高抽巷合理層位的確定方法與應(yīng)用

范尚崇，楊宏民，2，邱向雷，尹海

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險救災(zāi)教育部工程研究中心，河南 焦作 454000；3.中煤昔陽能源有限責(zé)任公司 黃巖匯煤礦，山西 昔陽 045300）

0 引言

在開采近距離煤層群時，工作面上覆煤巖層受采動影響發(fā)生移動與破壞，造成離層裂隙與豎向裂隙，鄰近層卸壓瓦斯通過裂隙涌入采空區(qū)，成為采空區(qū)瓦斯涌出的主要來源。針對以鄰近層瓦斯涌出為主的采煤工作面，瓦斯抽采是治理上隅角瓦斯集聚最為普遍的方法［1］，為了取得較好的抽采效果，需要將高抽巷布置在裂隙帶瓦斯富集區(qū)內(nèi)。徐永佳［2］提出瓦斯高抽巷終巷合理層位布置需要著重考慮沿工作面推進方向的采動覆巖裂隙演化規(guī)律，并根據(jù)綜采面初采期礦壓顯現(xiàn)規(guī)律建立覆巖裂隙發(fā)育模型，確定了瓦斯高抽巷終巷層位布置的計算公式；錢鳴高等［3-6］提出采空區(qū)卸壓瓦斯儲存在“O”形圈內(nèi)，并以此為移動通道向工作面移動；張慧杰等［7］利用各關(guān)鍵層的破斷順序確定高抽巷的合理層位，并揭示了煤層卸壓角與采空區(qū)覆巖“O”形圈寬度共同決定瓦斯高抽巷與回風(fēng)巷水平錯距；朱紅青等［8］應(yīng)用理論計算和材料相似模擬的方法確定冒落“三帶”和“O”形圈發(fā)育范圍，并利用Fluent軟件分別模擬瓦斯高抽巷不同層位下的抽采效果，確定瓦斯高抽巷的最佳層位；郝家興［9］采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法確定覆巖裂隙發(fā)育特征及高抽巷空間位置；李東印等［10］結(jié)合采動覆巖裂隙演化規(guī)律和瓦斯體積分數(shù)分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，確定瓦斯高抽巷的合理位置；靳曉華等［11］通過理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場考察，綜合分析瓦斯高抽巷合理層位；李勝等［12］通過修正經(jīng)驗公式進行理論計算、數(shù)值模擬，并結(jié)合鉆孔流量法現(xiàn)場觀測，確定瓦斯高抽巷合理層位；馬恒［13］基于采空區(qū)碎脹系數(shù)分布的“O”形圈理論，運用Fluent數(shù)值模擬方法確定了瓦斯高抽巷合理層位；宋衛(wèi)華等［14］利用Fluent數(shù)值模擬軟件研究瓦斯高抽巷位于不同層位時瓦斯抽采體積分數(shù)分布規(guī)律，確定了瓦斯高抽巷的合理層位；婁高中等［15］建立了PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測模型，將測試樣本的預(yù)測結(jié)果與實際值及經(jīng)驗公式預(yù)測結(jié)果進行對比，大大提高了預(yù)測結(jié)果的準確性

由上可知，國內(nèi)外學(xué)者大多采用經(jīng)驗公式計算與數(shù)值模擬的方法進行瓦斯高抽巷合理層位的定性分析，結(jié)論的可靠性仍然需要通過現(xiàn)場實踐進行定量評價。針對以上問題，本文以中煤昔陽能源有限責(zé)任公司黃巖匯煤礦15108工作面為研究對象，通過理論計算、數(shù)值模擬確定裂隙帶最大發(fā)育高度，結(jié)合現(xiàn)場實測結(jié)果確定瓦斯高抽巷的合理層位，并驗證兩種分析方法的可靠性。

1 礦井概況

黃巖匯煤礦為高瓦斯突出礦井。15108工作面上覆14號、13號、12號、11號、9號等煤層，受采動影響，煤層上覆的K2，K3，K4灰?guī)r層局部裂隙非常發(fā)育，位于開采層上方33～60 m有大量游離瓦斯賦存。根據(jù)山西省晉中市昔陽縣2018年《黃巖匯煤礦礦井瓦斯涌出量測定報告》，15號煤層瓦斯相對涌出量為39.26 m3/t。分析上隅角瓦斯來源，鄰近層與采空區(qū)為其主要瓦斯涌出源。高抽巷的層位決定了抽采總量和上隅角瓦斯體積分數(shù)，回采期間，由于高抽巷布置層位過高，抽采效果不佳，造成采空區(qū)瓦斯涌入工作面風(fēng)流，使上隅角瓦斯體積分數(shù)超限，達到報警值。

