵層理論基礎(chǔ)上，對復(fù)合關(guān)鍵層進(jìn)行了深入研究，給定了復(fù)合關(guān)鍵層的判別流程，并在復(fù)合關(guān)鍵層破斷方面做了大量工作。王海洋[9]對復(fù)合堅硬巖層破斷規(guī)律進(jìn)行研究，并給出其破斷計算公式。林澤江[10]針對山西某礦15402工作面大采高堅硬頂板的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析，建立了關(guān)于大采高工作面堅硬頂板破斷時，初次來壓和周期來壓計算模型。曹衛(wèi)軍[11]得到了復(fù)合關(guān)鍵層相較于無復(fù)合結(jié)構(gòu)，其承載能力、來壓周期均變大，并給出具體數(shù)值。李樹剛等[12-14]提出了“采動裂隙圓角矩形梯臺帶”模型，并分析了采高對裂隙演化的影響，建立了采動裂隙橢拋帶壓實區(qū)的數(shù)學(xué)模型及瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢通道模型，為卸壓瓦斯富集區(qū)有效抽采提供了數(shù)學(xué)依據(jù)。李樹剛等[15]認(rèn)為關(guān)鍵巖塊失穩(wěn)后能夠保持穩(wěn)定，確保了瓦斯流動活躍區(qū)的存在，為上隅角埋管位置選取提供了依據(jù)。白建平[16]等利用CDEM三維離散元模擬得到裂隙發(fā)育環(huán)的尺寸，提出鉆孔位置應(yīng)布置在裂隙發(fā)育環(huán)的頂部。尉瑞等[17]為提升高位定向鉆孔抽采效果，通過物理相似模擬分析，研究瓦斯富集運(yùn)移區(qū)發(fā)育高度變化，進(jìn)行現(xiàn)場抽采優(yōu)化。康建宏等[18-20]采用多種方法對采空區(qū)和上隅角瓦斯積聚問題進(jìn)行研究，并提出優(yōu)化方案。黃旭超[20]在精準(zhǔn)測定工作面煤體瓦斯含量和精準(zhǔn)預(yù)測瓦斯涌出量的基礎(chǔ)上，對瓦斯涌出量大的區(qū)域采取措施，實現(xiàn)了堅硬頂板綜放工作面瓦斯動態(tài)治理。綜上所述，近年來，學(xué)者對綜放開采瓦斯運(yùn)移與抽采耦合規(guī)律進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的研究成果，但對于復(fù)合關(guān)鍵層綜放開采瓦斯運(yùn)移與抽采耦合規(guī)律研究方面研究還較為少見，已成為亟需解決的問題。本文以王家?guī)X12313綜放工作面為工程背景，采用多種研究方法研究綜放工作面回采過程中復(fù)合關(guān)鍵層破斷步距、覆巖裂隙演化分布特征與瓦斯運(yùn)移規(guī)律，并研究采用多種瓦斯抽采措施前后的上隅角瓦斯涌出情況，為類似條件瓦斯治理提供理論及技術(shù)基礎(chǔ)。

1 礦井概況

12313綜放工作面開采2號煤層，位于王家?guī)X礦123盤區(qū)西翼，工作面長度為260m，回采長度為1322.6m，煤層傾角3°，煤層厚度為5.67～6.3m，平均厚度為6.1m，工作面上方存在多層細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖互層。12313工作面運(yùn)輸巷寬為5.4m，高為3.3m?；仫L(fēng)巷寬為5m，高為3.3m。工作面推進(jìn)采用單一走向長壁采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤工藝。12313工作面部分煤巖層層序及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 12313綜放工作面部分煤巖層層序及相關(guān)參數(shù)

2 綜放工作面復(fù)合關(guān)鍵層理論分析

2.1 復(fù)合堅硬巖層理論分析

為研究12313綜放工作面上覆巖層關(guān)鍵層的破斷規(guī)律，利用qn+1

采場覆巖中兩相鄰硬巖層厚度為h1和h2，彈性模量為E1和E2，泊松比為ν1和ν2，截面慣性矩為I1和I2。中間軟弱層為∑h2，彈性模量為∑E2，泊松比為∑ν2，截面慣性矩為∑I2。復(fù)合堅硬巖層承載載荷轉(zhuǎn)化為均布載荷后集度為q。以小撓度彈性薄板理論為基礎(chǔ)，假設(shè)中性軸到橫截面下邊界的距離為a，硬巖1(A)、軟巖夾層(B)、硬巖2(C)組成的復(fù)合巖層單位厚度橫截面均布荷載如圖1所示[3]。

