王 晶，王曉蕾

( 呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033000 )

我國是一個(gè)煤炭大國，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位[1-2]，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用[3]。隨著我國煤炭的大量回采，淺埋深煤炭資源已趨于枯竭，煤炭企業(yè)不得不轉(zhuǎn)向深部開采，我國煤礦開采深度正以每年8～12 m的速度向下延 伸[4-5]。隨著開采深度的增加，煤層瓦斯含量增加、吸附性增強(qiáng)、滲透率降低[6]。煤與瓦斯突出事故發(fā)生概率越來越高，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)[7]。

保護(hù)層開采是區(qū)域防突的有效方法之一。當(dāng)開采保護(hù)層時(shí)，原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，保護(hù)層周圍煤巖體發(fā)生破壞[8]，形成應(yīng)力降低區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生裂隙，透氣性發(fā)生改變。被保護(hù)層內(nèi)瓦斯得以卸壓，瓦斯壓力和含量降低，從而降低煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性[9-10]。所以，保護(hù)層開采時(shí)被保護(hù)層裂隙演化和卸壓特征是判斷保護(hù)層開采效果的關(guān)鍵因素。

針對保護(hù)層開采時(shí)被保護(hù)層裂隙演化和卸壓特征的研究，閆浩[11]等采用上保護(hù)層開采技術(shù)對深部礦井無常規(guī)保護(hù)層的高瓦斯透氣煤層安全開采進(jìn)行了研究，通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了有效模擬，并應(yīng)用于平煤十二礦，取得了良好的效果；涂敏[12]等利用數(shù)值模擬軟件對保護(hù)層開采后覆巖裂隙發(fā)育特征以及卸壓增透效果進(jìn)行了研究，并利用該成果對顧橋煤礦瓦斯進(jìn)行了治理，瓦斯抽采率達(dá)到50%以上，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采；齊慶新[13]等為解決沙曲煤礦近距離突出危險(xiǎn)煤層群開采瓦斯防治問題，采用理論分析、模擬研究以及現(xiàn)場實(shí)測對其22201工作面進(jìn)行了分析，得出了保護(hù)層開采后具有較好效果的結(jié)論，并在實(shí)測中進(jìn)行了應(yīng)用，保證了良好的抽采效果；何祥[14]等以潘二煤礦為試驗(yàn)礦井，采用相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)以及現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法對保護(hù)層開采煤層卸壓增透以及抽采效果進(jìn)行了研究，卸壓瓦斯抽采率可達(dá)69%以上，煤層滲透率增加了2 000倍以上，證實(shí)了該技術(shù)的可行性；施峰[15]等采用相似模擬技術(shù)對南桐礦區(qū)不同間距下保護(hù)層開采時(shí)被保護(hù)層開采效果進(jìn)行了研究，隨著間距的增加被保護(hù)層的卸壓范圍增加，且隨層間距的增加保護(hù)范圍呈加速減小趨勢；霍丙杰[16]等采用相似模擬技術(shù)對長平礦保護(hù)層開采煤層滲透性變化進(jìn)行了分析，保護(hù)層開采后被保護(hù)層變形率和滲透率都較大，滲透性增大了1倍多，對于礦井瓦斯治理具有很好的理論支撐；張宏偉[17]等采用相似模擬技術(shù)對長平煤礦低滲透煤層開采卸壓效果進(jìn)行了研究，卸壓后滲透率提高了30多倍，達(dá)到了開采卸壓的保護(hù)效果。

以上學(xué)者主要通過相似模擬、數(shù)值模擬對保護(hù)層開采影響范圍以及覆巖移動(dòng)變化特征進(jìn)行了研究，但缺乏對被保護(hù)層裂隙演化以及滲透性的研究。為此本文以某礦為試驗(yàn)礦井，采用鉆孔電視窺視和分段注水試驗(yàn)對保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層裂隙及滲透變化特征進(jìn)行分析，并對保護(hù)層開采過程中滲透特性進(jìn)行了模擬研究。

