王　偉,程遠平,袁　亮,陳榮柱,王海鋒,杜　凱

(1.中國礦業(yè)大學 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇 徐州　221116;2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院,江蘇 徐州　221116;3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 五礦，河南 平頂山　467000;4.山東能源棗莊礦業(yè)(集團)有限責任公司 柴里煤礦,山東 棗莊　277519)

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深部近距離上保護層底板裂隙演化及卸壓瓦斯抽采時效性

王偉1,2,程遠平1,2,袁亮1,2,陳榮柱3,王海鋒1,2,杜凱4

(1.中國礦業(yè)大學 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇 徐州221116;2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院,江蘇 徐州221116;3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 五礦，河南 平頂山467000;4.山東能源棗莊礦業(yè)(集團)有限責任公司 柴里煤礦,山東 棗莊277519)

摘要:為解決深部近距離上保護層開采被保護層大量卸壓瓦斯通過底板裂隙涌向首層采煤工作面極易造成瓦斯超限的問題，以平頂山天安煤業(yè)股份有限公司五礦為研究背景，采用理論分析、實驗室實驗、現(xiàn)場考察以及離散元數(shù)值模擬的手段，研究了深部近距離上保護層開采底板煤巖層裂隙瓦斯通道演化規(guī)律及下被保護層卸壓瓦斯抽采時效性。研究表明：回采方向上底板煤巖層可分為原始應(yīng)力區(qū)、卸壓增透區(qū)和重新壓實區(qū)，卸壓增透區(qū)內(nèi)煤體膨脹變形量大滲透率高，卸壓瓦斯解吸擴散，底板采動裂隙使被保護層與采煤工作面貫通形成裂隙瓦斯通道。時間尺度上，卸壓增透區(qū)的形成與上保護層回采到基本頂來壓垮落時間段相對應(yīng)，采動裂隙瓦斯通道伴隨基本頂?shù)钠茢嗫迓渲饾u重新壓實消失，卸壓增透區(qū)范圍在基本頂初次垮落前達最大值，回采推進期間與基本頂來壓步距正相關(guān)。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，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。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)。

關(guān)鍵詞:近距離上保護層；裂隙瓦斯通道；卸壓增透區(qū)；瓦斯抽采時效性；三維離散元

我國含煤地層以侏羅紀和石炭二疊紀為主，且多以煤層群條件賦存，受多期地質(zhì)構(gòu)造活動影響地質(zhì)條件復雜、煤層強度和滲透率低，開采深度逐年增加，深部高地應(yīng)力和瓦斯壓力致使煤巖動力及瓦斯災害更加嚴重[1-2]。保護層開采[3]是區(qū)域性瓦斯治理最有效的方法，位于突出煤層上方垂間距小于10 m的為近距離上保護層。近距離保護層開采主要面臨采掘防突、瓦斯?jié)舛瘸?、誘發(fā)被保護層突出等問題，保護層回采過程中大量被保護層卸壓瓦斯通過底板裂隙瓦斯通道涌入極易造成瓦斯?jié)舛瘸蓿捎猛咚钩椴纱胧r截被保護層卸壓瓦斯是非常有效及必要的[4-7]。

受采動影響上保護層底板煤巖層可以分為底臌裂隙帶和底臌變形帶[8]，在底臌裂隙帶內(nèi)主要是隨巖層起鼓破裂產(chǎn)生的離層裂隙和巖層破斷產(chǎn)生的豎向穿層裂隙[9]。俞啟香等[10]從卸壓瓦斯流動觀點將采空區(qū)上方煤巖層橫向上分為：初始卸壓增透增流帶、卸壓充分高透高流帶和地壓恢復減透減流帶。張勇等[11]將工作面前方煤巖體瓦斯通道分為孤立通道區(qū)、張裂破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)及支承壓力峰值后破壞區(qū)。齊慶新等[12]認為在瓦斯運移和抽采中，導致瓦斯大量穿行于煤層群層間的是自由擴散尺度的貫穿型裂隙。國內(nèi)外學者對近距離保護層開采條件下底板煤巖層裂隙及滲透率變化進行了大量研究并取得了許多有益成果。王家臣等[13]提出上保護層開采后沿推進方向被保護層應(yīng)力狀態(tài)呈減小-增加-恒定的“W”形分布。翟成[14]根據(jù)采場底板煤巖體應(yīng)力重新分布情況，將底板分為壓縮區(qū)、過渡區(qū)、膨脹區(qū)和重新壓實區(qū)。張勇等[15]采用數(shù)值模擬的方法分析了近距離煤層群開采底板不同分區(qū)裂隙張開、擴展規(guī)律。季文博等[16]采用SF6氣體示蹤技術(shù)對近距離被保護卸壓煤體透氣性變化規(guī)律進行實測研究。王海鋒等[17]開展了近距離上保護層開采工作面瓦斯涌出規(guī)律研究，并對瓦斯抽采參數(shù)進行優(yōu)化。但是關(guān)于深部近距離上保護層底板巖層裂隙瓦斯通道演化規(guī)律，以及下被保護層煤體卸壓瓦斯抽采時效性的研究幾乎沒有。