圖1 復(fù)合巖層單位厚度橫截面均布荷載

根據(jù)組合梁力學(xué)原理、幾何關(guān)系及物理關(guān)系[7]，將復(fù)合巖層用剛度、強(qiáng)度相同的等效巖層代替，再將等效巖層代入關(guān)鍵層判別理論進(jìn)行判別。

硬巖1厚度h1=7.4m，軟巖夾層厚度∑h2=2.5m，硬巖2厚度h2=7.25m。硬巖1彈性模量E1=7.86GPa，軟巖夾層彈性模量∑E2=5.62GPa，硬巖2彈性模量E2=7.86GPa。中性軸距下部硬巖下截面的距離a由式(1)計算可得：

=8.57m

(1)

通過對復(fù)合堅硬巖層不發(fā)生彎拉破壞的臨界條件判斷[9]，得出復(fù)合堅硬巖層發(fā)生彎拉破壞的極限跨距為47.9m。

(6)

式中，I1、∑I2、I2分別為硬巖1、軟巖夾層、硬巖2對中性軸的慣性矩；hq為等效巖層的厚度，m；Iq為等效巖層的慣性矩；Eq為等效巖層的彈性模量，MPa；rq為等效巖層的容重，N/m3；τ1為中性層上的最大剪應(yīng)力，MPa；τ1b為中性層的極限抗剪強(qiáng)度，MPa；τ2b為水平層理面的抗剪強(qiáng)度，MPa；σn為剪切面上的法向應(yīng)力，MPa；c為巖石的粘聚力，MPa；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，(°)；σn1為層理面的正應(yīng)力，MPa；q為上部堅硬巖層所承受的單位面積垂向載荷，MPa；h為復(fù)合堅硬巖層的厚度，m；ν為復(fù)合堅硬巖層下部硬巖的泊松比；σt1為復(fù)合堅硬巖層下部硬巖的抗拉強(qiáng)度，MPa。

在復(fù)合堅硬巖層破斷前，復(fù)合堅硬巖層能夠承受的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其之間的剪應(yīng)力，接觸面上不產(chǎn)生相對錯動，三個巖層能夠形成復(fù)合堅硬巖層。

2.2 復(fù)合關(guān)鍵層力學(xué)模型分析

在判定硬巖1、軟弱夾層、硬巖2可以形成復(fù)合堅硬巖層條件下，其上部存在16m砂質(zhì)泥巖亞關(guān)鍵層。假設(shè)復(fù)合堅硬巖層(D)和硬巖3(E)之間存在一層厚度趨于零的軟弱夾層。復(fù)合堅硬巖層(D)厚度為hf1，彈性模量為Ef1，截面慣性矩為If1；假設(shè)的軟弱夾層厚度為Δh，彈性模量為E5，截面慣性矩為I5；硬巖3(E)厚度為h6，彈性模量為E6，截面慣性矩為I6。假設(shè)中性軸到橫截面下邊界距離為a1，則復(fù)合堅硬巖層和硬巖3的單位厚度橫截面均布荷載如圖2所示。

圖2 復(fù)合巖層單位厚度橫截面均布荷載

將復(fù)合巖層用剛度、強(qiáng)度相同的等效巖層代替，通過判斷得到工作面開始回采時，接觸面上不產(chǎn)生相對錯動，能夠形成復(fù)合巖層。通過剛度條件和強(qiáng)度條件判別，硬巖1、軟巖夾層、硬巖2組成的復(fù)合堅硬巖層和硬巖3復(fù)合后形成的復(fù)合巖層為復(fù)合關(guān)鍵層，采用上述公式計算得到復(fù)合關(guān)鍵層的極限跨距近似等于其初次來壓步距，為49.84m。

