趙 晶,張 禮,3,王栓林
(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院),北京 100013;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083)
采空區(qū)覆巖裂隙帶邊界和采空區(qū)邊界的連線與水平線在采空區(qū)一側(cè)的夾角稱為覆巖破斷角[1]。按其所處位置不同可分為采場側(cè)覆巖破斷角、運(yùn)輸巷側(cè)覆巖破斷角、回風(fēng)巷側(cè)覆巖破斷角和切眼側(cè)覆巖破斷角,受煤層賦存及開采時(shí)間的影響各破斷角度不盡相同。采用頂板鉆孔(巷道)抽采鄰近層及采空區(qū)瓦斯時(shí),鉆孔的終孔位置、壓茬距離、卸壓瓦斯富集區(qū)域識別、采動區(qū)瓦斯流動三維模擬幾何模型的建立等等,均與采場覆巖破斷角密切相關(guān)[2-4]?,F(xiàn)階段對采場覆巖破斷角的研究多采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)等手段。因不同礦區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)及開采條件,覆巖破斷角具有較大差異,不考慮自身?xiàng)l件的生搬硬套大大降低了瓦斯抽采效果。同時(shí)因采空區(qū)覆巖運(yùn)動是一動態(tài)過程,破斷角處于動態(tài)演化過程,研究結(jié)果均有其一定的適用范圍[5-10]。
以申南凹煤礦20102工作面為背景,通過對頂板走向高位鉆孔抽采數(shù)據(jù)的長期觀測,對采場側(cè)的覆巖破斷角進(jìn)行了分析;通過20104運(yùn)輸巷往20102工作面采空區(qū)施工測試鉆孔,利用雙塞壓水實(shí)驗(yàn)對20102工作面回風(fēng)巷側(cè)的破斷角進(jìn)行了研究;為由點(diǎn)到面的分析采場覆巖破斷角的演化規(guī)律,利用UDEC模擬軟件分析了覆巖采動裂隙及破斷角的演化過程。研究成果可為下一步研究采空區(qū)卸壓瓦斯的運(yùn)移富集規(guī)律及高位鉆孔布置提供基礎(chǔ)。
申南凹煤礦隸屬山西省河?xùn)|煤田鄉(xiāng)寧礦區(qū),地處呂梁山南端,地貌單元屬中山小起伏區(qū),可采煤層為山西組中下部的2#煤層,煤層埋深為555~631m。20102工作面是礦井二采區(qū)首采工作面,煤層平均埋深為598m,煤層平均傾角5°,平均厚度為3.84m,硬度為1.4。工作面長度為180m,推進(jìn)長度1286m,采用走向長壁采煤法一次采全高冒落法管理頂板。工作面單巷布置,通風(fēng)方式為U型通風(fēng)。工作面頂板以泥巖、細(xì)砂巖交替分布。底板為泥巖,回采過程中底鼓現(xiàn)象明顯。
為充分弄清20102工作面頂板巖層的巖性及巖層分布特征,從回風(fēng)巷向頂板打4個(gè)深度為25m的取芯鉆孔,每層取3個(gè)巖樣,測出各巖樣的物理力學(xué)參數(shù),再取其平均值。頂板巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),20102工作面頂板由軟弱相間的中小厚度巖層所組成,為典型的復(fù)合頂板。
表1 煤巖力學(xué)參數(shù)
本次現(xiàn)場實(shí)測的破斷角為采場側(cè)覆巖破斷角和回風(fēng)巷側(cè)覆巖破斷角,因本煤層傾角小于8°,忽略工作面傾角產(chǎn)生的影響,運(yùn)輸巷側(cè)覆巖破斷角與回風(fēng)巷側(cè)近似相等。
3.1.1 采場側(cè)覆巖破斷角
采場側(cè)覆巖破斷角可借助頂板走向高位鉆孔進(jìn)行分析,無需再打鉆孔。20102回風(fēng)巷內(nèi)每隔30m布置有一組高位鉆場,每組鉆場6個(gè)鉆孔,高位鉆場布置如圖1所示,設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。已有研究表明[11],頂板充分來壓后,隨工作面推進(jìn),巖層破斷以一基本固定的角度往前發(fā)展。瓦斯抽采高位鉆孔先從鉆孔上部起效,然后不斷往下發(fā)展。當(dāng)巖石破斷未發(fā)育到鉆孔時(shí),鉆孔抽采量近似為零。當(dāng)巖石破斷發(fā)育到此處時(shí),瓦斯抽采量將會突然增大。
圖1 高位鉆孔及側(cè)向破斷角觀測鉆孔平面布置
表2 高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)
3.1.2 回風(fēng)巷側(cè)覆巖破斷角
在20104工作面運(yùn)輸巷往20102采空區(qū)頂板施工5個(gè)觀測孔,為方便鉆孔施工,在工作面后方100m和110m處分兩組鉆場施工,鉆孔布置及鉆孔參數(shù)如圖2所示,鉆孔具體參數(shù)見表3。鉆孔施工完畢,通過雙塞壓水實(shí)驗(yàn)對裂隙進(jìn)行觀測。雙塞壓水實(shí)驗(yàn)使用雙端堵水器,注水壓力為0.1MPa,每段測試長度為1m,每段進(jìn)行3次測試,每次時(shí)間為1min,漏失量取3次平均值。