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司五礦(以下簡稱“平煤五礦”)為煤與瓦斯突出礦井，自1989年共發(fā)生煤與瓦斯突出事故13次，其中2002年8月突出煤體123 t，涌出瓦斯9 800 m3。己15煤瓦斯含量相對較低，可作為己17煤的上保護層，煤層間距為3.3～17 m，屬近距離上保護層開采，保護層開采后己17煤瓦斯含量可降低72%～79%[18]，消突效果好。隨采掘深度加深煤巖瓦斯動力災害日趨嚴重，首采層回采過程中大量己17煤卸壓瓦斯涌入易造成瓦斯超限隱患，已成為上保護層開采的技術(shù)瓶頸。本文以平煤五礦深部近距離己組煤層群開采為背景，采用實驗室實驗、現(xiàn)場實測以及三維離散元數(shù)值模擬的手段，重點研究了深部近距離上保護層底板裂隙瓦斯通道演化規(guī)律，以及下被保護層煤體卸壓瓦斯抽采時效性。

1礦井地質(zhì)背景及瓦斯涌出分析

1.1礦井地質(zhì)背景

圖1　平煤五礦采掘平面圖及己15-32020采煤工作面綜合柱狀圖Fig.1　Extraction engineering plan of 5th Mine and stratigraphic column of J15-32020 working face

平煤五礦位于河南平頂山礦區(qū)中部(圖1(a))，主體位于鍋底山斷層兩側(cè)，緩傾斜單斜構(gòu)造，采用單一走向長臂后退式回采法，全部自然垮落法管理頂板。礦井煤與瓦斯資源豐富，瓦斯地質(zhì)儲量為660 Mm3，屬于大型儲量規(guī)模。己15-32020采煤工作面是三水平首采工作面，同時也是己17-32020采煤工作面的上保護層采煤工作面，埋深905～1 004 m，傾向采長190 m，走向長1 330 m。該采煤工作面煤系地層綜合柱狀圖如圖1(b)所示，己15煤均厚1.5 m，與下伏己17煤平均間距6.0 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單多呈塊狀、粒狀、間或有鱗片狀，易碎為粉末，透氣性系數(shù)為0.012 16 m2/(MPa2·d)，原始瓦斯壓力 0.9 MPa，瓦斯含量7.5 m3/t，底板巖層主要為砂質(zhì)泥巖和細粒砂巖，原始透氣性差，直接頂為泥巖與砂質(zhì)泥巖互層，基本頂為中-粗粒砂巖。己17-32020采煤

工作面煤層瓦斯壓力 2.7 MPa，瓦斯含量23.0 m3/t。

1.2煤體瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定

煤體基礎(chǔ)參數(shù)測定所用煤樣取自己15-32020和己17-23190采煤工作面，結(jié)果見表1，己15煤樣揮發(fā)分為23.99%，最大鏡質(zhì)組反射率為1.121 8%，中變質(zhì)肥煤，玻璃光澤，內(nèi)生裂隙發(fā)育；己17煤樣揮發(fā)分為26.9%，最大鏡質(zhì)組反射率為1.167 6%，中變質(zhì)煙煤-焦煤，玻璃光澤，焦渣強度大，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤體孔裂隙采用壓汞法測定，均以吸附態(tài)的微孔(<10 nm)和小孔(10～100 nm)為主，所占比例超過80%。

