竇成義，李建華，杜豪豪，李慶釗

(1.陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)許多礦井針對(duì)厚煤層廣泛采用綜放開(kāi)采方法，開(kāi)采期間本煤層、鄰近層的瓦斯會(huì)大量涌入工作面，因此綜放工作面瓦斯治理是保證礦井安全生產(chǎn)的重要前提。綜放工作面瓦斯治理常采用高抽巷的方法，但高抽巷的施工需要大量的人員，成本高且存在一定的安全隱患。近年來(lái)高位定向長(zhǎng)鉆孔逐漸取代高抽巷應(yīng)用到瓦斯治理中，為治理工作面瓦斯超限提供了新的方法。

煤層采動(dòng)條件下上覆巖層會(huì)出現(xiàn)垮落、裂隙等破壞現(xiàn)象，形成覆巖“三帶”，成為瓦斯運(yùn)移的有效通道[12]，判定覆巖三帶高度有利于采空區(qū)瓦斯的精準(zhǔn)高效抽采。針對(duì)采動(dòng)引起的上覆巖層裂隙帶分布特征，學(xué)者們[36]提出“○”型圈分布、橢拋帶分布、環(huán)形裂隙圈等理論或模型。李樹(shù)剛等[7]基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確探測(cè)采空區(qū)高位裂隙帶瓦斯富集區(qū)域的空間位置。陳龍等[8]基于相似實(shí)驗(yàn)分析了煤層開(kāi)采后上覆巖層的垮落特征及位移，確定了覆巖三帶高度分布特征。魏有勝、張杰等[912]通過(guò)數(shù)值模擬與相似實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定覆巖三帶高度分布特征。胡良平等[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)頂板定向鉆孔抽采瓦斯效果分析了其與高抽巷的優(yōu)勢(shì)。龔選平等[14]基于相似實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法確定瓦斯富集區(qū)域位于距回風(fēng)巷25～55 m、高度距煤層頂板25～50 m范圍內(nèi)。

以往研究對(duì)于高位鉆孔的布置層位確定方面取得了豐碩的成果，但厚煤層覆巖演化規(guī)律較為復(fù)雜，綜放開(kāi)采條件下瓦斯涌出量較大，如何精準(zhǔn)地對(duì)涌出的瓦斯進(jìn)行抽采是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。在前人的研究基礎(chǔ)上采用高位定向長(zhǎng)鉆孔取消高抽巷治理采空區(qū)卸壓瓦斯，而高位鉆孔層位的合理布置是精準(zhǔn)高效抽采瓦斯的關(guān)鍵，因此首先利用FLAC對(duì)厚煤層覆巖三帶高度的分布特征進(jìn)行了模擬計(jì)算，提出了覆巖三帶高度的判別方法，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)工作面鉆孔布置方案并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，研究結(jié)果可為相似開(kāi)采條件下的采空區(qū)卸壓瓦斯的治理提供一定借鑒。

1 大佛寺煤礦40204工作面模擬方案

1.1 工程概況

大佛寺40204工作面是在402采區(qū)南翼布置的第2個(gè)綜放工作面，工作面走向長(zhǎng)1 875 m，傾向長(zhǎng)220 m，可采長(zhǎng)度1 725 m，煤層埋深520.0～595.0 m，煤層傾角較小。煤層平均厚度11.8 m，可采厚度10.8 m，計(jì)劃割煤高度3.4 m，放煤高度7.4 m。根據(jù)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果，40204工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為53.54 m3/min。

1.2 物理模型的建立

根據(jù)工作面煤層地質(zhì)資料建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬范圍400 m×400 m×150 m(長(zhǎng)×寬×高)，走向方向模擬工作面走向推進(jìn)200 m，傾向推進(jìn)220 m，為消除邊界效應(yīng)，兩端各留煤柱90 m，物理模型如圖1所示。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

