上保護(hù)層開采卸壓效應(yīng)研究

馮聰

摘 ?要：為研究上保護(hù)層開采鄰近煤層卸壓效果，以青龍煤礦二采區(qū)16和17煤層為研究背景，基于離散元數(shù)值模擬手段分析上保護(hù)層開采對高瓦斯煤層的裂隙發(fā)育和膨脹變形等特征，并通過現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證瓦斯抽采效果。研究表明：基于UDEC模擬上保護(hù)層開采，被保護(hù)煤層最大膨脹變形區(qū)域位于切眼和停采線附近，其最大膨脹變形量為27.9mm和26.1mm，相對煤層膨脹變形率為2.0%和1.86%，遠(yuǎn)大于0.3%，表明煤層卸壓增透效果好；17煤層瓦斯壓力下降高達(dá)62.5%，殘余瓦斯含量低于8m3/t，瓦斯抽采效果較好，以期為類似工況條件的卸壓瓦斯治理提供參考。

關(guān) 鍵 詞：保護(hù)層開采 高瓦斯煤層 卸壓效應(yīng) 研究

采區(qū)瓦斯涌出量增大。瓦斯預(yù)抽是降低井下瓦斯含量最有效的方法。目前，我國瓦斯抽采效率普遍較低，而保護(hù)層開采是提高瓦斯預(yù)抽的最有效防治技術(shù)。因此，對保護(hù)層開采下高瓦斯煤層卸壓瓦斯抽采的研究具有十分重要的意義。

許多學(xué)者對卸壓瓦斯抽采進(jìn)行了大量的研究。如在實(shí)驗(yàn)研究方面，李琰慶等提出“采前、采中、采后”“本煤層、鄰近層、采空區(qū)”“井下、井上”立體抽采瓦斯技術(shù)；程志恒等構(gòu)建了保護(hù)層開采+底抽巷定向鉆孔群共采技術(shù)；高明忠等分析保護(hù)層開采低擾動下煤體裂隙充分發(fā)育，可以改善煤層透氣性和穩(wěn)定性利于瓦斯抽采，實(shí)現(xiàn)安全高效開采；在理論分析方面，張村等提出工作面推進(jìn)速度的敏感因子，可作為瓦斯抽采的評價指標(biāo)；甘林堂等研究表明鉆井布置在裂隙區(qū)內(nèi)，可有效提高瓦斯抽采率；王恩元等綜合分析了保護(hù)層開采技術(shù)研究現(xiàn)狀，指出針對不同條件下的保護(hù)層技術(shù)進(jìn)行合理規(guī)劃，依然是我國現(xiàn)有區(qū)域防突措施的首要途徑。楊科等根據(jù)現(xiàn)場瓦斯數(shù)據(jù)反演，指出關(guān)鍵層的破斷對采動裂隙發(fā)育和被保護(hù)層瓦斯涌出起控制作用。在數(shù)值模擬方面，肖家平等運(yùn)用數(shù)值模擬研究得出工作面采取的垂直布置方法，被保護(hù)層卸壓效應(yīng)影響良好；程祥等基于數(shù)值模擬研究探討用軟巖作為保護(hù)層進(jìn)行開采，并設(shè)計(jì)了地面采動井、攔截鉆孔、穿層鉆孔配合采空區(qū)埋管抽采為核心的卸壓瓦斯抽采體系；閆浩等利用UDEC模擬分析了上保護(hù)層開采下充填控制裂隙瓦斯通道演化規(guī)律，并指出當(dāng)充實(shí)率為40%時，不影響瓦斯抽采效果。

綜上所述，前人在保護(hù)層開采卸壓效果以及卸壓瓦斯抽采等方面研究成果豐富。筆者基于前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合貴州地區(qū)青龍灣煤礦實(shí)際工程地質(zhì)條件，結(jié)合離散元數(shù)值模擬手段研究采動裂隙分布區(qū)域和最有抽采參數(shù)，據(jù)此針對卸壓瓦斯提出合理抽采方式，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用和效果檢驗(yàn)，以期為類似工況條件的卸壓瓦斯治理提供參考。

1 保護(hù)層開采合理性分析

1.1 工程概況

貴州煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，與其他地區(qū)相比具有煤層薄、煤層透氣性差、突出煤層多、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等特征。青龍煤礦處高山地區(qū)，煤層埋深變化大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出煤礦，其二采區(qū)下部煤層有16、17、18煤層，其中17煤層瓦斯含量值為7.32m?/t～9.14m?/t，煤層整體偏軟，瓦斯含量高、瓦斯壓力大，存在煤層抽采、瓦斯區(qū)域消突周期長、瓦斯治理工程量大等諸多問題。