表1　平煤五礦代表性煤樣基礎(chǔ)參數(shù)測定匯總

1.3近距離上保護層開采瓦斯涌出

采用分源預測法[19]對己15煤采煤工作面瓦斯涌出情況進行分析，己15-32020采煤工作面瓦斯涌出預測結(jié)果見表2，采動影響范圍內(nèi)主要鄰近層為己14煤和己17煤，其中己14煤較薄且多以煤線形式出現(xiàn)故不予考慮。采煤工作面相對瓦斯涌出量為56.03 m3/t，本煤層涌出量為6.75 m3/t，鄰近層涌出量為49.28 m3/t，涌出瓦斯絕大部分來自下伏己17煤層，比例約為87.95%。

在考慮己17煤層瓦斯含量(Wc1)單變量條件下其與己15煤采煤工作面瓦斯涌出量(q)成近似線性關(guān)系見式(1)，如圖2所示，首采層采煤工作面瓦斯涌出量隨己17煤瓦斯含量的降低而大幅下降，降為11.0 m3/t時，采煤工作面瓦斯涌出量降低到27.8 m3/t，降幅約為一半。

表2　平煤五礦首采層工作面瓦斯涌出量預測

(1)

式中，k1，k2，k3為與回采條件相關(guān)的常數(shù)；m和M為采煤工作面煤厚和采高；mi為第i個鄰近煤層厚度；W0i和Wci為第i個鄰近煤層原始和殘存瓦斯含量；ηi為第i個鄰近煤層瓦斯排放率；W0和Wc為己15煤原始和殘存瓦斯含量；W01和Wc1為己17煤原始和殘存瓦斯含量；η為己17煤瓦斯排放率；m1為己17煤厚。

圖2　首采層采煤工作面瓦斯涌出與己17煤瓦斯含量關(guān)系Fig.2　Relationship between the gas emission of prior working face and gas content of J17 coal

2近距離保護層底板采動裂隙瓦斯通道演化

2.1煤體瓦斯賦存及底板采動裂隙瓦斯流動

根據(jù)雙重孔隙介質(zhì)模型[20]，煤體中裂隙將煤切割為基質(zhì)單元體，煤基質(zhì)中瓦斯運移以濃度梯度推動的Fick擴散為主[21]，煤基質(zhì)內(nèi)吸附瓦斯經(jīng)過脫附、基質(zhì)擴散向裂隙系統(tǒng)運移。煤儲層中瓦斯以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存，絕大多數(shù)吸附在煤基質(zhì)微孔[22-23]，煤體瓦斯吸附等溫線表現(xiàn)為IUPAC所劃分的Ⅰ型等溫吸附線[24]，即Langmuir形式，孔裂隙特性直接關(guān)系到煤體中瓦斯的吸附/解吸特性及其運移規(guī)律。煤層滲透率是煤體瓦斯流動難易程度的標志，主要受平均主應(yīng)力和孔隙壓力控制[23]，深部煤層地應(yīng)力主導有效應(yīng)力的變化直接或間接的控制著滲透率[25-26]。底板裂隙巖體由含有孔隙的巖塊和分割巖塊的裂隙組成，裂隙系統(tǒng)是瓦斯流動的主要通道，流動遵循壓力梯度推動的Darcy定律[27]，單裂隙流量與裂隙寬度為三次方的關(guān)系[28]。

2.2底板采動裂隙深度及區(qū)域形態(tài)

受采動影響煤系地層原有平衡狀態(tài)破壞，采場周圍支承壓力向底板內(nèi)部傳遞引起底板煤巖層鼓起形成破壞性裂隙，底板煤巖層塑性區(qū)可認為是最大裂隙帶深度[29]，采用塑性力學中滑移線場理論計算塑性破壞區(qū)邊界[30]，由式(2)得出底板最大底臌裂隙帶深度hs約22.5 m。

(2)

式中，H為埋深，m；φ為底板巖層厚度加權(quán)平均內(nèi)摩擦角，(°)。

上保護層頂板采動覆巖分為垮落帶、裂隙帶和彎曲沉降帶，依據(jù)《三下采煤規(guī)程》規(guī)定[31]對于采厚小于3.0 m的緩傾角煤層導水裂隙帶(垮落帶與裂隙帶之和)最大高度hd采用式(3)計算約48.4 m，∑M為采煤厚度。

(3)