3 采動覆巖破斷及裂隙演化規(guī)律

3.1 物理相似模型建立及分析

以王家?guī)X煤礦12313工作面開采地質(zhì)條件為基本原型，建立1∶200的平面應(yīng)力物理相似模型。模型鋪設(shè)高度為146.5cm，未鋪設(shè)部分覆巖以均布載荷形式加載，模型設(shè)計開采長度為150cm。

12313綜放工作面復(fù)合關(guān)鍵層破斷情況如圖3所示，工作面推進(jìn)22m時，直接頂初次垮落，破斷裂隙和離層裂隙均發(fā)育至8.6m，在切眼一側(cè)垮落角約為56°，工作面一側(cè)垮落角約為61°。工作面推進(jìn)至56m時，復(fù)合關(guān)鍵層中硬巖1初次破斷，硬巖1破斷時，仍然與兩側(cè)巖體鉸接，提供一定的支撐作用，未破斷的硬巖1對硬巖2提供托板作用，破斷裂隙發(fā)育高度為18.6m。工作面推進(jìn)至76m時，硬巖1和硬巖2同步破斷，硬巖2與工作面一側(cè)巖體處于鉸接狀態(tài)，使硬巖3破斷步距增大。破斷裂隙發(fā)育至25.8m。當(dāng)推進(jìn)106m時，硬巖1、硬巖2、硬巖3同時破斷。此時，復(fù)合關(guān)鍵層首次完全破斷。破斷裂隙發(fā)育高度為38.1m。

圖3 12313綜放工作面復(fù)合關(guān)鍵層破斷情況

復(fù)合關(guān)鍵層裂隙分布區(qū)域劃分如圖4所示，工作面推進(jìn)224m時，硬巖1、硬巖2、硬巖3同步破斷。當(dāng)巖層受到的剪應(yīng)力達(dá)到巖層的抗剪強(qiáng)度時，復(fù)合關(guān)鍵層中各巖層間開始出現(xiàn)錯動，復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)不再存在，復(fù)合效應(yīng)消失，又因為單一硬巖抵抗變形的能力相較復(fù)合關(guān)鍵層較弱。此時，硬巖3自身載荷瞬間施加在硬巖2上，致使硬巖2破斷，破斷的硬巖2對硬巖1施加載荷，致使硬巖1、硬巖2、硬巖3同步破斷。

圖4 復(fù)合關(guān)鍵層裂隙分布區(qū)域劃分

復(fù)合關(guān)鍵層的周期破斷與綜放工作面的重復(fù)采動影響，使采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育、壓實、閉合，卸壓瓦斯隨破斷裂隙演化不斷運(yùn)移。彎曲下沉帶內(nèi)孔隙、裂隙貫通性及透氣性差，卸壓瓦斯主要積聚在垮落帶和裂隙帶的裂隙區(qū)中。工作面推進(jìn)224m時，裂隙區(qū)裂隙發(fā)育高度與壓實區(qū)裂隙發(fā)育高度保持一致，破斷裂隙發(fā)育至硬巖4底部?？迓鋷Ц叨葹?5.01m，裂隙帶高度為106.09m。裂隙區(qū)與壓實區(qū)頂部位于煤層底板上方121.1m處。工作面一側(cè)裂隙區(qū)寬度為44.6m，斷裂角為60°，切眼一側(cè)裂隙區(qū)寬度為45.6m，斷裂角為62°。裂隙區(qū)為瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢通道。

3.2 傾向模型建立及分析

為研究王家?guī)X煤礦12313綜放工作面傾向方向覆巖采動裂隙的分布特征，建立12313綜放工作面開采傾向模。設(shè)計模型尺寸為(X×Y)：470.4m×431.549m，模型兩端各留設(shè)100m邊界保護(hù)煤柱，模擬開挖260m，煤層傾角設(shè)置為3°。工作面開挖之前，先開挖運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，而后對工作面進(jìn)行開挖。在推進(jìn)過程中采用連續(xù)作業(yè)方式，工作面采用一次開挖方式。

