姜 偉

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030006)

0 引言

隨著煤層的開采，采場(chǎng)內(nèi)的巖體會(huì)發(fā)生變形、破斷和移動(dòng)[1]，在上覆巖層中形成導(dǎo)水裂隙帶，并對(duì)煤體及圍巖產(chǎn)生“卸壓增透”效應(yīng)，透氣性增加，卸壓瓦斯會(huì)在壓力梯度和濃度梯度作用下在導(dǎo)水裂隙帶頂部富集[2-3]，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征對(duì)卸壓瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬、相似材料模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法[4]?？迓鋷Ш蛯?dǎo)水裂隙帶高度可以通過(guò)井眼公式計(jì)算，但適用條件是厚煤層分層開采，單層厚度1～3m，總厚度不超過(guò)15m，綜采條件下計(jì)算結(jié)果往往偏小[5]；相似材料模擬可直接觀察開采過(guò)程中上覆巖層垮落過(guò)程及裂隙發(fā)展，但是工程量大、實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、材料配比難以確定；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果最接近實(shí)際，但工程量大、成本高；數(shù)值模擬具有成本低、易于分析、可根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，成為了導(dǎo)水裂隙帶研究中應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)手段[6]。本文基于RFPA-2D軟件平臺(tái)，以晉城礦區(qū)寺河礦4301工作面為研究對(duì)象，對(duì)回采過(guò)程中上覆巖層的變形和垮落情況進(jìn)行模擬，確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，為地面L型水平井抽采卸壓瓦斯提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寺河礦井田坐落在山西省晉城市西北方向，行政管轄屬于山西省晉城市，井田范圍橫跨陽(yáng)城、沁水、澤州三個(gè)縣。構(gòu)造位置位于沁水復(fù)式向斜盆地的南端東翼，處于晉獲褶斷帶、盆地南緣EW—NE向斷裂帶及陽(yáng)城西洪洪—晉城石盤東西向斷裂帶之間，區(qū)域總體構(gòu)造形態(tài)為傾向NW—NWW的單斜構(gòu)造[7]，在此基礎(chǔ)上，沿走向分布系列寬緩褶皺，包括潘河、劉家腰等7條向斜，鄭村、馬莊等5條背斜。區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層65條，以NE、NNE走向的高角度正斷層為主，落差一般小于20m。區(qū)域地層從老到新依次為：奧陶系峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組和第四系松散沉積，主采煤層3#煤層位于山西組中部。主要含水層有：奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組碎屑巖及碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層、二疊系下統(tǒng)山西組碎屑巖類裂隙含水層、二疊系石盒子組碎屑巖類裂隙含水層、基巖風(fēng)化帶裂隙含水層、第四系松散巖類孔隙含水層。

寺河礦4301工作面位于寺河礦東區(qū)，地面位置處東山村東南，小東山風(fēng)井場(chǎng)地東北。主采煤層為山西組3#煤，煤層平均厚度6.4m。煤層底板標(biāo)高488～624m，煤層傾角1°～14°，平均5°，采煤工藝為傾向長(zhǎng)壁式一次采全高，工業(yè)儲(chǔ)量6 439 345.35t，可采儲(chǔ)量6 246 165t。

2 模型建立

RFPA-2D軟件能夠模擬巖石從裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的全過(guò)程，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和損傷介質(zhì)力學(xué)原理，具有應(yīng)力分析和破壞分析兩方面的功能。RFPA-2D模擬的目的是分析工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板巖層破壞特征，從RFPA彈性模量圖中可以很直觀的判斷出巖層的破斷、垮落情況。

工作面煤層近似視為水平，以工作面走向剖面建立RFPA數(shù)值計(jì)算模型。沿走向設(shè)置為200m(X方向)，為消除邊界效應(yīng)，工作面兩端各留40m煤柱，沿垂直方向設(shè)置為150m(Y方向)，模型由30 000個(gè)單元構(gòu)成。邊界條件采用平面應(yīng)變模型，整個(gè)過(guò)程采用X方向位移約束，Y方向無(wú)約束，重力加載控制。開挖步長(zhǎng)設(shè)置為5m，執(zhí)行分步開挖功能，每開挖5m，RFPA-2D軟件進(jìn)行一次解算，并將單元破壞、移動(dòng)過(guò)程以彈性模量圖形式顯示。模擬過(guò)程中巖體破壞用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷：