1 工程概況及觀測設(shè)備

1.1 工程概況

該煤礦生產(chǎn)能力0.3 Mt/a。井田內(nèi)存在19號、25號兩層煤，其平均厚度分別為2.0，1.8 m。采用綜采一次采全高的開采工藝，自然垮落法管理頂板。其中19號煤層屬于煤與瓦斯突出煤層，瓦斯壓力達(dá)到1.01 MPa，瓦斯含量為14.01 m3/t，煤層透氣性較差，進(jìn)行常規(guī)鉆孔瓦斯抽采時(shí)很難達(dá)到治理效果，無法實(shí)現(xiàn)抽放瓦斯的目的。25號煤層氣瓦斯壓力為0.5 MPa，瓦斯含量7.9 m3/t，與19號煤層的瓦斯壓力和突出危險(xiǎn)性相比均較低。為了提高19號煤層的透氣性，可選擇25號煤層作為下保護(hù)層開采從而防治煤與瓦斯突出事故發(fā)生，在25號煤層中布置首采工作面11023。根據(jù)工作面實(shí)際情況以及地質(zhì)特征布置編號分別為①，②的2個(gè)鉆孔進(jìn)行觀測，鉆孔布置如圖1所示，①和②號鉆孔深度為35 m，垂直于煤壁仰角45°布置，鉆孔間距35 m。

圖1 鉆孔布置示意 Fig. 1 Schematic of borehole layout

1.2 測試設(shè)備

1.2.1 鉆孔電視窺視裝置

鉆孔電視采用防爆型鉆孔成像裝置，其主要由成像系統(tǒng)、測深系統(tǒng)、處理系統(tǒng)3部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉆孔電視系統(tǒng) Fig. 2 Drilling television system

其成像原理是在井下設(shè)備中采用了一種特殊的反射棱鏡成像的CCD光學(xué)耦合器件將鉆孔孔壁圖像以360°全方位連續(xù)顯現(xiàn)出來，利用處理系統(tǒng)將采集到的鉆孔圖像進(jìn)行處理，測試中不斷采集和保存，最后通過二維或三維的圖片形式呈現(xiàn)，通過圖片能夠清楚地查明鉆孔裂隙張開特征以及構(gòu)造特征等全方位信息。圖像轉(zhuǎn)變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔圖像轉(zhuǎn)變系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig. 3 Structure of drilling image transformation system

1.2.2 鉆孔注水設(shè)備

鉆孔設(shè)備采用山東科技大學(xué)的雙栓塞分段注水裝置，其包含測試裝置、封孔裝置、操作裝置3部分。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 分段注水系統(tǒng) Fig. 4 Subsection water injection system

鉆孔分段注水裝置測試原理是保護(hù)層回采前被保護(hù)層處于原始狀態(tài)，當(dāng)保護(hù)層開采后，原始狀 態(tài)被打破，受到采動(dòng)影響的作用，被保護(hù)層發(fā)生位移、破斷，同時(shí)形成采動(dòng)裂隙，裂隙發(fā)育度會(huì)發(fā)生改變，通過測試不同段的注水量，可定性判斷其裂隙發(fā)育程度。

2 被保護(hù)層裂隙發(fā)育

采用鉆孔電視窺視和分段注水裝置探測被保護(hù)層裂隙發(fā)育情況，為了準(zhǔn)確掌握裂隙發(fā)育情況和提高測試效率，采用多孔測試、一孔多用的原則。試驗(yàn)中為了避免注水對裂隙的破壞造成鉆孔電視窺視結(jié)果不準(zhǔn)確，在試驗(yàn)中先進(jìn)行鉆孔電視窺視，再進(jìn)行分段注水試驗(yàn)。

2.1 鉆孔電視窺視

采用鉆孔窺視裝置對被保護(hù)層進(jìn)行裂隙觀測，觀測圖像如圖5所示。

圖5 裂隙發(fā)育特征 Fig. 5 Characteristics of fracture development

由鉆孔電視窺視結(jié)果可知，保護(hù)層開采前，被保護(hù)層裂隙數(shù)量較少，裂隙寬度較小，裂隙發(fā)育度較低；當(dāng)保護(hù)層開采后，裂隙數(shù)量明顯增多且裂隙寬度有一定增加。為了進(jìn)一步分析裂隙發(fā)育特征對保護(hù)層開采前后裂隙進(jìn)行數(shù)字化分析，分析裂隙數(shù)量與寬度的關(guān)系特征，得出裂隙數(shù)量與寬度曲線、裂隙寬度比例的曲線圖，如圖6，7所示。

裂隙寬度反映了受保護(hù)層開采影響被保護(hù)層裂隙發(fā)育的程度。由圖6和圖7可知，保護(hù)層開采后，被保護(hù)層裂隙寬度多集中在10 mm以下，占所有裂隙的83.3%。當(dāng)保護(hù)層開采后，受采動(dòng)影響，裂隙寬度和數(shù)量有所增加，主要集中在10～20 mm之間，占所有裂隙的75%。這說明保護(hù)層開采后被保護(hù)層受采動(dòng)影響，裂隙發(fā)育度升高。

圖6 裂隙數(shù)量與寬度關(guān)系曲線 Fig. 6 Relationship between the number and width of fractures