上保護層頂板覆巖垮落帶和裂隙帶范圍內(nèi)，基本頂巖層(中粗粒砂巖)厚度較大且整體較為堅硬，均厚15 m，抗壓強度110 MPa，抗拉強度11.0 MPa。根據(jù)關(guān)鍵層理論[32]，基本頂巖層對采場范圍內(nèi)煤巖層運移起主要控制作用，底板巖層在基本頂垮落后逐漸重新壓實，恢復到原始應(yīng)力狀態(tài)，底板采動裂隙閉合。近距離上保護層采動頂?shù)装逵绊懛秶瓣P(guān)鍵層控制如圖3所示，底臌裂隙帶內(nèi)煤巖層向采空區(qū)膨脹開裂，貫穿型裂隙發(fā)育充分，底板裂隙深度大于煤層間距，即形成貫穿型裂隙溝通被保護層與保護層回采空間，構(gòu)成了瓦斯流動通道，致使被保護層大量卸壓瓦斯可涌入回采空間。

圖3　近距離上保護層采動頂?shù)装逵绊懛秶瓣P(guān)鍵層控制分析Fig.3　Mining influenced region in the floor and roof and the controlling effect of the key strata in short-distance upper protective seam extraction

3底板裂隙瓦斯通道演化及卸壓瓦斯抽采時效性

3.1近距離上保護層開采離散元數(shù)值模型

離散單元法是由Cundall[33]提出的模擬巖土體非連續(xù)變形的數(shù)值方法，是研究煤巖層裂隙發(fā)育及膨

脹變形的有利工具。采掘工程使采場煤巖體產(chǎn)生復雜節(jié)理裂隙和變形塊體，在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出強烈的不連續(xù)性、開放性和耗散性[34]。近距離上保護層底板采動裂隙演化的模擬采用ITASCA公司的三維離散元程序3DEC[35]，其結(jié)構(gòu)面可以滑動和張開，允許有限位移和離散體轉(zhuǎn)動脫離，計算過程中可以自動判別塊體之間可能出現(xiàn)的新接觸關(guān)系[36-37]。根據(jù)己15-32020采煤工作面煤巖層地質(zhì)賦存條件構(gòu)建模型及其邊界條件(圖4)，走向長度和垂向高度分別為200 m和101.1 m，兩側(cè)考慮50 m影響邊界，為簡化計算傾向設(shè)置為3 m，開切眼位于左側(cè)，地層傾角較小簡化為水平模擬。模型底部為固定邊界，四周為滾輪邊界，側(cè)向應(yīng)力按照側(cè)壓系數(shù)進行賦值，考慮到煤巖層巖性及深部高地應(yīng)力開采條件側(cè)壓系數(shù)取值1.0[38-39]，上方未模擬892 m巖層按等效載荷P=∑ρgh=22.3MPa代替。模型塊體部分選用Elastic-isotonic模型材料，節(jié)理面選用Contact-Coulomb模型，己15和己17煤及其頂?shù)装鍘r層塊體及節(jié)理面物理力學參數(shù)通過實驗室實驗獲取，其他巖層參數(shù)參考以往該礦井數(shù)值模擬情況和3DEC Manual中相近巖體參數(shù)數(shù)據(jù)庫[35,40]，并結(jié)合Mohammad N[41]在數(shù)值模型參數(shù)選取經(jīng)驗，見表3。

3.2底板煤巖層裂隙瓦斯通道演化過程分析

上保護層采煤工作面回采初期底板煤巖層采動裂隙演化情況如圖5所示，結(jié)合圖6中底板底臌變形量數(shù)據(jù)可知，采煤工作面推進6 m時，在回采區(qū)間中部位置底板逐漸鼓起，底板煤巖層開始有明顯裂隙出現(xiàn)；隨著采煤工作面逐漸推進(8 m)底臌變形量逐漸增大，底板煤巖層中裂隙擴展張開度增加，大量新生裂隙形成并向底板深處擴展，層間裂隙將回采空間與下被保護煤層溝通，伴隨直接頂?shù)闹饾u垮落，鼓起的底板與頂板層間距減小；在采煤工作面推進到12 m左右，鼓起的底板與垮落的直接頂逐漸接觸，對底臌變形起到一定限制作用但并沒有明顯壓實效果，底板裂隙在走向上繼續(xù)擴展，頂板巖層裂隙擴展到基本頂并在低位基本頂層位產(chǎn)生層間裂隙；采煤工作面推進到18 m左右，鼓起底板與直接頂大面積接觸，回采區(qū)間中部垂向底臌變形量達極限最大值，形成走向8 m左右峰值區(qū)間，頂板裂隙繼續(xù)向低位基本頂擴展，基本頂和直接頂巖層之間逐漸出現(xiàn)離層。