1.3 模型初始及邊界條件

根據(jù)試驗(yàn)工作面地質(zhì)鉆孔柱狀圖及煤巖層物理力學(xué)參數(shù)(表1)，賦予各巖層參數(shù)。巖層主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖組成，屬于彈塑性材料，計(jì)算采用摩爾庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。頂部邊界施加等效載荷11.4 MPa，為防止滑移，模型底部及兩邊均設(shè)置為速度v=0固定邊界。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

2 覆巖“三帶”高度判別方法

2.1 覆巖“三帶”高度主應(yīng)力判據(jù)

煤層在開(kāi)采后，上覆巖層受采動(dòng)影響會(huì)發(fā)生不同程度的破壞，垂直方向上主應(yīng)力的大小分為壓應(yīng)力區(qū)、雙向拉應(yīng)力區(qū)、拉壓應(yīng)力區(qū)。巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)巖石處于雙向拉應(yīng)力區(qū)時(shí)，巖石破碎程度較大，巖石主要受拉伸破壞與剪切破壞產(chǎn)生大量破碎較嚴(yán)重的裂隙，此區(qū)域可認(rèn)為是冒落帶。巖石處于拉壓應(yīng)力區(qū)時(shí)，該范圍內(nèi)的巖石水平方向受拉伸破壞，垂直方向受壓，一定程度上會(huì)降低巖石的拉伸破壞程度，剪切作用減小，垂直于拉應(yīng)力方向上會(huì)產(chǎn)生明顯裂隙，但巖石不會(huì)完全破碎，此區(qū)域可認(rèn)為是裂隙發(fā)育明顯的裂隙帶。巖石處于壓應(yīng)力區(qū)時(shí)，巖石抗壓程度較高，幾乎不會(huì)產(chǎn)生明顯破壞的裂隙，此區(qū)域可認(rèn)為是彎曲下沉帶。

定義最大主應(yīng)力為σ1、最小主應(yīng)力為σ3，拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值，則其區(qū)域內(nèi)巖石受到的主應(yīng)力定義如下：①冒落帶σ1>0，σ3>0；②裂隙發(fā)育明顯的裂隙帶σ1>0，σ3<0；③彎曲下沉帶σ1<0，σ3<0。

2.2 覆巖“三帶”高度位移判據(jù)

煤層在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致上部巖層發(fā)生不同程度的下沉，距離開(kāi)采區(qū)域較近的頂板會(huì)直接垮落，距離開(kāi)采影響區(qū)域較遠(yuǎn)的巖層會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂隙，下沉量也有所不同，因此可根據(jù)不同層位下沉量不同的特點(diǎn)來(lái)判別覆巖三帶邊界位置。采空區(qū)覆巖垂直位移與頂板垂直距離之間的變化規(guī)律[15]為

(1)

式中，u1為距頂板無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)位移系數(shù)，m；A1為采空區(qū)頂板覆巖最大位移系數(shù)，m；k1為覆巖位移隨距頂板距離衰減系數(shù)，m。

采空區(qū)覆巖垂直位移變化隨距頂板高度增大而減小，垂直位移變化衰減快慢程度可用位移梯度表示，定義位移梯度v為

(2)

由式(1)(2)可得采空區(qū)覆巖垂直位移梯度v為

(3)

