張 偉，許開立

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

采選技術(shù)

高瓦斯多煤層大采高工作面覆巖裂隙演化規(guī)律研究

張 偉，許開立

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

高瓦斯多煤層礦井運(yùn)用大采高技術(shù)以實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效，開采工藝不同導(dǎo)致工作面瓦斯涌出規(guī)律的變化。以沁水煤田15#煤層大采高工作面煤層賦存條件和覆巖分布特征為背景開展采動(dòng)覆巖裂隙演化規(guī)律研究，運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬大采高工作面在不同推進(jìn)距離時(shí)覆巖裂隙形態(tài)發(fā)育及位移量，并提出基于示蹤原理的實(shí)測覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律的驗(yàn)證方法。研究表明：大采高工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，煤層上覆巖層裂隙極限發(fā)育高度為65 m，大采高工作面上鄰近層8#煤層處于采動(dòng)卸壓范圍，示蹤氣體法現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。由于大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育范圍擴(kuò)展至上鄰近層8#煤層，所以工作面回采過程中應(yīng)增加上鄰近層瓦斯抽采工藝。

大采高工作面；覆巖；裂隙；數(shù)值模擬；示蹤氣體

0 引言

近幾年，隨著大采高開采技術(shù)應(yīng)用趨于成熟，由于大采高綜采具有工作面煤炭資源回采率高、生產(chǎn)作業(yè)效率高和生產(chǎn)煤炭含矸率等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，國內(nèi)已有部分高瓦斯多煤層開采礦井采用大采高綜采技術(shù)。高瓦斯多煤層大采高工作面在生產(chǎn)過程中，作為采場主要瓦斯來源的鄰近層及圍巖涌出規(guī)律與傳統(tǒng)采煤工藝存在較大差異。國內(nèi)外學(xué)者針對大采高工作面采場覆巖演化規(guī)律研究，較多采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場探測等技術(shù)手段，并取得豐碩的研究成果[3-4]。如苗磊剛等[5]、張軍等[6]、匡鐵軍等[7]采用理論分析和相似材料模擬的方法研究大采高工作面覆巖裂隙演化規(guī)律，解盤石等[8]、楊建立等[9]、Huamin Li et al[10]運(yùn)用商業(yè)軟件數(shù)值模擬大采高工作面采動(dòng)過程中裂隙發(fā)育情況。目前，采用數(shù)值模擬與示蹤氣體實(shí)測法結(jié)合研究高瓦斯多煤層大采高工作面采動(dòng)覆巖裂隙演化規(guī)律的研究極少。

鑒于此，筆者在前人的基礎(chǔ)上擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)礦井煤層賦存地質(zhì)條件，采用UDEC數(shù)值模擬和示蹤氣體SF6實(shí)測的方法研究大采高工作面覆巖裂隙演化規(guī)律，為高瓦斯大采高工作面鄰近層瓦斯防治提供可靠理論依據(jù)。

1 工程概況

實(shí)驗(yàn)礦井位于中國沁水煤田東部礦區(qū)，井田內(nèi)地層分為太原組和山西組，從而形成不同巖性組合及可采煤層煤質(zhì)差異性特征，該礦井主要可采煤層為8#和15#煤層，其中8#煤層煤質(zhì)為焦煤，煤層平均厚度為2 m，煤層傾角為3°的近水平煤層。煤層最大原始瓦斯含量為9.2 m3/t；15#煤層煤質(zhì)為貧煤，煤層平均厚度為5.2 m，煤層傾角為3°的近水平煤層，開采的15#煤層大采高工作面走向長度為1 600 m，傾向長度為300 m，煤層最大原始瓦斯含量為8.6 m3/t，其中8#和15#煤層平均間距為59 m左右。大采高實(shí)驗(yàn)工作面布置在礦井15#煤層二采區(qū)，工作面采用ZY7600/25.5/55型液壓支架和MG750/1800-WD型雙滾筒采煤機(jī)雙向截割煤體，順槽巷道均采用矩形斷面，工作面采用全負(fù)壓“U”型通風(fēng)方式和全部垮落法管理頂板。

2 大采高工作面采動(dòng)覆巖裂隙演化數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

以實(shí)驗(yàn)礦井15#煤層大采高工作面為UDEC數(shù)值模擬的研究對象，依據(jù)大采高工作面煤層賦存地質(zhì)條件，模型設(shè)計(jì)尺寸為200 m×129 m，結(jié)合礦井地質(zhì)鉆孔柱狀圖，在模型中共構(gòu)建19層，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型。