圖5　近距離上保護層開采初期頂?shù)装宀蓜恿严堆莼疐ig.5　Evolution of mining-induced floor fracture in preliminary extraction

圖6　近距離上保護層推進過程中底板巖層底臌變形量Fig.6　Heave deformation value of the floor with the advancing of the protective seam

圖7　近距離上保護層推進過程中重新壓實區(qū)域逐漸出現(xiàn)并擴展Fig.7　Generation and development of the re-compacted region in the short-distance upper protective seam extraction

隨著上保護層采煤工作面持續(xù)推進底板煤巖層中逐漸出現(xiàn)重新壓實區(qū)域(圖7)，采煤工作面推進到24 m左右，頂板裂隙在基本頂中持續(xù)擴展促使其逐漸彎曲下沉，伴隨基本頂下沉壓迫直接頂繼續(xù)垮落壓實，底板巖層鼓起變形量開始出現(xiàn)縮小趨勢，在采煤工作面中部逐漸出現(xiàn)重新壓實區(qū)，基本頂裂隙進一步向上擴展到高位基本頂；采煤工作面推進到36 m左右，基本頂大量裂隙生成并擴展，逐漸垮落，在采煤工作面中部底板煤層出現(xiàn)明顯重新壓實區(qū)；采煤工作面推進到52 m時，采煤工作面中部底板煤巖層進一步壓實，重新壓實區(qū)域擴展迅速，基本頂出現(xiàn)多段垮斷，中段基本頂被上覆巖層壓實，裂隙減少。

膨脹變形量是考察被保護層卸壓效果檢驗的主要指標，一般認為膨脹變形量大于0.3%則卸壓增透效果較好[42]。下被保護層煤體膨脹變形量如圖8所示，最大膨脹變形量在推進12 m左右到達，與頂?shù)装辶严栋l(fā)育情況相對應(yīng)，之后鼓起底板與直接頂垮落巖層相接觸，限制了底板煤巖層進一步鼓起。下被保護層煤體膨脹變形區(qū)域沿走向繼續(xù)擴展，在基本頂初次垮落之前達到極限長度，受基本頂活動控制作用明顯，極限長度大約與基本頂初次垮落步距相當，基本頂初次垮落步距最大約為周期垮落步距2倍，故在采煤工作面推進達到基本頂初次垮落步距之前，底板煤巖層達到最大卸壓效果。此外，在采煤工作面開切眼煤柱影響下長期存在一段卸壓區(qū)域，與張金才等[29]研究結(jié)論相符。

3.3底板煤巖層破壞區(qū)域劃分及卸壓瓦斯抽采時效性

采煤工作面推進100 m結(jié)束時采場頂?shù)装宀蓜恿严栋l(fā)育情況如圖9所示，停采線附近頂?shù)装辶严洞罅堪l(fā)育，在回采方向上底板煤巖層可分為原始應(yīng)力區(qū)、高強度卸壓增透區(qū)和重新壓實區(qū)，高強度卸壓增透區(qū)內(nèi)被保護層煤體卸壓膨脹變形量大，大量離層及穿層裂隙生成擴展，底板巖層貫穿型裂隙發(fā)育使被保護層煤體與采煤工作面貫通，成為被保護層大量卸壓瓦斯涌入首采煤工作面的主要裂隙瓦斯通道。高強度卸壓增透區(qū)長度為15 m左右，約為初采期間形成卸壓長度的1/2，與基本頂周期來壓步距長度相近。

圖8　近距離上保護層推進過程中下被保護層煤體膨脹變形量Fig.8　Swelling value of the protected coal seam with the advancing of the protective seam

圖9　近距離上保護層開采底板煤巖層區(qū)域劃分Fig.9　Regional division of the floor rock and coal when advanced 100 m