2 采動覆巖豎“三帶”范圍數(shù)值計算 模型

煤層開采后，采空區(qū)上方的直接頂在自身重力和上覆巖層的壓力下產(chǎn)生變形，當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過極限抗拉強度時，就會直接垮落。冒落帶上部的規(guī)則移動帶［16］巖層以懸臂梁形式順著層理結(jié)構(gòu)的法向方向彎曲和移動破壞，從而產(chǎn)生離層區(qū)，各巖層之間形成離層裂隙，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生垂直或斜交于巖層的豎向裂隙。采空區(qū)的上覆巖層從上而下逐漸形成彎曲下沉帶、裂隙帶和冒落帶；沿走向方向形成載荷影響區(qū)、自然堆積區(qū)和重新壓實區(qū)。

2.1 采動覆巖下沉量計算模型

裂隙帶上部未破斷巖層在自重應(yīng)力與邊界固支的作用下發(fā)生撓曲下沉，可運用彈性薄板理論計算巖層下沉量wi［17］，

式中：ρi為各巖層密度；hi為各巖層厚度；α為煤層傾角；a，b分別為采空區(qū)走向長度與傾向長度；Di為抗彎強度，/［12（1-ν2）］，E為楊氏模量；ν為泊松比。

冒落帶內(nèi)老頂或堅硬的厚巖層作為關(guān)鍵層，對該層以上的巖層起到一定的支承作用，斷裂的巖層下沉量wi′可利用關(guān)鍵層下沉擬合公式［18］計算，

式中：w0為巖層穩(wěn)定后的下沉量，w0=H-Σhi×（Ki-1），其中H為采放煤高度，Σhi為各巖層距煤層高度之和，Ki為各巖層殘余碎脹系數(shù)；li為巖石破斷長度，li=hi[ σi/(3q)]1/2，σi為各巖層抗拉強度，q為上部荷載強度。

2.2 采動覆巖移動規(guī)律數(shù)值模型

黃巖匯煤礦15號煤層為近水平煤層，因此可忽略角度對模型的影響，利用UDEC數(shù)值模擬軟件建立水平走向模型，根據(jù)15108工作面巖層柱狀圖，設(shè)模型水平長200 m，豎直高75.7 m，如圖1所示。

圖1 黃巖匯煤礦15號煤層數(shù)值模型示意圖Fig.1 Numerical model schematic of coal seam 15 of Huangyanhui mine

模型上部設(shè)定為應(yīng)力邊界條件，豎直方向上可自由運動，根據(jù)15108工作面實際埋深（約為690 m），施加均布荷載16.9 MPa，側(cè)壓系數(shù)設(shè)定為1.0；模型底部為全約束邊界；左右邊界為單約束邊界，施加水平方向上的約束，允許邊界節(jié)點在豎直方向上運動。

煤層采用一次采全高開采，采高4.9 m，開切巷距離左邊界40 m，每一步開挖前模擬至應(yīng)力平衡。

本次模擬對塊體賦予不同的材料性質(zhì)參數(shù)，模型采用平面應(yīng)變分析，考慮塊體的完全彈塑性，本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型。巖層力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mechanical parameters

3 采動覆巖豎“三帶”數(shù)值計算結(jié)果 分析

3.1 采動覆巖下沉量計算結(jié)果分析

根據(jù)關(guān)鍵層理論與覆巖巖性，將15108工作面計算模型簡化為7個巖層，各巖層特性參數(shù)見表2。

表2 各巖層特性參數(shù)Tab.2 Parameters of the characteristics of each rock formation

由覆巖下沉量公式（1）和（2）計算工作面推進120 m時各巖層的下沉量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 各巖層下沉量與開切巷距離關(guān)系曲線Fig.2 Relation curves between sinkage and open-off cut of each rock formation

由圖2可知，受采動影響，隨埋深變淺，煤層覆巖下沉量逐漸減小。其中，距煤層頂板17.6 m以下的巖層1和直接頂下沉量變化幅度最大，下沉相對比較緊湊密集，下沉量大于4 m，表明該區(qū)域的覆巖下沉速度快，冒落程度較大；距煤層頂板67.7 m以上的巖層下沉變化幅度最小，下沉量小于1 m，巖石變形小，巖層4作為關(guān)鍵層控制各巖層的豎直移動。這是因為煤層開采后，由于缺少煤體的支撐，同時受到上部巖層載荷的影響，冒落帶內(nèi)直接頂卸壓自行垮落，當(dāng)破碎巖石填滿采空區(qū)時，破碎巖石對直接頂起到一定支撐作用，下沉量達到最大值；由于各巖層厚度與強度存在差異，因受力不同，受采動影響，裂隙帶內(nèi)不同巖性的巖層之間形成不協(xié)調(diào)性離層；彎曲下沉帶內(nèi)無離層現(xiàn)象，基本呈整體下沉。因此，17.6 m以下區(qū)域確定為冒落帶，67.7 m以上的區(qū)域確定為彎曲下沉帶，可將17.6～67.7 m的區(qū)域確定為裂隙帶。

采空區(qū)覆巖沿走向方向及傾斜方向下沉量分布如圖3所示。

圖3 采空區(qū)覆巖下沉量分布Fig.3 Distribution of the amount of rock cover in the mining area