21605工作面煤層總體趨勢呈南高北低的單斜構(gòu)造，煤層產(chǎn)狀變化較大，21605工作面16煤埋深為200～324m，工作面走向長1550m，傾斜長212m，厚度1.3～3.4m，平均采高2.6m，傾角9°～16°，一般為13°。17煤層距離16煤層3.2～7.3m，平均5.5m。

2 離散元數(shù)值模擬研究

以青龍煤礦21605工作面地質(zhì)條件建立UDEC數(shù)值模型（圖2），本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型，節(jié)理采用節(jié)理面接觸-庫倫滑移準(zhǔn)測。設(shè)計(jì)模型長度為200m，高度為90m，工作面采高2.6m，根據(jù)煤巖巖性進(jìn)行節(jié)理劃分，約束固定模型邊界，同時為了減小左、右邊界效應(yīng)，在兩側(cè)各留設(shè)有20m煤柱，中間開采長度為120m，每次推進(jìn)距離20m。各巖層與節(jié)理的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.1 上保護(hù)層開采煤體裂隙發(fā)育情況

數(shù)值模擬過程中21605工作面每次開挖20m向前推進(jìn)，圖3給出了上保護(hù)層開采下被保護(hù)層煤體裂隙發(fā)育情況。

據(jù)圖3可知，工作面從20m推進(jìn)至40m時，17煤層與保護(hù)層之間因底鼓引發(fā)的層間裂隙出現(xiàn)閉合，17煤層煤體裂隙逐步發(fā)育；工作面從40m推進(jìn)至80m時，頂板破斷垮落，17煤層頂板裂隙與保護(hù)層底板裂隙貫通，裂隙發(fā)育范圍持續(xù)擴(kuò)展促使彎曲下沉；工作面從80m推進(jìn)至140m時，采空區(qū)中部出現(xiàn)壓實(shí)裂隙并呈擴(kuò)大趨勢，其他地區(qū)裂隙發(fā)育保持原態(tài)；工作面從140m推進(jìn)至160m時，裂隙發(fā)育已趨于穩(wěn)定，煤體受容易受載荷作用逐漸壓實(shí)，主要產(chǎn)生壓實(shí)裂隙。綜上17煤層在自重力和水平應(yīng)力的作用下，發(fā)生拉伸剪切破壞、下沉、水平運(yùn)移及垮落壓實(shí)再次形成平衡狀態(tài)，其煤層兩端裂隙發(fā)育范圍更廣泛。

2.2 上保護(hù)層開采煤體豎向膨脹變形規(guī)律

為進(jìn)一步研究被保護(hù)層厚度變化與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系，在被保護(hù)層頂?shù)装暹x取兩條測線，每條測線布置12個測點(diǎn)，觀測保護(hù)層開采160m后，被保護(hù)層厚度變化特征，由圖4可知：

當(dāng)上保護(hù)層開采后，17煤層前段測點(diǎn)處膨脹變形逐漸有壓實(shí)趨勢，17煤層中段測點(diǎn)處壓縮變化明顯，最大壓縮變形點(diǎn)位于走向相對位置64m，最大壓縮變形值為80mm，相對煤層壓縮變形率為5.72%；最大膨脹變化區(qū)域?yàn)槊簩觾啥?，最大膨脹變形量?7.9mm和26.1mm，相對煤層膨脹變形率為2.0%和1.86%，滿足《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[14]中被保護(hù)層最大膨脹變形率大于千分之三的規(guī)定，這表明保護(hù)層開采下，被保護(hù)層卸壓增透效果較好。

3 上保護(hù)層開采17煤層卸壓瓦斯抽采優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)

青龍煤礦17煤層屬于高瓦斯低透氣性煤層，其瓦斯治理工程應(yīng)該充分考慮上保護(hù)層開采煤巖裂隙特征和鉆孔設(shè)計(jì)方案。根據(jù)上述研究，在21605底抽巷兩端D13點(diǎn)和D12點(diǎn)處布置兩組鉆孔，每點(diǎn)布置7個鉆孔，每組間距在20m以上，其17-4號鉆孔為抽采鉆孔，在距抽采鉆孔位置間距為1m、2m、3m、4m、5m、6m分別布置測壓鉆孔，參數(shù)選擇負(fù)壓25kPa，直徑96mm，如圖5所示。