圖7 裂隙寬度分布曲線 Fig. 7 Fracture width distribution curves

2.2 分段注水試驗(yàn)

試驗(yàn)中測試段長度為1 m，為了提高試驗(yàn)準(zhǔn)確度，每個(gè)測試段進(jìn)行3次試驗(yàn)，取平均值，注水時(shí)間設(shè)置為5 min，注水壓力為0.4 MPa。保護(hù)層開采前被保護(hù)層注水特征如圖8所示。

由圖8可知，保護(hù)層開采前被保護(hù)層鉆孔注水量保持在8 L/min左右，裂隙發(fā)育程度整體偏低。當(dāng)保護(hù)層開采后，被保護(hù)層鉆孔注水量明顯提高，注水量可達(dá)到24 L/min，是開采前的3倍，受保護(hù)層采動(dòng)影響，被保護(hù)層裂隙發(fā)育程度明顯提高。采動(dòng)對于裂隙發(fā)育具有很好的促進(jìn)作用。

圖8 鉆孔注水量曲線 Fig. 8 Water injection curves

3 被保護(hù)層增透相似模擬試驗(yàn)

由裂隙演化可知，25號煤層進(jìn)行下保護(hù)層開采，其影響范圍可以達(dá)到被保護(hù)的19號煤層，其影響程度以及卸壓增透效果如何還需要進(jìn)一步分析，為了明確下保護(hù)層開采后被保護(hù)層的影響特征，采用相似模擬對其進(jìn)行分析，試驗(yàn)中采用可伸縮箱式滲透性測試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示[18]。

圖9 相似模擬結(jié)構(gòu) Fig. 9 Characteristics of fracture development

為了更好地觀測保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層變化特征，采用二維模擬裝置進(jìn)行研究。相似模擬試驗(yàn)臺尺寸為2.9 m×2.0 m×0.3 m( 長×高×寬 )。以細(xì)沙、石灰、石膏為骨料，硼砂為膠結(jié)材料，以云母模擬巖層分層。根據(jù)工作面實(shí)際情況確定幾何相似比為100∶1，密度比為1.6∶1.0，強(qiáng)度比為160∶1，時(shí)間比為10∶1。為了補(bǔ)償覆巖320 m的自重應(yīng)力，施加0.05 MPa的垂直應(yīng)力。開挖過程中兩側(cè)留設(shè)保護(hù)煤柱，根據(jù)工作面開采實(shí)際情況進(jìn)行開挖。

3.1 開采被保護(hù)層應(yīng)力特征

保護(hù)層開采后，原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力將重新分布，為了分析保護(hù)層開采后對被保護(hù)層應(yīng)力的影響，對被保護(hù)層應(yīng)力進(jìn)行分析。

在19號煤層中每隔10 cm布置1個(gè)測點(diǎn)，初始測點(diǎn)距離左側(cè)10 cm。共布置15個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖10所示。開挖過程中被保護(hù)層各測點(diǎn)應(yīng)力變化特征如圖11所示。

圖10 應(yīng)力測點(diǎn)布置 Fig. 10 Layout of stress points

圖11 應(yīng)力分布曲線 Fig. 11 Stress distribution curves

由圖11可知，保護(hù)層開采后，被保護(hù)層應(yīng)力平衡被打破，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低區(qū)。在保護(hù)煤柱以及煤壁兩側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力升高區(qū)。沿工作面開采方向?qū)⑸细矌r層應(yīng)力劃分為原巖應(yīng)力區(qū)、支撐應(yīng)力區(qū)、開采卸壓區(qū)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)4個(gè)區(qū)，如圖12所示。

圖12 應(yīng)力分區(qū)特征 Fig. 12 Characteristics of stress zoning

當(dāng)保護(hù)層開采到50 m時(shí)，被保護(hù)層煤壁和保護(hù)煤柱附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.50，1.42。工作面后方20～45 m范圍內(nèi)被保護(hù)層應(yīng)力降低到6.8～7.3 MPa，形成了卸壓區(qū)，卸壓系數(shù)最高可達(dá)到28%。當(dāng)保護(hù)層開采到100 m時(shí)，被保護(hù)層卸壓范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，開切眼前方20～70 m范圍內(nèi)形成了卸壓區(qū)，應(yīng)力最低降到3.4 MPa。由此可知，保護(hù)層開采后，受采動(dòng)影響被保護(hù)層應(yīng)力得到有效釋放。