沿傾向開采時，覆巖裂隙分布區(qū)域劃分如圖5所示，垮落帶和裂隙帶組成的“兩帶”高度為115m。采動隙主要分布在采空區(qū)兩側(cè)的裂隙區(qū)內(nèi)，作為主要的瓦斯運(yùn)移通道。運(yùn)輸巷一側(cè)裂隙區(qū)長度為37m，破斷角為62°?；仫L(fēng)巷一側(cè)裂隙區(qū)長度為40m，破斷角為63°。采空區(qū)中部的巖層雖然被壓實，裂隙閉合，但巖層破斷位置處的閉合裂隙依然可以為瓦斯運(yùn)移提供通道。裂隙帶上方的彎曲下沉帶內(nèi)部破斷裂隙較少，阻隔了瓦斯的向上運(yùn)移。

圖5 覆巖裂隙分布區(qū)域劃分(傾向)

4 綜放工作面采動裂隙瓦斯運(yùn)移特征

4.1 數(shù)值模型建立

12313綜放工作面采用“U”型通風(fēng)方式，采空區(qū)走向長224m，傾向?qū)?70.4m，模型高度為121.1m，煤層傾角3°。采用fluent數(shù)值模擬軟件模擬采空區(qū)瓦斯運(yùn)移情況，基于工作面幾何參數(shù)建立物理模型，設(shè)置運(yùn)輸巷為自由進(jìn)風(fēng)口，回風(fēng)巷為壓力出口，采空區(qū)為多孔介質(zhì)區(qū)域，高位定向鉆孔抽采負(fù)壓為15kPa，埋管抽采口抽采負(fù)壓為12kPa。選用RNGk-ε二方程模型，采用SIMPLE算法求解，計算至模型收斂。

4.2 無抽采措施情況下瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

在考慮重力因素及煤層傾角的條件下，模擬只在通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r如圖6所示。由圖6(a)可以看出，采空區(qū)覆巖破碎后重新壓實，呈現(xiàn)出多孔介質(zhì)的特征，在工作面處受到漏風(fēng)的影響，新鮮風(fēng)流在流動過程中不斷損失，致使運(yùn)輸巷一側(cè)瓦斯?jié)舛刃∮谕壬疃认禄仫L(fēng)巷一側(cè)的瓦斯?jié)舛?，靠近運(yùn)輸巷一側(cè)采場上方的瓦斯?jié)舛刃∮谕雀叨认碌幕仫L(fēng)巷一側(cè)?；仫L(fēng)巷一側(cè)在綜放工作面上方25m左右瓦斯?jié)舛然颈３植蛔?。由圖6(b)可以看出，新鮮風(fēng)流由運(yùn)輸巷一側(cè)流入后，在一定范圍內(nèi)，能夠稀釋和帶走瓦斯，當(dāng)新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)深部時，開始逐漸減少直至消失。此時，瓦斯?jié)舛然静蛔?。上隅角最大瓦斯?jié)舛缺３衷?.18%～10.90%之間。

圖6 只在通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r

4.3 高位定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

只在通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況下，漏風(fēng)流在距回風(fēng)巷一側(cè)的煤層頂板上方25m處對瓦斯?jié)舛炔辉佼a(chǎn)生影響。在此基礎(chǔ)上，在距煤層頂板25～46m處，距回風(fēng)巷10～40m處布置4組直徑為133mm的高位定向鉆孔。高位定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确植记闆r如圖7所示。由圖7可知，上隅角瓦斯最大濃度為3.35%左右。相較于沒有采取抽采措施的情況，高位定向鉆孔抽采卸壓瓦斯效果明顯，采空區(qū)卸壓瓦斯?jié)舛葴p小，但仍無法解決上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。

圖7 高位定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确植记闆r

4.4 “高位定向鉆孔+回風(fēng)巷埋管”抽采卸壓瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