圖2 工作面?zhèn)认蚱茢嘟怯^測鉆孔剖面
表3 觀測鉆孔具體參數(shù)
3.2.1 采場側(cè)覆巖破斷角
對10個(gè)鉆場的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4,記錄鉆孔起效時(shí)的時(shí)間、工作面距鉆場的距離和初始流量(表中的初始流量為6個(gè)鉆孔流量的最小值)。在工作面推進(jìn)速度為3.6m/d,鉆場起效時(shí)工作面與鉆場的距離為63~74m,平均維持在68m附近。說明巖層破斷位置已經(jīng)運(yùn)動到鉆孔終孔位置區(qū)域。表中21、22、24號鉆場抽采鉆孔直徑為94mm,記為小孔,其他鉆孔抽采鉆孔直徑為153mm,記為大孔。
表4 鉆場起效時(shí)間統(tǒng)計(jì)表
覆巖破斷角θ的確定方法如圖3所示,覆巖破斷角θ的計(jì)算公式為:
圖3 巖層垮落角確定方法
式中,x為工作面距鉆場的距離,m;α為高位鉆孔傾角,(°);β為鉆孔夾角,(°);l為鉆孔長度,m。
鉆場各鉆孔的傾角為21°±2°,夾角為17°±3°,取α=21°,β=17°,經(jīng)計(jì)算,工作面推進(jìn)速度為3.6m/d時(shí),20102采場上方的巖層破斷角為59°。
3.2.2 回風(fēng)巷側(cè)覆巖破斷角
5號鉆孔在施工到42m、1號鉆孔在施工到56m處時(shí),孔口不見反水,此時(shí)鉆孔垂高分別為12m、28m,兩鉆孔分別進(jìn)入垮落帶和裂隙帶(計(jì)算得垮落帶高度為13~20m)。將實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為鉆孔漏失統(tǒng)計(jì)圖,如圖4所示。按照孔口不反水計(jì)算覆巖破斷角為39°,按壓水漏失量大于18L/min計(jì)算,破斷角為58°。
圖4 鉆孔漏失量統(tǒng)計(jì)
為了由點(diǎn)到面的去研究覆巖破斷角的演化過程,根據(jù)地質(zhì)資料通過UDEC模擬軟件對平行工作面方向覆巖采動裂隙的演化過程進(jìn)行了模擬分析,因煤層為近水平煤層,沿推進(jìn)方向覆巖破斷角演化過程與平行工作面方向近似一致。模型尺寸為220m×140m,模型上方為應(yīng)力邊界條件,應(yīng)力值為11.7MPa,模型兩側(cè)和底部采用位移邊界條件。
數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)采空區(qū)覆巖與底板裂隙先后經(jīng)歷,卸荷裂隙擴(kuò)展—應(yīng)力恢復(fù)裂隙閉合—端頭裂隙擴(kuò)展的過程,如圖5所示。覆巖破斷角隨運(yùn)行步數(shù)的演化過程如圖6所示。
圖5 不同時(shí)步裂隙演化過程
圖6 不同時(shí)步破斷角演化過程
采空區(qū)中部的裂隙閉合伴隨著端頭的裂隙擴(kuò)展,采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)時(shí)覆巖裂隙的閉合速度比底板裂隙的閉合速度要快。覆巖破斷角隨時(shí)間的增長會不斷增大,模型運(yùn)行步數(shù)在5813步時(shí)頂板巖體主要以不規(guī)則垮落為主,垮落高度為8m(2倍采高),覆巖破斷角近似為25°;6213步時(shí)頂板巖體出現(xiàn)規(guī)則破斷,裂隙發(fā)育高度為36m(9倍采高),此時(shí)破斷角為36°;8313步時(shí)受采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)影響,頂板裂隙大量閉合,端部裂隙開始擴(kuò)展,破斷角變?yōu)?1°;至9713步時(shí),底板裂隙大量閉合,破斷角繼續(xù)增大為72°;至16213步時(shí),工作面端頭裂隙發(fā)育穩(wěn)定,破斷角為109°,裂隙發(fā)育高度為39m(10倍采高)。
1)復(fù)合頂板大采高采場條件下,當(dāng)工作面推進(jìn)速度為3.6m/d時(shí),采場側(cè)的覆巖破斷角為59°,工作面后方100~110m處回風(fēng)側(cè)的覆巖破斷角為58°。
2)采空區(qū)覆巖破斷角是一動態(tài)變化過程,隨著時(shí)間的增長,破斷角由銳角演化為鈍角。兩相鄰采空區(qū),區(qū)段煤柱的覆巖裂隙存在導(dǎo)通的可能。
3)采空區(qū)覆巖及底板裂隙先后經(jīng)歷卸荷裂隙擴(kuò)展—應(yīng)力恢復(fù)裂隙閉合—端頭裂隙擴(kuò)展的過程。采空區(qū)中部的裂隙閉合伴隨著端頭的裂隙擴(kuò)展,頂板裂隙閉合速度比底板裂隙閉合速度要快。