馮培云 張嘉勇 武建國 關聯(lián)合

（1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；2.開灤（集團）有限責任公司，河北 唐山 063000）

0 引言

隨著煤層賦存深度的增加，礦井瓦斯涌出量普遍增大，工作面瓦斯超限事故頻發(fā)，嚴重制約礦井生產(chǎn)能力，威脅礦井生產(chǎn)安全［1］。高位鉆孔抽采是治理采空區(qū)瓦斯異常涌出的主要技術措施之一，但因煤層賦存條件復雜，抽采鉆孔參數(shù)缺乏精準設計標準，影響了瓦斯治理效果。為了提升高位鉆孔抽采治理采空區(qū)瓦斯的效果，需要準確掌握采空區(qū)覆巖“三帶”分布規(guī)律，確定抽采鉆孔位置參數(shù)。

多年以來，我國廣大科技工作者不斷努力探索，王福厚［2］提出了“三帶”理論計算及現(xiàn)場考察方法，結果可為高位鉆孔抽放參數(shù)設計優(yōu)化提供參考。唐一博等［3］應用數(shù)值模擬分析了“豎三帶”法向分布范圍，優(yōu)化了布置鉆場鉆孔設計參數(shù)，提高了工作面上隅角的瓦斯抽放率。韓彪［4］以經(jīng)驗公式和數(shù)值模擬得出了“三帶”高度，設計了高位鉆孔且抽采效果穩(wěn)定。因此，研究工作面回采不同距離時上覆巖層應力變化及巖層破壞、裂隙擴展規(guī)律，及時準確獲得“三帶”高度，能為高位鉆孔終孔層位的設計提供可靠依據(jù)［5-11］。

本文以某煤礦3185工作面為研究對象，通過理論計算、數(shù)值模擬等方法，研究了3185工作面覆巖運動規(guī)律，綜合判定覆巖“三帶”分布范圍，并通過對比不同終孔位置的抽采效果，驗證了采用主應力判定“三帶”高度的合理性，為高位鉆孔位置參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 工作面概況

3185工作面所采煤層為9煤層，煤層厚度為1.3~3.75 m，平均厚度為2.5 m，傾角為4°~29°，平均傾角為17°。煤層穩(wěn)定，但局部有0.5 m夾矸（巖性為深灰色粉砂巖，破碎，裂隙發(fā)育）。煤層物理特征為光亮型，結構松散，呈粉末狀。

2 理論計算

通過巖層柱狀圖可得到，此煤層頂板為粉砂巖，應選擇垮落帶與裂隙帶經(jīng)驗公式中適用于中硬巖石的公式來計算覆巖垮落帶與裂隙帶高度。

2.1 垮落帶高度計算

式中HM為垮落帶高度，m；h為工作面采高，m。

3185煤層厚度為2.5 m，運用式（1）計算后可得，3185工作面垮落帶高度在5.93~10.33 m，垮落帶最低為距煤層頂板5.93 m，垮落帶最高為距煤層頂板10.33 m。

2.2 裂隙帶高度計算

式中HD為裂隙帶高度，m；h為工作面采高，m。

將煤層厚度帶入式（2）計算后可得，3185工作面裂隙帶高度在27.29~38.49 m高度范圍內，裂隙帶最大高度為38.49 m。

3 數(shù)值模擬及其分析

3.1 軟件介紹

目前，ANSYS已經(jīng)集成化為能進行多種分析的軟件平臺，包括靜力分析、模態(tài)分析、線性屈曲等，在鋼結構的強度、橋梁穩(wěn)定性、隧道開挖支護及邊坡穩(wěn)定性等工程中得到廣泛應用，適用于巖土的彈塑性模型，能較好地模擬巖土的彈塑性特性，為科研人員提供了一種高效、可靠、易用的分析方法。