圖10　深度近距離上保護層開采底板煤巖層卸壓增透區(qū)形成及卸壓瓦斯流動示意Fig.10　Schematic diagram of the pressure relived & permeability enhanced region and relief gas migration

深部近距離上保護層開采底板煤巖層卸壓增透區(qū)形成及卸壓瓦斯流動如圖10所示，底板煤巖層卸壓底臌(膨脹)變形情況受基本頂控制作用，上保護層開采厚度遠遠小于基本頂巖層厚度，根據(jù)鉸接巖梁理論[8]，基本頂來壓破斷垮落過程中巖塊間相互鉸合作用明顯，故高強度卸壓增透區(qū)域長度略大于基本頂垮落步距。受上保護層采動影響被保護層區(qū)域地應(yīng)力降低，煤體卸壓膨脹，節(jié)理、裂隙擴展張開，孔隙率增加，滲透率提高，大量吸附瓦斯解吸擴散，孔隙壓力下降使?jié)B透率進一步增加。被保護層卸壓瓦斯在煤基質(zhì)微孔中解吸并以擴散的形式從煤體中流到周圍的孔裂隙中；然后以滲流的形式沿采動底板裂隙滲流進入保護層工作面，采動底板裂隙成為卸壓瓦斯流動的主要通道，卸壓瓦斯向保護層采煤工作面的涌入情況取決于層間巖層的裂隙特征及發(fā)育程度[17]，導致瓦斯大量穿行于煤層間巖層的是貫穿型裂隙[12]。在時間尺度上，從上保護層回采到基本頂來壓垮落時間段與底板煤巖層高效卸壓增透區(qū)的形成時間區(qū)間相對應(yīng)，稱為近距離上保護層開采高強度卸壓增透時效性，是進行卸壓瓦斯高效攔截抽采最優(yōu)時間段。在采動過程產(chǎn)生的高強度卸壓增透區(qū)內(nèi)下被保護層煤體膨脹變形量大，滲透率增加，大量卸壓瓦斯解吸并沿層間裂隙向底板裂隙流動；底板巖層網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，使被保護層與采煤工作面貫通，形成裂隙瓦斯通道。高強度卸壓增透區(qū)內(nèi)底板煤巖層中瓦斯?jié)舛却?，流動性好，是卸壓瓦斯抽采的高效區(qū)域，瓦斯抽采措施的布置需要同時考慮采動裂隙演化的空間和時間效應(yīng)。

回采區(qū)間中部存在大面積重新壓實區(qū)，結(jié)合圖7和圖8中底板煤巖層底臌(膨脹)變形情況，中部區(qū)間內(nèi)部分煤巖層底臌變形量可出現(xiàn)負值，說明該區(qū)域內(nèi)煤巖體受力比其原始應(yīng)力更大，經(jīng)歷應(yīng)力加載、卸荷、重新加載后出現(xiàn)損傷破壞情況，實際生產(chǎn)過程中下被保護層卸壓后大量吸附瓦斯解吸，孔隙壓力降低，煤基質(zhì)解吸發(fā)生收縮變形，故底板煤巖層被重新壓實程度更大。

4近距離被保護層卸壓瓦斯抽采

平煤五礦己17煤原始滲透率低，與己15煤層間巖

層致密透氣性差，未采動情況下難以實現(xiàn)有效抽采。瓦斯治理工程應(yīng)充分考慮底板煤巖層采動裂隙演化的空間和時間效應(yīng)，與底板煤巖層有效卸壓時空區(qū)域緊密配合，將瓦斯抽采鉆孔預先布置到己17煤層或底板巖層中，保證瓦斯治理的時間和空間，以便在其卸壓增透時效段內(nèi)進行高效瓦斯抽采，協(xié)調(diào)采掘接替計劃與瓦斯治理工程，實現(xiàn)有效卸壓瓦斯攔截的同時消突被保護層突出危險性。

4.1斜交穿層卸壓瓦斯攔截鉆孔瓦斯抽采及效果考察

己15-23230采煤工作面埋深876 m，與己17煤平均層間距8 m，采用斜交穿層卸壓瓦斯攔截鉆孔和本煤層順層鉆孔聯(lián)合抽采方法如圖11所示，在機巷和風巷分別施工順層預抽長鉆孔，同時施工與煤層夾角約為10°的斜交穿層卸壓瓦斯攔截鉆孔，以穿透己17煤為準，抽采攔截下被保護層煤層卸壓瓦斯的涌入。