模型邊界條件：模型底部和左右兩側(cè)均為法向位移約束，即底部邊界限制垂直方向位移，但允許水平方向位移；左右邊界限制水平方向位移，而允許垂直方向的位移[11-12]。

模型上部為載荷的邊界條件，考慮煤層覆巖自重應(yīng)力作為上部邊界的作用力，見式(1)。

σv=ρgH

(1)

式中：σv為模型垂直原巖應(yīng)力，MPa；ρ為覆巖層平均密度，取值為2 500kg/m3；H為模型上邊界覆巖平均埋深，取值為438 m。

根據(jù)式(1)，可以計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)工作面模型上部邊界作用力為10.73 MPa。構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型見圖1，模型采用的巖層和煤層的力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 巖層模型圖

2.2 大采高工作面采動(dòng)覆巖裂隙演化數(shù)值模擬結(jié)果分析

模型構(gòu)建完成后，進(jìn)行原巖應(yīng)力初始狀態(tài)模擬，在模型中大采高實(shí)驗(yàn)工作面推進(jìn)速度為10 m，計(jì)算至平衡后繼續(xù)開挖，模擬工作面推進(jìn)至120 m過程中采動(dòng)覆巖裂隙演化規(guī)律及位移量，不同推進(jìn)距離模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)中可以看出，大采高工作面推進(jìn)至10 m的位置時(shí)，15#煤層直接頂未垮落，分析原因是采場直接頂具有一定強(qiáng)度和大采高支架的支護(hù)作用。由圖2(b)可以看出，大采高工作面推進(jìn)至20 m時(shí)，采場基本頂開始出現(xiàn)離層裂隙，直接頂開始出現(xiàn)初次垮落。由圖2(c)可以看出，大采高工作面推進(jìn)至40 m時(shí)，采場基本頂?shù)纳蠈雍拖聦又g發(fā)生明顯層離現(xiàn)象，工作面會(huì)受到基本頂導(dǎo)致的初次來壓作用。由圖2(d～g)可以看出，大采高工作面由60 m逐漸推進(jìn)120 m的過程中，采場上覆巖層在工作面采動(dòng)影響下逐漸垮落，直接頂發(fā)生周期性離層及相繼斷裂，根據(jù)實(shí)驗(yàn)礦井大采高工作面布置方式和煤層地質(zhì)賦存條件下數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m時(shí)，大采高工作面采動(dòng)影響覆巖破壞范圍至極限值，采場后方的采空區(qū)基本被上覆巖層垮落填充，15#煤層采動(dòng)影響上覆煤巖體最大高度至65 m左右。作為15#煤層上鄰近層的可采煤層8#煤層，兩層煤垂直間距為59 m，數(shù)值模擬結(jié)果可以看出15#煤層大采高工作面回采過程中能夠提前排放8#煤層瓦斯，從而起到保護(hù)層開采的作用，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致15#煤層大采高工作面開采期間上鄰近層瓦斯涌出量增大。

表1 煤層和巖層厚度及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖2 大采高工作面不同推進(jìn)距離時(shí)覆巖裂隙形態(tài)及位移量云圖

3 示蹤原理實(shí)測驗(yàn)證覆巖裂隙發(fā)育高度

為了考察UDEC數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性，提出基于示蹤原理的方法實(shí)測大采高工作面采動(dòng)上覆巖層裂隙發(fā)育高度。本次測試采用在煤巖中穩(wěn)定彌散的示蹤氣體SF6，測試實(shí)驗(yàn)在工作面回風(fēng)順槽鉆場布置5組測試鉆孔，每組鉆孔間距為60 m，測試鉆孔由水泥封孔段和示蹤氣體段組成，保證每組實(shí)驗(yàn)為獨(dú)立研究單元，測試鉆孔布置參數(shù)見表2所示，測試鉆孔布置平剖圖見圖3和圖4所示。