(1)

式中：σ1為最大主應(yīng)力，MPa;σ3為最小主應(yīng)力，MPa;c為黏結(jié)力，MPa;φ為摩擦角，(°)。當(dāng)fs>0時(shí)，判斷材料發(fā)生剪切破壞。

煤層及頂、底板各層巖石力學(xué)參數(shù)由4301工作面前期施工的鉆孔ZK01取心測(cè)試獲得(表1)。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Coal and rock physical and mechanical parameters

3 數(shù)值模擬

隨著工作面的推進(jìn)，煤層頂板破壞過(guò)程逐漸發(fā)展。如圖1所示，從彈性模量特征圖可以看出，在工作面推進(jìn)至20m時(shí)，直接頂?shù)谝淮伟l(fā)生垮落，靠近切眼處受下部巖層冒落拉應(yīng)力影響，形成少量離層裂隙。在老頂?shù)目缍冗_(dá)到其極限跨度前，老頂以“假塑性梁”的形式承載著其上部載荷，隨著采空區(qū)的范圍擴(kuò)大，老頂最終失穩(wěn)垮落。如圖2所示，工作面繼續(xù)推進(jìn)到40m時(shí)，老頂初次垮落，表現(xiàn)為巖層整體性破壞，垮落后仍有較好的完整性，破壞高度30m左右。

圖1 工作面推進(jìn)20m時(shí)彈性模量分布Figure 1 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 20m

圖2 工作面推進(jìn)40m時(shí)彈性模量分布Figure 2 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 40m

老頂初次垮落后，將發(fā)生“穩(wěn)定—失穩(wěn)—穩(wěn)定”的周期性垮落。每一次周期垮落后上覆巖層進(jìn)入短暫的穩(wěn)定期，隨著工作面推進(jìn)，老頂懸露的面積也隨著增大，當(dāng)達(dá)到極限跨距時(shí)，老頂開始斷裂，繼而再次失穩(wěn)垮落。如圖3所示，工作面推進(jìn)至55m時(shí)，老頂形成的相對(duì)平衡狀態(tài)被打破，發(fā)生第一次周期垮落，來(lái)壓步距為15m，上覆巖層垮落高度較第一次垮落有較大發(fā)展。如圖4所示，工作面推進(jìn)至70m時(shí)，老頂發(fā)生第二次周期性垮落，來(lái)壓步距15m，上覆巖層垮落高度達(dá)到煤層頂板以上75m左右。如圖5所示，工作面繼續(xù)推進(jìn)至100m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度沒有繼續(xù)擴(kuò)大，保持在75m左右，分析該處巖層達(dá)到極限垮距時(shí)，下部巖層已經(jīng)觸矸，所以巖層不會(huì)繼續(xù)垮落，75m為煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的上限高度，上部巖層出現(xiàn)大量離層裂隙，已經(jīng)進(jìn)入彎曲下沉帶范圍。

圖3 工作面推進(jìn)55m時(shí)彈性模量分布Figure 3 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 55m

圖4 工作面推進(jìn)70m時(shí)彈性模量分布Figure 4 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 70m

圖5 工作面推進(jìn)100m時(shí)彈性模量分布Figure 5 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 100m

4 工程應(yīng)用實(shí)踐

4.1 工程概況

L-01井是山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司在沁水盆地部署的第一口地面瓦斯抽采L型采動(dòng)水平井，目的是利用受采動(dòng)影響地面井，在工作面回采期間連續(xù)抽采頂板裂隙帶瓦斯，緩解井下瓦斯治理壓力。該井位于沁水縣鄭村鎮(zhèn)趙莊村，井下為寺河礦3313工作面。3313位于寺河礦東區(qū)，與4301工作面地質(zhì)條件相似，工作面傾向長(zhǎng)度317m，走向長(zhǎng)度1 233m，可采儲(chǔ)量320萬(wàn)t，于2014年7月20日初采，2015年3月3日回采結(jié)束，回采周期226d，日均進(jìn)尺5.45m。L-01井于2014年5月23日開鉆，7月10日完鉆，井深1 272m(其中垂直段102m、造斜段361m，水平段809m)。根據(jù)4301工作面RFPA-2D模擬結(jié)果，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育上限高度為75m，故將L-01井水平段設(shè)計(jì)在3號(hào)煤層頂板以上40～60m巖層中，位于導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，利用煤層采動(dòng)期間在導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)形成大量溝通裂縫改善抽采條件，強(qiáng)化抽采效果(圖6)。