3.2 被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采效果分析

21605底抽巷D13控制點(diǎn)向后50m處的17-4鉆孔位置開始抽采，抽采過程中17煤層瓦斯壓力和抽采參數(shù)隨抽采時間變化趨勢如圖6所示。

由圖6可以看出：①17-1、17-7鉆孔距17-4抽采鉆孔4m外，瓦斯壓力變化幅度不大，抽采120d后瓦斯壓力分別為0.38和0.3Mpa，均小于煤層原始壓力；②17-3、17-5以及17-6鉆孔在抽采的前40d，瓦斯壓力基本呈線性下降，抽采120d后分別降低了0.25、0.21和0.39Mpa，瓦斯壓力下降高達(dá)62.5%，瓦斯抽采效果好；③17-7鉆孔瓦斯壓力平緩降低，最終降低至0.3MPa；綜上，17煤層瓦斯卸壓效果良好。

3.3 被保護(hù)層瓦斯含量測定分析

在所有試驗(yàn)鉆孔連孔前，完成17-1到17-7的原始瓦斯含量測定，經(jīng)過120d瓦斯抽采后，對鉆孔附近3個地點(diǎn)煤樣進(jìn)行殘余瓦斯含量測定，根據(jù)瓦斯含量變化值，由表2可知，編號1、2和3煤樣殘余瓦斯含量分別為7.2302、6.4670及6.4308m?/t，均小于8m?/t，符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[14]要求，表明瓦斯抽采效果較好。

4 結(jié)論

1） 利用離散元軟件UDEC模擬分析了上保護(hù)層開采下煤體裂隙發(fā)育情況，隨著上保護(hù)層的開采，17煤層裂隙經(jīng)歷了“新生裂隙→貫通裂隙→壓實(shí)裂隙”的動態(tài)演化過程。17煤層最大膨脹變化區(qū)域位于為切眼和停采線附近，最大膨脹變形量為27.9mm和26.1mm，相對煤層膨脹變形率為2.0%和1.86%，遠(yuǎn)大于0.3%，表明煤層卸壓增透效果好。

2） 通過對17煤層瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，抽采120d后，17煤層瓦斯壓力下降高達(dá)62.5%，煤層殘余瓦斯含量均小于8m?/t，瓦斯抽采效果較好，以期為類似工況條件的卸壓瓦斯治理提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]王偉，程遠(yuǎn)平，袁亮，陳榮柱，王海鋒，杜凱。深部近距離上保護(hù)層底板裂隙演化及卸壓瓦斯抽采時效性[J]。煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（01）：138-148。

[2]彭冬，段會軍，趙永哲。綜放工作面高位定向鉆孔層位參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用實(shí)踐[J]。煤炭工程，2019，51（10）：71-76。

[3]李琰慶，楊科，秦汝祥等。煤與瓦斯突出煤層群安全高效開采技術(shù)體系與展望[J]。煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（03）：167-173。

[4]程志恒，陳亮，鄒全樂等。近距離煤層群煤與瓦斯高效共采技術(shù)體系研究——以山西呂梁沙曲礦區(qū)為例[J]。煤炭科學(xué)技術(shù)，2021，49（02）：122-137。

[5]高明忠，王明耀，謝晶等。不同卸載速率下煤巖采動力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)研究[J]。工程科學(xué)與技術(shù)，2021，53（06）：54-63。

[6]張村，屠世浩，袁永，郝定溢。卸壓瓦斯抽采的工作面推進(jìn)速度敏感性分析[J]。采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2017，34（06）：1240-1248。

[7]甘林堂。地面鉆井抽采被保護(hù)層采動區(qū)卸壓瓦斯技術(shù)研究[J]。煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（11）：110-115。

[8]王恩元，張國銳，張超林等。我國煤與瓦斯突出防治理論技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J]。煤炭學(xué)報(bào)，2022，47（01）：297-322。

[9]楊科，劉帥。深部遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采多關(guān)鍵層運(yùn)移—裂隙演化—瓦斯涌出動態(tài)規(guī)律研究[J]。采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2020，37（05）：991-1000。

[10]肖家平，楊科，李志華等。遠(yuǎn)距離煤層開采工作面布置方式卸壓增透效應(yīng)[J]。中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，29（03）：82-88。

（作者單位：貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院、復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心、瓦斯災(zāi)害防治與煤層氣開發(fā)研究所）