表2 示蹤氣體測試覆巖裂隙發(fā)育鉆孔布置圖

由圖5可以看出，通過在工作面采空區(qū)瓦斯抽采支管路安設(shè)的SF6示蹤氣體在線監(jiān)測傳感器統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，工作面逐漸推進(jìn)至120 m的過程中，當(dāng)工作面推進(jìn)至15～23 m時(shí)，瓦斯抽采管道中監(jiān)測到示蹤氣體，則對應(yīng)注示蹤氣體距離煤層頂板垂高為15 m，在數(shù)值模擬中工作面推進(jìn)至20 m時(shí)，上覆巖層裂隙發(fā)育高度為15 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至55～68 m時(shí)，瓦斯抽采管道中監(jiān)測到示蹤氣體，則對應(yīng)注示蹤氣體距離煤層頂板垂高為25m，在數(shù)值模擬中工作面推進(jìn)至60 m時(shí)，上覆巖層裂隙發(fā)育高度為25 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至78～88 m時(shí)，瓦斯抽采管道中監(jiān)測到示蹤氣體，則對應(yīng)注示蹤氣體距離煤層頂板垂高為35 m，在數(shù)值模擬中工作面推進(jìn)至80 m時(shí)，上覆巖層裂隙發(fā)育高度為35 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至102～120 m時(shí)，瓦斯抽采管道中監(jiān)測到示蹤氣體，則對應(yīng)注示蹤氣體距離煤層頂板垂高為50 m和60 m，在數(shù)值模擬中工作面推進(jìn)至100 m時(shí)，上覆巖層裂隙發(fā)育高度逐漸發(fā)育至極限高度為65 m。從上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出：基于示蹤氣體法現(xiàn)場測試驗(yàn)證大采高工作面采動(dòng)上覆巖層裂隙演化數(shù)值模擬具有較高的可靠性。

圖3 大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育高度測試鉆孔布置平面圖

圖4 大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育高度測試鉆孔布置剖面圖

圖5 工作面不同推進(jìn)距離瓦斯抽采管路中SF6示蹤氣體濃度變化圖

4 結(jié) 論

1)結(jié)合實(shí)驗(yàn)礦井煤層賦存條件，構(gòu)建高瓦斯多煤層大采高工作面UDEC數(shù)值模擬模型，模擬工作面在不同推進(jìn)距離時(shí)上覆巖層裂隙演化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)礦井大采高工作面采動(dòng)裂隙發(fā)育最大高度為65 m左右。

2)通過對15#煤層大采高工作面的數(shù)值模擬，作為大采高工作面上鄰近層的8#煤層，模擬結(jié)果表明8#煤層位于開采卸壓范圍，在開展15#煤層大采高工作面開采時(shí)，應(yīng)增加上鄰近層瓦斯抽采工藝，從而防止8#煤層卸壓瓦斯涌入采場。

3)基于示蹤氣體法現(xiàn)場實(shí)測大采高工作面覆巖裂隙發(fā)育高度，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果具有一致性。

4)高瓦斯多煤層開采礦井運(yùn)用大采高開采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效的發(fā)展方向，開采工藝的改變導(dǎo)致工作面瓦斯涌出來源變化，研究大采高工作面覆巖裂隙的變化規(guī)律指導(dǎo)礦井合理采取瓦斯防治措施。

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Research on the evolution law of overburden rock cracks on high-gas multi-seam large mining height working face

ZHANG Wei, XU Kaili

(School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Large mining height technology is used in high-gas multi-seam mines to realize high production and high efficiency, but a difference in mining technology may lead to a change in gas emission regularity on working face. This research was carried out on the evolution law of mining overburden rock cracks on the background of coal seam occurrence conditions and overburden rock distribution characteristics on a large mining height working face in No.15 coal seam, Qinshui coalfield. The research used UDEC to numerically simulate the morphological development and displacement of overburden rock cracks on the large mining height working face at different advancing distances, and then a tracing principle-based validation method was put forward for measuring the development regularity of overburden rock cracks. According to the research, as the large mining height working face advanced to 120m, the limiting development height of the overburden rock cracks in the coal seam reached 65m, and No.8 coal seam, the upper neighboring coal seam of this large mining height working face, lied in the relief range of mining pressure. The field test data obtained by the tracer gas method validated the accuracy of the numerical simulation. Since the overburden rock cracks propagated to the upper neighboring coal seam No.8 coal seam, a gas extraction technology applying to the upper neighboring coal seam should be adopted in the stoping process on the working face.

large cutting height working face; overburden rock; crack; numerical simulation; tracer gas

2016-12-01

國家科技重大專項(xiàng)資助(編號：2016ZX05067)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號：2013020137)

張偉(1985-)，女，河北滄州人，講師，博士研究生，主要從事工業(yè)及礦山安全技術(shù)教學(xué)和科研工作，E-mail：zhangwei19860919@163.com。

TD712

A

1004-4051(2017)03-0093-05