連曉陽(yáng)

(山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

近距離煤層群下煤層卸壓開(kāi)采時(shí)，具有瓦斯涌出量較大、不穩(wěn)定、瓦斯突出等缺點(diǎn)，當(dāng)卸壓開(kāi)始時(shí)，裂隙發(fā)育、瓦斯通道打開(kāi)，瓦斯會(huì)順著裂隙通道進(jìn)入到采煤工作面，形成瓦斯富集區(qū)，對(duì)瓦斯的防治工作產(chǎn)生較大的影響。因此，探明近距離煤層群開(kāi)采卸壓瓦斯富集規(guī)律對(duì)于瓦斯的防治及抽采具有重要的意義[1-3]。

1 工程概況

杜兒坪礦68304工作面，走向1 000 m，傾向200 m，煤厚3.58 m，平均傾角5°.2號(hào)煤與3號(hào)煤層間距9 m，3號(hào)煤與8號(hào)煤層間距68 m，8號(hào)煤與9號(hào)煤層間距9 m.2號(hào)煤平均厚度2.86 m，瓦斯含量5.66 m3/t，3號(hào)煤平均厚度2.61 m，瓦斯含量7.1 m3/t，8號(hào)煤平均厚度3.58 m，瓦斯含量9.77 m3/t，9號(hào)煤平均厚度3.51 m，瓦斯含量9.30 m3/t.

2 數(shù)值模擬模型建立

本模型選擇以杜兒坪煤礦68304工作面為原型，平行煤層回采方向?yàn)閤軸，垂直煤層回采方向?yàn)閥軸，鉛直方向即重力方向?yàn)閦軸，向上為正。根據(jù)這一坐標(biāo)系規(guī)定，模擬的煤層3.58 m，煤層傾角5°，模型尺寸為600 m×400 m×150 m，z軸方向補(bǔ)償450 m的上覆巖層載荷。在z=0處即模型的低面設(shè)定x、y、z方向上的位移和速度均為0，z=150這個(gè)面為自由面和加載面，z=150和z=0這兩個(gè)面按z=150到z=0加載重力漸變應(yīng)力場(chǎng)，在x=0、x=600、y=0和y=400這4個(gè)面設(shè)定重力漸變應(yīng)力約束。

3 頂板巖層卸壓瓦斯運(yùn)移富集規(guī)律

3.1 頂板橫向離層裂隙發(fā)育區(qū)

當(dāng)工作面向前推進(jìn)時(shí)，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，工作面采空區(qū)上覆巖層將發(fā)生沉降縱向位移，離層裂隙不斷發(fā)育。整理數(shù)值模擬結(jié)果可知：

1) 當(dāng)距離工作面切眼50 m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層呈現(xiàn)了不同程度的沉降，累計(jì)進(jìn)尺10 m、50 m、200 m時(shí)該切面上豎向位移最大值分別為3.52 mm、27.47 mm和147.48 mm.隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板巖層發(fā)生豎向位移的同時(shí)也伴隨著橫向裂隙不斷發(fā)育，因此在豎直方向上出現(xiàn)了不均勻沉降。頂板巖層豎向位移隨著推進(jìn)距離的增大不斷增大，頂板巖層豎向位移隨著距離工作面高度的增加而有所減小。因此，工作面頂板巖層裂隙的發(fā)育程度與工作面推進(jìn)距離及距離工作面豎向距離具有較大的關(guān)系。

2) 工作面頂板以上不同倍數(shù)采高巖層豎向位移隨工作面推進(jìn)距離的變化規(guī)律工作面推進(jìn)10 m時(shí)，距離工作面頂板5～15倍采高處沉降比較均勻，幾條測(cè)線幾乎重合為一條，沉降也較小，巖層離層裂隙發(fā)育程度較低；工作面推進(jìn)30 m時(shí)，不同采高倍數(shù)處的巖層呈現(xiàn)不均勻沉降。隨著工作面推進(jìn)，5、7倍采高處巖層下沉曲線趨于一致，均位于所有測(cè)線下方，10倍采高處巖層下沉曲線位于所有測(cè)線中部，而13、15倍采高處巖層下沉曲線趨于一致，均位于所有測(cè)線上方?？梢缘玫骄嚯x工作面頂板10倍采高處巖層離層裂隙發(fā)育程度最大。當(dāng)工作面過(guò)切面后，頂板上方不同采高倍數(shù)巖層下沉開(kāi)始呈現(xiàn)不均勻特性，是由于采空區(qū)垮落后被壓實(shí)采動(dòng)應(yīng)力重新分布導(dǎo)致。

3.2 頂板縱向裂隙發(fā)育區(qū)

工作面煤層采出后，頂板巖層上方卸壓區(qū)巖體主要受拉應(yīng)力影響，超過(guò)極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)縱向裂隙。因此當(dāng)頂板巖層周期性斷裂時(shí)，工作面煤壁后方頂板巖層產(chǎn)生開(kāi)口向下的縱向裂隙，煤壁前方頂板巖層產(chǎn)生開(kāi)口向上的縱向裂隙。頂板上方不同采高倍數(shù)巖層水平應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離變化規(guī)律如圖1所示。