圖11　斜交穿層卸壓瓦斯攔截鉆孔瓦斯抽采措施Fig.11　Gas drainage measure by slant across relief gas intercept boreholes

圖12　己15-23230回采過程中瓦斯體積分數(shù)及消突效果檢驗指標Fig.12　Gas concentration and regional verification index of J15-23230 working face

己15-23230采煤工作面2014年3月開始回采至6月共推進263.4 m，推進過程中采煤工作面瓦斯涌出情況及消突校驗指標如圖12所示，風排瓦斯量變化范圍為3.79～10.64 m3/min，最大瓦斯涌出初速度q值為2.5 L/min，最大鉆屑量s值為3.2 L/m，均不超標。己15-23230采煤工作面范圍內(nèi)瓦斯含量為7.45 m3/t，瓦斯總量為260.8萬m3，可解吸量為190.8萬m3。順層鉆孔抽采瓦斯183.4萬m3，其中風巷和機巷順層鉆孔分別抽采118.9和64.5萬m3；斜交穿層卸壓瓦斯攔截鉆孔預抽瓦斯總量為123.6萬m3，其中風巷和機巷斜交鉆孔抽采28.5和95.1萬m3。斜交穿層卸壓瓦斯攔截鉆孔可以有效攔截下被保護層卸壓涌出瓦斯，對順層瓦斯鉆孔抽采起到補充作用。

4.2近距離上保護層開采瓦斯治理規(guī)劃

充分利用近距離上保護層開采特點及優(yōu)勢，協(xié)調(diào)采掘接替計劃與瓦斯治理工程，采用傾向錯位遞進掩護瓦斯抽采方法如圖13所示，己15煤采煤工作面在傾向上內(nèi)錯30 m，使得己17煤機巷恰好位于己15煤采煤工作面回采在傾向上形成的高效卸壓增透區(qū)內(nèi)，己15煤回采過程可同時實現(xiàn)己17煤機巷瓦斯消突。在己17煤機巷傾向布置順層瓦斯鉆孔預抽己15煤采煤工作面下伏被保護層煤體瓦斯，走向上保證順層鉆孔超前于己15煤采煤工作面50 m左右，保證其在可隨回采深度進一步增加，己15煤逐漸升級為突出煤層，此時可采用底(頂)板巖巷穿層預抽煤層瓦斯措施(圖14)，如底板巖巷大面積穿層鉆孔預抽、底板巖層穿層鉆孔條帶結(jié)合順層預抽等。

以有效抽采己17煤卸壓增透區(qū)瓦斯，從而防止己15煤采煤工作面瓦斯超限。

圖13　傾向錯位遞進掩護式瓦斯抽采技術(shù)方案Fig.13　Tendency dislocation and progressive cover gas drainage technology

圖14　底(頂)板穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)模式Fig.14　Gas drainage technology of crossing borehole in the floor (roof) roadway

5結(jié)論

深部近距離上保護層回采過程中，大量被保護層卸壓瓦斯通過底板裂隙涌向首采煤工作面極易造成瓦斯超限，瓦斯治理工程應(yīng)充分考慮底板煤巖層采動裂隙演化的空間和時間效應(yīng)。

(1)在回采方向上底板煤巖層可分為原始應(yīng)力區(qū)、高強度卸壓增透區(qū)和重新壓實區(qū)。高強度卸壓增透區(qū)內(nèi)煤體膨脹變形量大，滲透率高，煤基質(zhì)內(nèi)吸附瓦斯經(jīng)過脫附、基質(zhì)擴散向煤體裂隙系統(tǒng)運移，并沿層間裂隙向底板裂隙流動，底板巖層貫通裂隙成為卸壓瓦斯涌入首采煤工作面的通道。

(2)上覆關(guān)鍵巖層(基本頂)對底板煤巖層高強度卸壓增透區(qū)的形成具有主要控制作用，時間尺度上與上保護層回采后到基本頂來壓垮落時間相對應(yīng)。采動裂隙瓦斯通道隨基本頂?shù)钠茢嗫迓渲饾u重新壓實消失，在基本頂初次垮落前高強度卸壓增透區(qū)區(qū)域范圍和底臌變形量達到最大值，回采推進期間與基本頂垮落步距相關(guān)性較好。

