煤層群重復(fù)采動卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)演化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

林海飛 李磊明 李樹剛 孔祥國 劉思博 丁洋

摘 要：為進(jìn)一步研究煤層群重復(fù)采動卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)動態(tài)演化規(guī)律，以貴州某礦16#、18#煤層開采工作面為背景，通過物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究了煤層群重復(fù)采動后上覆巖層裂隙分布特征，明確了卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)演化規(guī)律，提出了相應(yīng)的判別方法，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)礦井上層煤開采后，覆巖垮落帶高度11 m、裂隙帶高度53 m。工作面附近覆巖關(guān)鍵層形成的砌體梁結(jié)構(gòu)與其下方巖層之間的離層裂隙成為卸壓瓦斯儲集的空間。當(dāng)下層煤開采后，受重復(fù)采動的影響，垮落帶和裂隙帶高度分別為13和83 m。上下煤層之間存在關(guān)鍵層，在其下部仍會形成瓦斯儲集空間，采動裂隙貫通后下煤層卸壓瓦斯易沿著裂隙區(qū)通道向上運(yùn)移至煤層間隔層關(guān)鍵層下的儲集空間，再順著上煤層冒落帶內(nèi)裂隙通道繼續(xù)向上。此時，上煤層采動形成的瓦斯儲集空間也將充滿瓦斯成為抽采的重點(diǎn)區(qū)域?；诖?，提出采動卸壓瓦斯儲集空間判別方法，并在貴州某礦進(jìn)行了抽采驗(yàn)證，抽采效果良好，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：煤層群;采動裂隙;演化過程;瓦斯儲運(yùn);瓦斯抽采

中圖分類號：TD 712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）03-0385-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0301

Abstract：In order to further examine the dynamic evolution of the pressure relief gas storage and transportation area of the coal seams after repeated mining，with the mining face of the 16# and 18# coal seam in Guizhou as the background，the overburden after repeated mining was studied through physical similar simulation experiments.The distribution characteristics of rock cracks have clarified the evolution law of pressure relief gas storage and transportation areas，and the corresponding discrimination methods have been proposed and applied in engineering.The results show that after mining the upper coal in the experimental mine，the overburden caving zone is 11m high and the fracture zone 53 m high.The key layer of overlying rock near the working face forms a separation crack between the masonry beam structure and the rock below it becomes a space for pressure relief gas storage.When the lower coal is mined，the heights of the caving zone and fracture zone affected by repeated mining are 13 m and 83 m，respectively.There is a key layer between the upper and lower coal seams，and there will still be a gas storage space in the lower part.After the mining cracks are penetrated，the pressure-relieving gas in the lower coal seam will easily migrate upwards along the channel of the fracture zone to the storage space under the key layer of the coal seam，and then follow the crack channel in the upper coal seam caving zone to continue upward.At this time，the gas storage space formed by the mining of the upper coal seam will also be filled with gas and become a key area for drainage.Based on this，a method for discriminating the gas storage space of mining pressure relief gas was proposed，and the drainage verification was carried out in a mine in Guizhou，which turned out to be effective，and the safe production in the working face was ensured.Key words：coal seams;mining cracks;evolution process;gas storage and transportation;gas drainage

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(jié)、河南平頂山、安徽兩淮等多個高瓦斯礦區(qū)均具有煤層群開采條件。采動卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)域變化特征與覆巖裂隙演化規(guī)律密切相關(guān)，而煤層群煤層重復(fù)開采與單一煤層開采覆巖移動破斷規(guī)律有所不同[1]。

對于煤層覆巖采動裂隙動態(tài)分布規(guī)律的研究，國外的GHABRAIE，DAVID等研究了采動覆巖沉降地質(zhì)力學(xué)，提出了覆巖移動帶變形規(guī)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(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆煤巖層裂隙動態(tài)演化規(guī)律[7]。李樹剛等研究了單層煤開采和重復(fù)采動條件下覆巖移動、裂隙分布與演化規(guī)律、支承壓力分布特征及采動裂隙橢拋帶形態(tài)[8]。張慶賀、楊科、陳榮柱等研究了多關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)下保護(hù)層開采覆巖采動裂隙發(fā)育規(guī)律[9-11]。潘瑞凱等將重復(fù)采動覆巖劃分為不規(guī)則空隙帶和周期性空隙帶以及拱間優(yōu)勢空隙帶和拱下微空隙帶[12]。程志恒等研究了保護(hù)層與被保護(hù)層雙重采動影響下圍巖應(yīng)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(yīng)力分布與演化規(guī)律[14]。

綜上可知，對于煤層群裂隙演化規(guī)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(jìn)一步明確煤層群重復(fù)開采后采動卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)動態(tài)演化規(guī)律，文中以貴州某礦為研究背景，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)區(qū)演化規(guī)律;提出了相應(yīng)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(jù)。