圖6 L型采動(dòng)水平井水平段相對(duì)位置Figure 6 Relative position of L typed mining horizontal well segment

4.2 數(shù)據(jù)分析

圖7顯示瓦斯抽采純量于工作面進(jìn)尺趨勢(shì)相同，且滯后于工作面進(jìn)尺變化。L型采動(dòng)水平井與常規(guī)水平井不同，不是通過(guò)排水降壓，而是利用采動(dòng)影響區(qū)的卸壓增流效應(yīng)，原來(lái)的擠壓應(yīng)力變成拉張應(yīng)力，煤巖層松動(dòng)、破裂，使得煤巖層的大量裂隙張開，地應(yīng)力大范圍的有效釋放，徹底破壞甲烷的封閉應(yīng)力，甲烷大量解吸。隨著工作面推進(jìn)，割煤過(guò)程中釋放的甲烷量增加，在濃度差和壓力梯度的作用下進(jìn)入導(dǎo)水裂隙帶被“L型采動(dòng)水平井”負(fù)壓抽出，釋放-擴(kuò)散-運(yùn)移存在時(shí)間差，解釋了工作面進(jìn)尺與抽采純量變化趨勢(shì)相同但抽采純量變化滯后于工作面進(jìn)尺變化的原因。

圖7 工作面回采速度與甲烷純量的關(guān)系Figure 7 Relationship between working face extraction rate and methane pure capacity

從圖8可以得出，L型采動(dòng)水平井開始運(yùn)行之后，井下風(fēng)排甲烷體積分?jǐn)?shù)明顯下降，從平均70m3/min下降到35 m3/min左右。根據(jù)工作面回風(fēng)探頭讀數(shù)，甲烷體積分?jǐn)?shù)從0.98%～1%逐漸降低，穩(wěn)定在0.75%左右，說(shuō)明L型井可以起到輔助井下通風(fēng)的作用。L型井的甲烷抽采純量變化趨勢(shì)與風(fēng)排甲烷純量變化趨勢(shì)相同，二者主要受控于井下工作面進(jìn)尺。L型井開始運(yùn)行后，采空區(qū)和高位鉆孔甲烷抽采純量均大幅降低，高位鉆孔尤其明顯，L型井的甲烷抽采純量與采空區(qū)和高位鉆孔甲烷抽采純量呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，并且L型井的甲烷抽采純量明顯高于采空區(qū)和高位鉆孔甲烷抽采純量。分析認(rèn)為在甲烷總量一定條件下，L型井與高位鉆孔和采空區(qū)抽排存在競(jìng)爭(zhēng)，所以存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，L型井抽采效率高于采空區(qū)和高位鉆孔兩種抽采方式。

圖8 地面L型井抽放與井下抽放的關(guān)系Figure 8 Relationship between surface L typed well drainage and underground drainage

5 結(jié)論與建議

1)利用RFPA-2D軟件平臺(tái)，對(duì)寺河礦4301工作面回采過(guò)程中上覆巖層的變形和垮落情況進(jìn)行了模擬，得出4301工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限位75m。將導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度模擬結(jié)果推廣到相鄰工作面，指導(dǎo)地面L型水平井水平段設(shè)計(jì)，L型水平井運(yùn)行后，有效緩解了井下瓦斯抽放壓力，降低井下通風(fēng)成本。

2)L型水平井抽采純量與工作面進(jìn)尺呈正相關(guān)關(guān)系，與高位鉆孔和采空區(qū)抽采純量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，抽采效率優(yōu)于高位鉆孔和采空區(qū)抽采方式。

3)用RFPA-2D軟件預(yù)測(cè)回采工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度切實(shí)可行，模擬結(jié)果可以為卸壓瓦斯抽采提供理論支持。但實(shí)際地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該注重巖層實(shí)際參數(shù)條件，并在相鄰地質(zhì)條件相鄰或相近地質(zhì)條件下使用，才能使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際。