由圖1可知，頂板上方7～10倍采高區(qū)域，隨著工作面推進(jìn)距離增大，水平應(yīng)力由負(fù)變正，這是由于此區(qū)域巖層由原始的受壓狀態(tài)變?yōu)椴蓜?dòng)后的受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為3.80 Pa×106Pa，此區(qū)域內(nèi)巖層抗拉強(qiáng)度極限最大為1.8 Pa×106Pa，因此巖層會(huì)出現(xiàn)縱向裂隙。13～15倍采高處巖層，受采動(dòng)影響前后均保持受壓狀態(tài)，未產(chǎn)生縱向裂隙。因此，頂板上方7倍到10倍采高巖層處于縱向裂隙最發(fā)育區(qū)。此區(qū)域內(nèi)，裂隙相互導(dǎo)通，為瓦斯富集區(qū)域，抽采裂隙帶卸壓瓦斯的高位鉆孔布置在此區(qū)域附近，可以達(dá)到較好的開(kāi)采層采煤工作面采動(dòng)卸壓瓦斯的抽采效果。

由于采場(chǎng)上覆巖層在采空區(qū)中部逐步壓實(shí)及采空區(qū)四周邊界條件的不同，采空區(qū)頂板高瓦斯富集區(qū)在水平面上分布是不均勻的。不僅要確定頂板高瓦斯富集區(qū)高度，還需開(kāi)展采空區(qū)頂板水平面上高瓦斯富集規(guī)律研究。

3.3 高位環(huán)形裂隙體

68304工作面頂板豎向應(yīng)力在走向和傾向上的變化規(guī)律可知：工作面走向上，豎向應(yīng)力呈現(xiàn)增加、降低、恢復(fù)、穩(wěn)定4個(gè)階段，卸壓范圍在工作面后方150～200 m范圍，超前支承壓力影響范圍約300 m；工作面傾向上，外側(cè)支承壓力影響范圍同樣約300 m，工作面中部隨著采空區(qū)垮落逐漸恢復(fù)應(yīng)力，但兩側(cè)仍保持一定得卸壓區(qū)域。

4 工程實(shí)踐

4.1 高位鉆孔布置方式

杜兒坪礦68304工作面布置4個(gè)高位鉆場(chǎng)，垂直風(fēng)巷施工一條上山進(jìn)入8號(hào)煤頂板巖層中，距離8號(hào)煤層法距6 m，鉆場(chǎng)規(guī)格為6 m ×4 m，每個(gè)鉆場(chǎng)布置10個(gè)鉆孔，分兩排布置，開(kāi)孔間距0.5 m，鉆孔傾角為5～11°，孔孔徑為D91 mm，終孔層位控制在煤層頂板之上16～50 m處。在3號(hào)鉆場(chǎng)設(shè)施工3個(gè)考察孔，同時(shí)兼作抽采孔，如圖2所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 考察孔布置平面圖

表1 1號(hào)鉆場(chǎng)高位鉆孔參數(shù)

4.2 抽采瓦斯效果考察

3個(gè)試驗(yàn)鉆孔內(nèi)抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨工作面推進(jìn)距離變化曲線如圖3所示，工作面推進(jìn)距離L為207～217 m時(shí)，體積分?jǐn)?shù)升高CH4體積分?jǐn)?shù)為9%～30%，穩(wěn)定抽采段(L為217～247 m) 和體積分?jǐn)?shù)降低段(CH4體積分?jǐn)?shù):47%～3%，L為247～285 m)。分析可知可以將體積分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)的鉆孔段所處高度認(rèn)定為垮落帶高度，而把穩(wěn)定抽采區(qū)域的鉆孔段所處位置作為裂隙帶高度。

圖3 1號(hào)、2號(hào)、3號(hào) 鉆孔法距、抽采體積分?jǐn)?shù)隨工作面進(jìn)度變化曲線

由圖3可知，抽采體積分?jǐn)?shù)變化區(qū)段鉆孔距離煤層頂板距離為23.1～37.4 m，得出頂板裂隙帶高度為23.1～37.4 m(即采高的6.5～10.4倍)，垮落帶高度為23.1 m(采高的6.5倍)，此結(jié)論和數(shù)值模擬結(jié)論比較吻合。

這說(shuō)明，實(shí)際考察結(jié)果基本上和數(shù)值模擬結(jié)論接近，表明該數(shù)值模擬方法可以指導(dǎo)高位鉆孔設(shè)置區(qū)域，即高位鉆孔高度應(yīng)大于垮落帶高度，小于裂隙帶高度，此區(qū)域可以大幅度提高瓦斯抽采效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)杜兒坪礦68304工作面進(jìn)行FLAC3D建模進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析了頂板橫向離層裂隙發(fā)育區(qū)、頂板縱向裂隙發(fā)育區(qū)、高位環(huán)形裂隙體，得到了如下結(jié)論：

1) 工作面頂板10倍采高處，巖層裂隙發(fā)育程度較高，屬于瓦斯富集區(qū)域；

2) 在工作面推進(jìn)方向及傾向上，其中超前支承壓力及工作面外側(cè)支承壓力的影響范圍達(dá)300 m；卸壓范圍在工作面后方150～200 m以內(nèi)；

3) 通過(guò)工程實(shí)踐，杜兒坪礦68304工作面布置4個(gè)高位鉆場(chǎng)進(jìn)行瓦斯抽采，抽采體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化區(qū)段的鉆孔距煤層頂板法距為23.1～37.4 m，此結(jié)論和數(shù)值模擬結(jié)論比較吻合?？梢?jiàn)本數(shù)值模擬研究成果可指導(dǎo)工程實(shí)踐鉆孔設(shè)計(jì)。