基于此情況，在高位定向鉆孔抽采措施基礎(chǔ)上，綜放工作面進(jìn)行高位定向鉆孔及回風(fēng)巷埋管瓦斯抽采，埋管口不同埋深情況下瓦斯?jié)舛确植记闆r如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)埋管口埋藏深度5m時，埋管口埋藏較淺，埋管口附近巖層裂隙較大，卸壓瓦斯沿采動裂隙涌入工作面，同時，新鮮風(fēng)流由運(yùn)輸巷進(jìn)入工作面后，采空區(qū)內(nèi)的卸壓瓦斯被漏風(fēng)流稀釋并帶入工作面，由回風(fēng)巷流出，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.556%；當(dāng)埋管口埋藏深度10m時，埋管口附近巖層裂隙逐漸閉合，漏風(fēng)流影響減弱，采空區(qū)瓦斯涌出量減少，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.529%；當(dāng)埋管口埋藏深度15m時，受漏風(fēng)流影響弱，上隅角瓦斯?jié)舛容^埋管口埋藏深度10m時上隅角瓦斯?jié)舛扔兴档?，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.486%；當(dāng)埋管口埋藏深度20m時，上隅角瓦斯?jié)舛容^埋管口埋藏深度15m時上隅角瓦斯?jié)舛扔兴仙瑢ι嫌缃峭咚钩椴尚Ч陆担页椴沙杀驹黾?，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.491%。

由圖8還可以看出，在確定高位定向鉆孔的前提下，埋管瓦斯抽采埋管口最佳埋藏深度為回風(fēng)巷一側(cè)工作面后方15m左右。此時，埋管口附近裂隙較小，涌入工作面的卸壓瓦斯量較少，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.486%左右。模擬所采用的瓦斯抽采措施可以作為12313綜放工作面瓦斯治理的參考。

圖8 埋管口不同深度情況下瓦斯?jié)舛确植记闆r

根據(jù)數(shù)值模擬中上隅角瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)值變化，上隅角瓦斯?jié)舛扰c埋管口深度關(guān)系如圖9所示。上隅角瓦斯?jié)舛?y)與埋管口深度(x)之間存在如下關(guān)系：y=8.53333e-5x3-0.00288x2+0.02287x+0.503(5m≤x≤20m)，僅考慮上隅角瓦斯抽采效果，埋管口深度為17.3m時，上隅角瓦斯?jié)舛茸钚?，約為0.478%。

圖9 上隅角瓦斯?jié)舛扰c埋管口深度關(guān)系

5 現(xiàn)場效果

在現(xiàn)場實際抽采過程中，該盤區(qū)已開采工作面采用“高位定向鉆孔+回風(fēng)巷埋管”抽采兩種抽采方式抽采瓦斯，高位定位鉆孔抽采負(fù)壓設(shè)置為15kPa，埋管抽采負(fù)壓設(shè)置為12kPa，埋管口深度為12m，綜放工作面上隅角最大瓦斯?jié)舛仍?.39%～0.79%之間。由上隅角瓦斯?jié)舛扰c埋管口深度關(guān)系可知，當(dāng)埋管口深度為12m時，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.51%左右，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際情況基本一致，對于12313綜放工作面現(xiàn)場瓦斯抽采具有一定的參考價值。

6 結(jié) 論

1)在復(fù)合關(guān)鍵層理論基礎(chǔ)上，針對王家?guī)X礦12313綜放工作面覆巖存在多層細(xì)粒砂巖及砂質(zhì)泥巖互層的巖層沉積條件，假設(shè)復(fù)合堅硬巖層與砂質(zhì)泥巖堅硬巖層之間存在一層軟弱巖層，得到復(fù)合關(guān)鍵層的一個特例。

2)復(fù)合關(guān)鍵層中堅硬巖層的初次破斷為非同步破斷，復(fù)合關(guān)鍵層中上部堅硬巖層破斷時，復(fù)合關(guān)鍵層中復(fù)合效應(yīng)消失，承載能力減弱，造成復(fù)合關(guān)鍵層中各巖層的同步破斷。

3)當(dāng)采用“高位定向鉆孔+回風(fēng)巷埋管”抽采措施時，回風(fēng)巷埋管口深度為17.3m，上隅角瓦斯?jié)舛燃s為0.478%，抽采效果最好。模擬結(jié)果顯示所采用的抽采措施可以消除工作面的瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，研究結(jié)果對于12313工作面瓦斯抽采具有一定的指導(dǎo)意義。