系數(shù)[15]分別取為A1=-0.082、k1= 88.320。

2.3 覆巖三帶高度判別結(jié)果

根據(jù)不同區(qū)域巖石破壞程度不同作為覆巖三帶分布范圍劃分的判據(jù)。監(jiān)測(cè)巖層某一點(diǎn)的應(yīng)力變化及破壞特征來(lái)表征此處巖石所處區(qū)域，可判斷三帶分布邊界。工作面推進(jìn)200 m時(shí)上覆巖層最大和最小主應(yīng)力的分布云圖，如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)上覆巖層最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力在工作面兩端呈對(duì)稱(chēng)分布，由此測(cè)點(diǎn)布置在開(kāi)采區(qū)域的正中間，即測(cè)點(diǎn)隨推進(jìn)距離不斷發(fā)生變化，確保測(cè)點(diǎn)始終處于開(kāi)采區(qū)域的正中間，各測(cè)點(diǎn)在煤層頂板上方不同位置處分布，在最大、最小主應(yīng)力正負(fù)交界處分布較為密集，主應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的分布情況如圖3所示。工作面推進(jìn)200 m時(shí)距煤層頂板不同位置處測(cè)點(diǎn)的最大、最小主應(yīng)力如圖4所示，根據(jù)主應(yīng)力判別法確定冒落帶的高度最大為17.5 m，裂隙發(fā)育明顯的裂隙帶高度為52.5 m。

圖2 上覆巖層主應(yīng)力分布Fig.2 Principal stress distributions of the overlying rock strata

圖3 主應(yīng)力測(cè)線監(jiān)測(cè)Fig.3 Principal stress measurement line monitoring

圖4 覆巖主應(yīng)力變化曲線Fig.4 Principal stress change curve of the overlying rock

由模擬位移結(jié)果可知，模型中間位置的覆巖位移變化最為顯著，垂直位移值最大，位移梯度最小，三帶發(fā)育最完全，由此選擇此位置的三帶高度可反映上覆巖層三帶特征，工作面推進(jìn)200 m時(shí)模型中間位置剖面的上覆巖層下沉位移量，如圖5所示。

圖5 上覆巖層下沉量Fig.5 Subsidence of overlying rock strata

采空區(qū)“三帶”的位移梯度不同，由此可根據(jù)位移梯度大小來(lái)判別“三帶”高度。在模型中布置測(cè)線監(jiān)測(cè)各距頂板不同高度處的巖層下沉量，測(cè)線1至測(cè)線7分別距煤層頂板10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、80 m，如圖6所示。工作面推進(jìn)200 m時(shí)7條測(cè)線所在巖層的下沉量如圖7所示。測(cè)線1、2的下沉位移量最大，且范圍最寬；測(cè)線3、4、5、6下沉位移量居中；測(cè)線7的下沉位移量最小，且下沉位移的變化范圍最窄，由此判斷冒落帶高度在10～20 m之間，裂隙發(fā)育明顯的裂隙帶高度在20～60 m之間。進(jìn)入彎曲下沉帶覆巖位移梯度約為冒落帶的0.38～0.52倍，以彎曲下沉帶位移梯度為冒落帶位移梯度的0.4倍為依據(jù)，可判斷裂隙帶與彎曲下沉帶的分界線，結(jié)合式(3)可得裂隙帶最大高度為98 m。

圖6 巖層位移監(jiān)測(cè)測(cè)線分布Fig.6 Distribution of measurement lines for rock formation displacement monitoring

圖7 上覆巖層測(cè)線下沉量Fig.7 Subsidence of overlying rock measurement line

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 高位鉆孔施工層位布置

基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定冒落帶最大高度為17.5 m，裂隙帶最大高度為52.5 m，表明在距工作面頂板10～50 m范圍內(nèi)，裂隙較為發(fā)育。結(jié)合地質(zhì)柱狀圖，設(shè)計(jì)在高中低位3個(gè)層位進(jìn)行鉆孔布置，其中低層位鉆孔終孔距煤層頂板16～20 m，中層位鉆孔終孔距頂板24～30 m，高層位鉆孔終孔距頂板32～36 m，位于裂隙帶下部，為了使抽采孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，3個(gè)層位的鉆孔均布置于細(xì)質(zhì)砂巖中，鉆孔布置層位如圖8所示。