1 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shù)見表1，根據(jù)關(guān)鍵層判別方法[15]得到工作面上覆巖層關(guān)鍵層，結(jié)果見表2。

1.2 相似常數(shù)確定

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

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1）為研究煤層群開采后的覆巖運(yùn)動情況，分析煤層群重復(fù)采動后卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)的演化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(shí)現(xiàn)。

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

3）上層煤回采結(jié)束后達(dá)到開采穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)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(jìn)速度進(jìn)行回采，停采線設(shè)置在距離邊界20 cm的位置，記錄煤層群重復(fù)采動后巖層裂隙發(fā)育情況。相似模型實(shí)物圖如圖1所示。

2 卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)演化規(guī)律及判別

2.1 煤層群開采卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)演化規(guī)律

2.1.1 上層煤開采卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)演化規(guī)律

16#煤層11613工作面推進(jìn)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(jìn)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(guān)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(xù)推進(jìn)，在工作面附近覆巖關(guān)鍵層下方位置始終有瓦斯儲集空間的存在。工作面推進(jìn)至119 m時垮落帶高度11 m，裂隙帶高度53 m，裂隙區(qū)寬度20 m，裂隙區(qū)內(nèi)已斷裂垮落的亞關(guān)鍵層1，2下方及處于較高層位尚未垮落的亞關(guān)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(jìn)至132 m時，垮落帶高度11 m，裂隙帶高度不再向上發(fā)育，距離煤層底板53 m，此時，裂隙區(qū)內(nèi)的關(guān)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。

2.1.2 下層煤開采覆巖裂隙演化規(guī)律

如圖3（a）所示，下煤層工作面推進(jìn)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(nèi)關(guān)鍵層未破斷，懸梁跨度25 m。

如圖3（b）所示，工作面推進(jìn)至59 m時，關(guān)鍵層斷裂造成工作面初次來壓，縱向破斷裂隙發(fā)育顯著增加，上下兩煤層采動裂隙貫通，采動裂隙區(qū)寬度增加，下煤層采動卸壓瓦斯易隨著工作面處裂隙區(qū)向上運(yùn)移至關(guān)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(yùn)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(jìn)至134 m時，其處于上煤層采動覆巖壓實(shí)區(qū)下方，垮落帶高度13 m，裂隙帶高度則發(fā)育至距離煤層底板83 m處，此時，間隔層內(nèi)關(guān)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(dāng)工作面推進(jìn)到150 m時，裂隙帶高度穩(wěn)定在距離煤層底板83 m。裂隙區(qū)內(nèi)縱向破斷裂隙發(fā)育，瓦斯易隨著裂隙區(qū)內(nèi)縱向破斷裂隙向上運(yùn)移至本煤層上覆巖層瓦斯儲集空間，并繼續(xù)向上運(yùn)移至上部煤層停采線處裂隙區(qū)內(nèi)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。

2.2 采動卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)演化特征

對于卸壓瓦斯儲集空間，上層煤開采后，亞關(guān)鍵層1處于垮落帶，隨著工作面推進(jìn)，亞關(guān)鍵層1破斷垮落，其所控制巖層上方與未垮落亞關(guān)鍵層2形成離層空間，此為卸壓瓦斯儲集區(qū)域，同時工作面附近，亞關(guān)鍵層1及其所控巖層形成破斷裂隙區(qū)，此為卸壓瓦斯優(yōu)勢運(yùn)移通道;而亞關(guān)鍵層1未垮落部分呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，隨著工作面推進(jìn)，該結(jié)構(gòu)會反復(fù)出現(xiàn)，由于其處于垮落帶，其下方瓦斯?jié)舛容^低，不是瓦斯抽采的重點(diǎn)區(qū)域。

亞關(guān)鍵層2處于裂隙帶，隨著工作面推進(jìn)，該關(guān)鍵層破斷垮落，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，其所控制巖層上方與未垮落亞關(guān)鍵層3形成卸壓瓦斯儲集空間，同時工作面附近，亞關(guān)鍵層2形成鉸接結(jié)構(gòu)，隨著工作面推進(jìn)，關(guān)鍵層下該結(jié)構(gòu)反復(fù)出現(xiàn)，由于其處于裂隙帶，其下方瓦斯?jié)舛容^高，是瓦斯抽采的重點(diǎn)區(qū)域。

隨后，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，主關(guān)鍵層彎曲下沉，其下方不再出現(xiàn)離層空間。如圖4所示為上層煤開采卸壓瓦斯儲運(yùn)區(qū)示意圖。