在本文中，煤層的回采工作可以運用此軟件的一個高級功能即單元生死功能來進行模擬。單元生死是該軟件在土木工程中較為常用的一個高級功能，尤其在地下開采、掘進中，使用單元生死功能可以方便且有效地模擬土木工程的施工過程、空間結構的變化。單元生死選項即通過殺死或重新激活選擇的單元來模擬在施工過程中由于開挖、支護等導致空間結構發(fā)生的變化。

3.2 模型的建立

依據(jù)3185工作面巖層分布特性，構建了模擬所用幾何模型。建模過程中，為了充分體現(xiàn)不同巖層組合特征，對工程實際進行了略微簡化，將模型中力學性質相近的巖層歸并為一組，因此模擬所用巖層模型共劃分為13個層組，總厚度為211 m，模型設計長×寬×高為300 m×260 m×211 m的三維立體模型。

數(shù)值模型設置邊界條件為：在X方向（煤層走向）上，假設2個邊界平面在走向方向上不發(fā)生位移，所以在2個邊界平面施加位移約束；在Z方向（煤層傾向）上，2個邊界平面也施加位移約束，2個平面在傾向方向位移為0；在Y方向（煤層高度方向）底部邊界施加位移全約束，即底部邊界不發(fā)生位移變化。由于煤層實際埋深約為600 m，減去模型高度，因此在模型頂部施加應力載荷為11 MPa。

采用Drucker-Prager本構模型來模擬巖層的塑性變化，模型模擬每次回采20 m，共進行5次，工作面向前推進100 m。

煤巖體力學參數(shù)如表1所示。模擬采用的巖層力學參數(shù)主要包括巖層密度、彈性模量、內摩擦角、粘聚力、泊松比等。在這些參數(shù)中，泊松比、體積模量、剪切模量與彈性模量分別滿足如下關系：

表1 煤巖體力學參數(shù)

式中，B為體積模量，GPa；S為剪切模量，GPa；E為彈性模量，GPa；為泊松比。

3.3 數(shù)值模擬結果分析

由于在模擬結果中并不能直觀得出“三帶”發(fā)育情況，所以結合巖石材料力學特性，通過分析圍巖應力變化，從應力的角度量化得出“三帶”高度。

3.3.1 上覆巖層垂直應力變化特征

回采不同距離時，煤層走向圍巖垂直應力變化如圖1所示，煤層直接頂走向垂直應力變化如圖2所示。由圖1得出，回采距離增大時，上覆巖層受采動影響，煤層頂板所承載壓應力不斷增大。在采空區(qū)兩側出現(xiàn)應力上升區(qū)，隨著開采距離的增加，壓力上升區(qū)的范圍不斷增大，應力數(shù)值升高至一定值后趨于穩(wěn)定，且推進方向的應力值略大。隨著推進距離的增加，煤層采空區(qū)頂板承受垂直方向壓應力不斷降低，當回采至40 m時，垂直方向壓應力降為0。從圖2中可以觀察到工作面直接頂巖層開采中出現(xiàn)了拉應力，可以判斷此巖層受采動影響產(chǎn)生較大下沉，與上部巖層發(fā)生離層現(xiàn)象，認為此巖層內巖體出現(xiàn)大范圍的破壞。

圖1 回采不同距離時煤層走向圍巖垂直應力變化

圖2 回采不同距離時煤層直接頂走向垂直應力變化

3.3.2 上覆巖層主應力變化特征

巖石具有抗壓強度高、抗拉強度低的材料特性，并且由巖性可以看出，巖石越堅硬，抗拉強度越低。依據(jù)巖石在應力作用下的破壞特性，認為當巖體最大、最小主應力均為拉應力時，該位置處巖石將產(chǎn)生嚴重破壞；認為只有某一方向上主應力為拉應力時，巖層只在該應力垂直面上發(fā)生破壞，該拉應力垂直方向將產(chǎn)生明顯裂隙。結合模擬結果，將最大、最小主應力均為拉應力的巖層高度定義為垮落帶高度；將單一方向主應力為拉應力的巖層高度定義為裂隙帶高度。