圖8 鉆孔施工層位布置Fig.8 Layout of drilling construction layer

定向高位鉆孔距回風(fēng)巷的水平投影距離(平距)L應(yīng)大于H/tanα(H為定向鉆孔距煤層垂直高度，α為頂板與巖石卸壓角，取60°)以保證定向鉆孔處于充分卸壓后的裂隙帶范圍內(nèi)，由裂隙帶的垂直高度范圍為17.5～52.5 m，平距L大致范圍為10.1～30.6 m，取平均值20.4 m，最終確定高位定向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷的內(nèi)錯(cuò)距離S應(yīng)該大于20.4 m，設(shè)計(jì)鉆孔平面布置內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷25～45 m，在4號(hào)煤層頂板以上高低位交叉布置。

3.2 高位鉆孔瓦斯抽采效果

各層位鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線，如圖9所示。從鉆孔終孔距回風(fēng)巷不同位置處的瓦斯抽采效果上分析：低層位1#、2#鉆孔平均抽采流量分別為0.51 m3/min、0.88 m3/min，中層位3#、4#鉆孔平均抽采流量分別為0.73 m3/min、0.83 m3/min，高層位5#、6#鉆孔平均抽采瓦斯流量分別為1.26 m3/min、1.85 m3/min。2#、4#、6#鉆孔的平均瓦斯抽采純量均比1#、3#、5#鉆孔的平均抽采量要大，表明在25～45 m范圍內(nèi)鉆孔距回風(fēng)巷的距離越遠(yuǎn)，鉆孔抽采瓦斯純量越大，抽采效果越好。

圖9 各層位鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線Fig.9 Variation curve of gas extraction scalar quantity in drilling at each layer

從鉆孔垂直高度布置層位上分析：高層位鉆孔瓦斯抽采量最大，平均為1.5 m3/min，中層位鉆孔次之，平均為0.78 m3/min，低層位鉆孔最小，平均為0.7 m3/min，表明在距頂板垂向16～36 m范圍內(nèi)的布置層位上，鉆孔的層位越高，瓦斯抽采量越高，抽采效果越好。

試驗(yàn)期間高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采整體效果如圖10所示，工作面、回風(fēng)流及上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖11所示。由圖10可知，高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采量約占瓦斯涌出量的35%。高位鉆場(chǎng)瓦斯平均抽采率維持在46.5%，最大抽采率65%，瓦斯抽采效果良好，達(dá)到預(yù)期高位鉆孔抽采瓦斯占比。由圖11可知，工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面、回風(fēng)流、上隅角的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別為0.23%、0.25%、0.28%，工作面、回風(fēng)流、上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于安全規(guī)定的1%，能夠確保工作面的安全生產(chǎn)。

圖10 高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采整體效果Fig.10 Overall effect of gas extraction at high-level drilling sites

圖11 工作面、回風(fēng)流及上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.11 Working face，return air flow and upper corner gas volume fraction

4 結(jié)論

(1)基于主應(yīng)力位移判據(jù)的數(shù)值模擬結(jié)果綜合確定冒落帶高度為17.5 m，裂隙帶高度為52.5 m，基于“兩帶”高度確定了高位鉆孔的布置層位，現(xiàn)場(chǎng)抽采結(jié)果效果顯著，表明了基于主應(yīng)力-位移判據(jù)可以較準(zhǔn)確地確定高位鉆孔的布置層位。

(2)高位鉆場(chǎng)瓦斯平均抽采率為46.5%，基本達(dá)到預(yù)期抽采效果。高層位鉆孔瓦斯平均抽采量1.5 m3/min，中層位鉆孔瓦斯平均抽采量0.78 m3/min，低層位鉆孔瓦斯平均抽采量0.7 m3/min，在距頂板垂向16～36 m范圍內(nèi)的布置層位上，鉆孔的層位越高，瓦斯抽采量越大，抽采效果越好，在25～45 m范圍內(nèi)鉆孔距回風(fēng)巷的距離越遠(yuǎn)，鉆孔抽采瓦斯純量越大，抽采效果越好。

(3)工作面推進(jìn)過(guò)程中工作面、回風(fēng)流、上隅角的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別為0.23%、0.25%、0.28%，遠(yuǎn)低于安全規(guī)定的1%，可以確保工作面的安全生產(chǎn)。