3.2 保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層增透特征

當(dāng)相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ托纬珊?，打開高壓氮?dú)馄?，通?.5 MPa的氮?dú)猓瑫r(shí)觀察壓力表讀數(shù)，檢測該系統(tǒng)的密閉性。當(dāng)通入高壓氮?dú)? h后，壓力表讀數(shù)為1.481 MPa，壓力損耗0.019 MPa，損耗率為1.2%。由此可知，密閉性較好，可以進(jìn)行被保護(hù)層卸壓增透效果試驗(yàn)，通過氮?dú)饬髁繙y定被保護(hù)層滲透率。保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層滲透率變化如圖13所示。

圖13 滲透率分布曲線 Fig. 13 Permeability distribution curves

當(dāng)工作面開采到110 m時(shí)，工作面煤壁距被保護(hù)層滲透率測試系統(tǒng)中的1號垂直距離為30 m，結(jié)合應(yīng)力監(jiān)測，出氣口位置未受到采動(dòng)影響，該次測試的被保護(hù)層滲透率為未采動(dòng)影響下的滲透率，為3.61×10-11m2。由測定結(jié)果可知，被保護(hù)層滲透率與應(yīng)力變化存在緊密聯(lián)系，當(dāng)應(yīng)力增加時(shí)滲透率減少，應(yīng)力減少時(shí)滲透率升高。

原巖應(yīng)力區(qū)距離工作面較遠(yuǎn)，基本上不受保護(hù)層采動(dòng)影響，滲透率保持穩(wěn)定；支撐應(yīng)力區(qū)屬于應(yīng)力升高區(qū)，受應(yīng)力增高影響，采動(dòng)裂隙閉合，滲透率降低；開采卸壓區(qū)主要位于采空區(qū)上方，裂隙發(fā)育度較高，滲透率較高；應(yīng)力恢復(fù)區(qū)受采動(dòng)影響產(chǎn)生裂隙，但應(yīng)力已恢復(fù)，因此，裂隙有一定閉合，滲透率降低。以保護(hù)層開采到170 m進(jìn)行分析，根據(jù)應(yīng)力特征可知，1號和2號進(jìn)氣口處于卸壓區(qū)內(nèi)，其滲透率明顯提高，可達(dá)到32.2×10-11和24.3×10-11m2。3號至6號出氣口位于支撐應(yīng)力區(qū)內(nèi)，其滲透率明顯降低，最低值為1.42×10-11m2。7號至9號出氣口基本上處于原巖應(yīng)力區(qū)內(nèi)，其滲透率基本上與未開采時(shí)相同，為3.62×10-11～3.64×10-11m2。以原巖應(yīng)力區(qū)滲透率作為對比值，不同分區(qū)滲透強(qiáng)度變化如圖14所示。

圖14 應(yīng)力分區(qū)與滲透率強(qiáng)度關(guān)系 Fig. 14 Characteristics of stress zoning

4 被保護(hù)層卸壓數(shù)值模擬試驗(yàn)

由現(xiàn)場測試以及相似模擬試驗(yàn)可知，25號煤層作為19號煤的下保護(hù)層進(jìn)行開采，其頂板的影響范圍可達(dá)到被保護(hù)層19號煤，但影響程度以及卸壓增透效果如何，有待進(jìn)一步分析。

為了進(jìn)一步明確下保護(hù)層開采后對于被保護(hù)層的影響特征，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模擬模型分別對保護(hù)層開采后被保護(hù)層卸壓特征、膨脹特性兩個(gè)方面進(jìn)行分析研究，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在該礦實(shí)施的合理性[19]。

以11023工作面25號煤層開采卸壓保護(hù)19號煤層為工程背景，構(gòu)建了數(shù)值模擬模型，如圖15所示。本次數(shù)值模擬試驗(yàn)采用摩爾－庫倫模型，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型底部和左右設(shè)置為固定邊界，上部自由。

圖15 數(shù)值模擬模型 Fig. 15 Numerical simulation model

表1 物理力學(xué)參數(shù) Table 1 Mechanical and physical parameters

4.1 開采被保護(hù)層卸壓特征

保護(hù)層開采后，受采動(dòng)影響被保護(hù)層能夠進(jìn)行卸壓，采用卸壓率對其進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算公式為

式中，sη為被保護(hù)層卸壓率； 'zσ為卸壓垂直應(yīng)力； zσ為未開采時(shí)的垂直應(yīng)力。

通過式( 1 )得出工作面開采過程中被保護(hù)層的卸壓率曲線，如圖16所示。

圖16 卸壓率曲線 Fig. 16 Pressure relief rate curve

由圖16可知，當(dāng)保護(hù)層開采到300 m時(shí)，被保護(hù)層出現(xiàn)了卸壓，距離開切眼50和260 m卸壓效率最高達(dá)到了1.45，中部地區(qū)保持在0.5左右，卸壓率曲線整體呈“溝渠狀”分布，其應(yīng)力平均下降了將近50%，說明保護(hù)層開采對被保護(hù)層有很好的卸壓作用。