(3)底板重新壓實區(qū)域內(nèi)煤巖層經(jīng)歷應(yīng)力加載、卸除、重新加載后可能出現(xiàn)損傷破壞情況，部分煤巖體受力比其原始應(yīng)力更大，出現(xiàn)壓縮變形。實際生產(chǎn)過程中下被保護層煤體卸壓后大量吸附瓦斯解吸，孔隙壓力降低，煤基質(zhì)解吸發(fā)生收縮變形，故底板煤巖層被重新壓實程度更大。

(4)深部高瓦斯近距離上保護層開采瓦斯抽采措施需考慮底板采動裂隙演化的空間和時間效應(yīng)。高強度卸壓增透區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛雀吡鲃有院?，是被保護層卸壓瓦斯產(chǎn)生及運移的主要區(qū)域，也是進行卸壓瓦斯攔截及抽采的高效區(qū)，將瓦斯抽采工程與底板煤巖層有效卸壓時空區(qū)域緊密配合，可有效解決近距離被保護層大量卸壓瓦斯涌出造成的安全隱患。

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Floor fracture evolution and relief gas drainage timeliness in deeper underground short-distance upper protective coal seam extraction

WANG Wei1,2,CHENG Yuan-ping1,2,YUAN Liang1,2,CHEN Rong-zhu3,WANG Hai-feng1,2,DU Kai4

(1.NationalEngineeringResearchCenterforCoalGasControl,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.FacultyofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;3.5thMine,PingdingshanTian’anCoalCo.，Ltd.,Pingdingshan467000，China;4.ChailiMine,ShandongEnergy,ZaozhuangMiningGroupCo.,Ltd.,Zaozhuang277519,China)

Abstract:In deeper underground short-distance upper protective seam extraction,substantial amounts of relief gas absorbed in the protected coal seam would influx into the working face of the protective seam through the floor mining-induced fractures,which might cause gas concentration exceeding the statutory limit.This paper takes the 5th Mine of Tianan Coal Co.,Ltd.as a case,and studies the floor fracture evolution and relief gas drainage timeliness in deep underground short-distance upper protective seam extraction,using the methods of theoretical analysis,laboratory test,field survey and 3D distinct element numerical simulation.It concludes that the floor area could be divided into initial stress region,pressure relived and permeability enhanced region (PRPER),and re-compacted region.In the PRPER,the coal permeability enhancements was accompanied with its swelling,the mining-induced floor fracture became fracture gas channel connecting the protected coal seam to the protective working face.On the time scale,the PRPER occurred during the period between the initial extraction and the collapse of main roof.The fracture gas channel re-compacted and disappeared gradually with the collapse of main roof.During the normal excavation,the area of PRPER held a positive correlation with the periodic weighting,and reached its peak when the preliminary extraction proceeded.In the re-compacted region,coal and rock stratum would suffer the stress of loading-unloading-reloading,generating certain damage and failure,and finally contribute to the gas desorption as well as the shrinkage of coal.The PRPER is the primary space that relief gas generates and migrates,and it is thus the target area for highly efficient relief gas drainage.When proceeding gas drainage projects,it is advised to consider the effect of the time-space on the fracture evolution induced by mining.

Key words:short-distance upper protective seam;fracture gas channel;pressure relived & permeability enhanced area;gas drainage timeliness;3 Dimensional distinct element

中圖分類號:TD712

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0138-11

作者簡介:王偉(1987—),男,山東濱州人，博士研究生。E-mail：cumtsafety_wangwei@163.com。通訊作者：程遠平(1962—),男,吉林集安人,教授,博士生導師。Tel：0516-83995759,E-mail：ypc620924@163.com

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2011CB201204);國家自然科學基金面上基金資助項目(51374204,51474212)

收稿日期:2015-09-01修回日期:2015-11-12責任編輯:畢永華

王偉,程遠平,袁亮，等.深部近距離上保護層底板裂隙演化及卸壓瓦斯抽采時效性[J].煤炭學報,2016,41(1):138-148.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9018

Wang Wei,Cheng Yuanping,Yuan Liang,et al.Floor fracture evolution and relief gas drainage timeliness in deeper underground short-distance upper protective coal seam extraction[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):138-148.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9018