當(dāng)下層煤開采后，煤層間關(guān)鍵層處于裂隙帶，隨著工作面推進(jìn)，該關(guān)鍵層破斷垮落形成砌體梁結(jié)構(gòu)，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(dāng)工作面推進(jìn)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(qū)通道向上運(yùn)移至間隔內(nèi)關(guān)鍵層下儲集空間，再順著上煤層冒落帶內(nèi)裂隙通道繼續(xù)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(diǎn)區(qū)域。煤層群重復(fù)采動后瓦斯儲運(yùn)區(qū)演化過程如圖5所示。

2.3 采動卸壓瓦斯儲集區(qū)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(guān)鍵層層位。

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

式中 h1為直接頂厚度;M為煤層厚度;K′p為殘余碎脹系數(shù);C為采出率。

如式（1）成立，則認(rèn)為直接頂垮落后，會在關(guān)鍵層的下方出現(xiàn)空洞，瓦斯短暫儲集。如式（1）不成立，則亞關(guān)鍵層將進(jìn)入裂隙帶，形成砌體梁結(jié)

構(gòu)，關(guān)鍵層下方離層裂隙空間穩(wěn)定，卸壓瓦斯易儲集。

第3步：如關(guān)鍵層下方存在空洞，結(jié)合工作面設(shè)計(jì)開采參數(shù)確定是否會造成上方關(guān)鍵層出現(xiàn)斷裂，即

式中 ∑h為關(guān)鍵層與工作面之間巖層的累計(jì)厚度;α為覆巖的斷裂角;h2為關(guān)鍵層厚度;Rt為關(guān)鍵層的抗拉強(qiáng)度;q為關(guān)鍵層承載。

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

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

式中，σp為斷裂巖塊咬合處的擠壓力，MPa;σc為巖塊抗壓強(qiáng)度，MPa;k為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定比例系數(shù)，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(guān)鍵層處于裂隙帶，關(guān)鍵層斷裂回轉(zhuǎn)形成砌體梁結(jié)構(gòu)，與鄰近下層位關(guān)鍵層采動隨動巖層形成穩(wěn)定存在的離層裂隙空間，是卸壓瓦斯儲集的優(yōu)勢空間。反之，關(guān)鍵層垮落仍然處于垮落帶，關(guān)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(wěn)定狀態(tài)為下煤層回采的初始條件，確定煤層間關(guān)鍵層位置，返回第2步對煤層間關(guān)鍵層進(jìn)行判定，存在2種情況：①關(guān)鍵層斷裂處于垮落帶中呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，瓦斯儲集空間短暫存在;②關(guān)鍵層斷裂處于裂隙帶中呈砌體梁結(jié)構(gòu)，此時，卸壓瓦斯的運(yùn)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(qū)通道向上運(yùn)移至間隔層關(guān)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(nèi)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(qū)通道向上運(yùn)移至間隔層內(nèi)關(guān)鍵層下儲集空間，再順著上煤層冒落帶內(nèi)裂隙通道繼續(xù)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(diǎn)區(qū)域。如圖6為煤層群開采瓦斯儲集空間判別程序。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 抽采系統(tǒng)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(guān)鍵層2下方卸壓瓦斯儲集區(qū)。鉆孔分布在距離回風(fēng)巷10～40 m裂隙區(qū)，共4個鉆孔，間距10 m。定向孔在水平面設(shè)計(jì)平行于回風(fēng)巷，深度600 m。

18#煤層11813采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用軌順施工導(dǎo)通鉆孔，每組導(dǎo)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(qū)瓦斯，如圖8所示，同時布置采空區(qū)埋管進(jìn)行邁步式抽采。

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(dá)29.3 m3/min，最大純量達(dá)6.75 m3/min，累計(jì)抽采瓦斯量約115萬m3。

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(wěn)定，月平均抽采總量99 119.96 m3;抽采瓦斯?jié)舛然揪S持在每月15.1%，瓦斯抽采平均純流量為2.35 m3/min。

4 結(jié) 論

1）重復(fù)采動條件下工作面及其上覆巖層內(nèi)裂隙演化規(guī)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(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展;當(dāng)工作面推進(jìn)至150 m，受煤層群重復(fù)采動影響垮落帶高度13 m，裂隙帶高度83 m。位于裂隙帶內(nèi)的關(guān)鍵層下方離層區(qū)域是卸壓瓦斯儲集的優(yōu)勢空間。

2）結(jié)合物理相似模擬實(shí)驗(yàn)以及上覆巖層內(nèi)關(guān)鍵層各項(xiàng)參數(shù)，可計(jì)算確定各關(guān)鍵層在覆巖“三帶”中的位置及其采動過程中斷裂垮落結(jié)構(gòu)，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(jié)果，16#煤高位定向鉆孔進(jìn)行卸壓瓦斯抽采，18#煤采取鉆孔導(dǎo)通上煤層運(yùn)順高抽巷及采空區(qū)埋管相結(jié)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。

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