4.2 開采被保護(hù)層膨脹特征

對保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層頂?shù)装逦灰谱冃瘟窟M(jìn)行監(jiān)測，以膨脹率為判定依據(jù)，其計(jì)算公式為

式中，ξ為被保護(hù)層的膨脹率；u為保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層頂?shù)装逦灰撇?；M為被保護(hù)層厚度。

通過計(jì)算得出保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層膨脹率曲線，如圖17所示。

圖17 膨脹率曲線 Fig. 17 Inflation curve

由圖17可知，保護(hù)層開采后，被保護(hù)層頂?shù)装瀹a(chǎn)生了相對位移。其膨脹率曲線呈現(xiàn)兩邊高中間低的“溝渠狀”分布，膨脹率整體大于煤礦《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的3‰的要求。該煤礦實(shí)行保護(hù)層開采達(dá)到了卸壓增透的效果。

5 綜合分析

由保護(hù)層開采前后被保護(hù)層注水量以及裂隙發(fā)育特征對比分析可知，保護(hù)層開采前被保護(hù)層鉆孔注水量較低，在裂隙發(fā)育特征圖像上裂隙發(fā)育量極小且裂隙發(fā)育寬度較低；當(dāng)保護(hù)層開采后被保護(hù)層鉆孔注水量明顯提高，是保護(hù)層開采前的3倍，在裂隙發(fā)育特征圖像上裂隙發(fā)育量明顯提高且裂隙數(shù)量明顯增加。鉆孔電視探測與分段注水試驗(yàn)具有較好的一致性，進(jìn)一步證實(shí)了現(xiàn)場測試的準(zhǔn)確度。

保護(hù)層開采前被保護(hù)層鉆孔注水量及裂隙發(fā)育量較低，而在相似模擬中保護(hù)層未開采前被保護(hù)層裂隙滲透率極低，為3.61×10-11m2，其應(yīng)力處于原始應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)保護(hù)層開采后，被保護(hù)層鉆孔注水量及裂隙發(fā)育程度明顯提高，而在相似模擬中保護(hù)層開采后被保護(hù)層裂隙滲透率明顯提高，保護(hù)層開采能夠有效提高被保護(hù)層裂隙滲透率；相似模擬試驗(yàn)中當(dāng)應(yīng)力增加時(shí)滲透率減少，應(yīng)力減少時(shí)滲透率升高，與數(shù)值模擬試驗(yàn)中應(yīng)力相比平均下降了近50%，而被保護(hù)層卸壓率有較高提升的結(jié)論相一致，進(jìn)一步證實(shí)了保護(hù)層開采引起的應(yīng)力變化對于被保護(hù)層卸壓具有較好的促進(jìn)作用。

綜合現(xiàn)場測試、相似模擬、數(shù)值模擬試驗(yàn)，保護(hù)層開采后被保護(hù)層裂隙發(fā)育度明顯提高，被保護(hù)層具有明顯的應(yīng)力降低和卸壓率提高，被保護(hù)層膨脹率超過細(xì)則規(guī)定，當(dāng)進(jìn)行保護(hù)層開采時(shí)，被保護(hù)層滲透率增加，促進(jìn)被保護(hù)層瓦斯解吸和擴(kuò)散速度的提升，提高瓦斯治理效果。因此，該煤礦實(shí)行保護(hù)層開采是可行的。

6 結(jié) 論

( 1 ) 保護(hù)層開采前，被保護(hù)層裂隙發(fā)育數(shù)量和寬度較小，保護(hù)層開采后，裂隙數(shù)量和寬度明顯增加，裂隙發(fā)育度提高。

( 2 ) 保護(hù)層開采后被保護(hù)層出現(xiàn)了原巖應(yīng)力區(qū)、支撐應(yīng)力區(qū)、開采卸壓區(qū)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)4個(gè)區(qū)，卸壓區(qū)內(nèi)滲透率是未開采前的7倍以上。

( 3 ) 保護(hù)層開采后，被保護(hù)層卸壓幅度將近50%，卸壓率曲線呈“溝渠狀”分布。

( 4 ) 保護(hù)層開采后，被保護(hù)層膨脹率整體大于3‰，滿足《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的要求，因此實(shí)行保護(hù)層開采可以達(dá)到卸壓增透的效果。