回采不同距離時，上覆巖層主應力變化如圖3所示。規(guī)定拉應力為正、壓應力為負，根據(jù)數(shù)值模擬結果可知：工作面分別回采至20、40、60、80、100 m時，在距煤層頂板垂深為1.18、2.5、6.8、8.1、8.4 m高度處最小主應力降為0；最大主應力分別在7.57、16.8、23.3、28.3、29.2m處轉變?yōu)閴簯?。因此認為垮落帶的最大高度距煤層頂板約為8.4 m，裂隙帶的最大高度距煤層頂板約為29.2 m，距煤層頂板29.2 m以上覆巖為彎曲下沉帶。

圖3 回采不同距離時上覆巖層主應力變化

圖4 垮落帶、裂隙帶隨開采距離的變化

3.4 數(shù)值模擬結果應用

依據(jù)采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律以及前人研究成果，采用高位鉆孔對采空區(qū)瓦斯進行治理時，鉆孔終孔位置應位于裂隙帶范圍內。由此可得，高位鉆孔終孔位置的垂高應滿足：

式中HM為垮落帶高度，mHL為高位鉆孔終孔高度，mHD為裂隙帶高度，m。

運用中硬覆巖冒落帶和裂隙帶高度計算公式，得出3185工作面垮落帶高度為0~10.33 m，裂隙帶高度為10.33~38.49 m，將終孔位置布置于裂隙帶中下部，由此可得出終孔位置應位于距煤層頂板11.27~17.37 m處。采用數(shù)值模擬結果，終孔位置應位于距煤層頂板12.85~15.30 m處。模擬結果與理論計算結果基本符合，采用模擬得出的終孔位置位于經(jīng)驗公式計算范圍內。

由于3185工作面上方為已回采完畢的3175工作面采空區(qū)，根據(jù)數(shù)值模擬的計算結果，結合3185工作面實際情況，將終孔位置確定為距離煤層頂板11~15 m對比抽采效果。

為了考察模擬結果的準確性，在現(xiàn)場實驗時，監(jiān)測14鉆窩14-1號鉆孔與14-2號鉆孔瓦斯體積分數(shù)，14-1號鉆孔終孔位置距9煤層頂板距離為11 m，14-2號鉆孔終孔位置距9煤層頂板距離為13.23 m。抽采結果對比如圖5所示，由圖可知，14-2號鉆孔最大抽采瓦斯體積分數(shù)達28%，其平均抽放體積分數(shù)為20.86%，14-1號鉆孔最大抽采瓦斯體積分數(shù)達13%，其平均抽放體積分數(shù)為8.8%。14-2號鉆孔抽采效果明顯優(yōu)于14-1號鉆孔，能對工作面瓦斯進行有效抽采，從而有效解決采空區(qū)瓦斯超限問題。因而可認為，由模擬得出的“三帶”高度是可靠的，采用主應力判定“三帶”高度相對于經(jīng)驗公式計算結果更加精準，能夠準確定位高位鉆孔終孔位置，可有效解決采空區(qū)瓦斯抽采效果差的難題。

圖5 鉆孔瓦斯抽采結果

4 結論

通過理論計算、數(shù)值模擬等方法，研究了3185工作面覆巖運動規(guī)律，綜合判定了覆巖“三帶”分布范圍，為高位鉆孔位置參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1）采動影響下煤層直接頂垂直應力表現(xiàn)出拉應力，說明此范圍內巖體出現(xiàn)較大破壞，處于垮落帶范圍內。

2）采用主應力判斷“三帶”高度的方式，即將最大、最小主應力均為拉應力范圍作為垮落帶高度，將某一方向主應力為拉應力巖層高度作為裂隙帶最大高度，計算結果是可靠的。

3）由模擬結果得出3185工作面垮落帶高度約為8.4 m，裂隙帶高度約為29.2 m，“兩帶”高度之比約為3.47。以此設計的高位鉆孔抽采瓦斯平均濃度提高了12.06%。