由圖3可知，在走向方向上，從工作面向采空區(qū)深部逐漸壓實；在傾向方向上，中間壓實，而兩幫巖層受到邊界煤壁支承未完全壓實，在采空區(qū)中部形成一定的壓實區(qū)。

3.2 采動覆巖移動規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了分析豎直方向上的上覆巖層下沉量與推進距離的關(guān)系，在老頂內(nèi)設(shè)置一條測線，觀測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，工作面推進40 m時，受采動影響，巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，圍巖應(yīng)力不斷變化，上覆巖層破裂產(chǎn)生裂隙，此時頂板最大下沉量為2.6 m。隨著工作面向前推進，直接頂自行冒落，老頂不斷發(fā)生破壞運動，但不會直接垮落。隨著工作面繼續(xù)推進，老頂呈現(xiàn)周期運動特征，豎直方向上覆巖層裂隙發(fā)育范圍趨于穩(wěn)定，卸壓范圍逐漸增大。工作面推進100 m時，老頂最大下沉量為4.84 m，已達到最大下沉值，說明此時采空區(qū)被充分填充，巖層豎直位移不再變化，冒落帶高度與裂隙范圍不再向上發(fā)育。

圖4 老頂隨開挖距離的下沉量曲線Fig.4 Sinking curves of the old top with the excavation distance

在采空區(qū)中部各覆巖向上布置測點，通過工作面開挖100 m時豎直下沉量的變化判斷豎“三帶”的發(fā)育范圍，如圖5所示。

圖5 各測點豎直下沉量變化曲線Fig.5 Vertical sinking amount variation curve for each point

由圖5可知，隨著埋深變淺，測點下沉量也逐漸減小，與理論計算結(jié)果相同。測點高度為20 m以下，各測點下沉量都在1.4 m以上，說明此區(qū)域內(nèi)巖層已經(jīng)垮落；20 m以上的測點，下沉量變化梯度較小，此區(qū)域內(nèi)巖層以彎曲下沉和移動破斷為主；70.4 m以上測點下沉量趨于穩(wěn)定，巖層主要以彎曲下沉為主。因此，20 m以下區(qū)域為冒落帶，裂隙帶最大發(fā)育高度為70.4 m。

4 高抽巷不同層位抽采效果

只要選擇合適的布置層位，高抽巷就同時具備抽采量多、抽采體積分數(shù)大、抽采穩(wěn)定等優(yōu)勢。高抽巷抽采負壓作用有利于采空區(qū)的瓦斯流場改變，使裂隙圈內(nèi)大量的積聚瓦斯流入高抽巷，從而減少采空區(qū)流入工作面的瓦斯量，以此達到降低上隅角瓦斯體積分數(shù)的目的。為了對比各抽采期不同層位高抽巷抽采下上隅角瓦斯體積分數(shù)的變化規(guī)律，繪制不同層位高抽巷抽采的上隅角瓦斯體積分數(shù)變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同層位高抽巷抽采下上隅角瓦斯體積分數(shù)變化曲線Fig.6 Change curves of the concentration of gas in the upper angle of the high pumping roadway different lane extraction

由圖6可知，在層位為73～80 m時，高抽巷處于彎曲下沉帶內(nèi)，抽采純量少，抽采能力弱，對采空區(qū)流場影響減弱，上隅角瓦斯體積分數(shù)明顯高于其他層位，最高可達0.8%。層位為50～57 m時，高抽巷抽采純量顯著增大，此時上隅角瓦斯體積分數(shù)明顯下降，低于0.3%以下。層位為70 m時，隨著抽采純量增加，上隅角瓦斯體積分數(shù)并未出現(xiàn)立即下降的趨勢，這主要是因為此時高抽巷抽采純量處于不斷增加階段，還未達到穩(wěn)定的抽采狀態(tài)，對采空區(qū)流場的影響還較弱，所以此時上隅角瓦斯體積分數(shù)較高。

圖7為高抽巷層位與上隅角瓦斯體積分數(shù)關(guān)系。由圖7可知，各層位抽采條件時上隅角瓦斯平均體積分數(shù)隨層位的變化曲線為拋物線。層位由48 m上升到57 m時，上隅角瓦斯平均體積分數(shù)呈下降趨勢；當(dāng)層位由57 m上升到80 m時，上隅角瓦斯平均體積分數(shù)呈上升趨勢。因此，高抽巷最佳層位應(yīng)布置在50～70 m，驗證了數(shù)值模擬和理論計算結(jié)果的可靠性。

圖7 高抽巷層位與上隅角瓦斯體積分數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relation between the height of the high pumping roadway level and the gas concentration at the upper angl

5 結(jié)論

（1）理論計算與數(shù)值模擬得出15108工作面裂隙帶最大發(fā)育高度，為67.7～70.4 m，高抽巷在不同層位時的抽采效果驗證了模擬結(jié)果的可靠性。

（2）高抽巷具有抽采純量多、抽采體積分數(shù)大的優(yōu)點，能夠有效治理上隅角瓦斯體積分數(shù)超限問題，高抽巷層位為50～70 m時，上隅角瓦斯體積分數(shù)穩(wěn)定在0.3%以下。