董國偉，任小亮，梁烜銘，李典成，白成偉，安敏鴿

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

2021年全國原煤產(chǎn)量41.3億t，煤炭消費量占能源消費總量的56%，僅2021年瓦斯事故已經(jīng)造成32人死亡，仍是煤礦開采重大災害源。隨著礦井的安全高效不斷推進，工作面覆巖破斷及裂隙發(fā)育情況出現(xiàn)變化，導致卸壓瓦斯的涌出和運移情況相應變化，不利于工作面抽采措施的布置。加之工作面上方存在相鄰的多層堅硬巖層時，復雜的地質(zhì)條件給工作面安全高效生產(chǎn)帶來了更大的隱患。特殊地質(zhì)條件下高強度綜放開采加劇了瓦斯災害發(fā)生可能性，例如復合關鍵層綜放工作面開采。

一般情況下，煤層覆巖表現(xiàn)為分層破斷，在一些特殊的地層沉積條件下，相鄰硬巖層之間會產(chǎn)生復合作用。錢鳴高院士[1]針對大多數(shù)采場上方總是存在一層或幾層堅硬巖層控制采場覆巖活動的情況，提出了采場覆巖關鍵層理論，認為關鍵層應該對采場覆巖活動全部或局部起決定作用，并定義其幾何特征、巖性特征、變形特征、破斷特征、支承特征，給出了關鍵層的剛度、強度判別條件。錢鳴高院士等[2，3]運用有限元數(shù)值分析、建立力學模型等方法，明確了關鍵層上覆巖層載荷、下部巖層支承應力的分布規(guī)律以及關鍵層破斷順序，對相鄰硬巖之間復合效應給予分析，明確復合關鍵層定義?？妳f(xié)興、茅獻彪等[4-8]在關鍵層理論基礎上，對復合關鍵層進行了深入研究，給定了復合關鍵層的判別流程，并在復合關鍵層破斷方面做了大量工作。王海洋[9]對復合堅硬巖層破斷規(guī)律進行研究，并給出其破斷計算公式。林澤江[10]針對山西某礦15402工作面大采高堅硬頂板的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析，建立了關于大采高工作面堅硬頂板破斷時，初次來壓和周期來壓計算模型。曹衛(wèi)軍[11]得到了復合關鍵層相較于無復合結構，其承載能力、來壓周期均變大，并給出具體數(shù)值。李樹剛等[12-14]提出了“采動裂隙圓角矩形梯臺帶”模型，并分析了采高對裂隙演化的影響，建立了采動裂隙橢拋帶壓實區(qū)的數(shù)學模型及瓦斯運移優(yōu)勢通道模型，為卸壓瓦斯富集區(qū)有效抽采提供了數(shù)學依據(jù)。李樹剛等[15]認為關鍵巖塊失穩(wěn)后能夠保持穩(wěn)定，確保了瓦斯流動活躍區(qū)的存在，為上隅角埋管位置選取提供了依據(jù)。白建平[16]等利用CDEM三維離散元模擬得到裂隙發(fā)育環(huán)的尺寸，提出鉆孔位置應布置在裂隙發(fā)育環(huán)的頂部。尉瑞等[17]為提升高位定向鉆孔抽采效果，通過物理相似模擬分析，研究瓦斯富集運移區(qū)發(fā)育高度變化，進行現(xiàn)場抽采優(yōu)化?？到ê甑萚18-20]采用多種方法對采空區(qū)和上隅角瓦斯積聚問題進行研究，并提出優(yōu)化方案。黃旭超[20]在精準測定工作面煤體瓦斯含量和精準預測瓦斯涌出量的基礎上，對瓦斯涌出量大的區(qū)域采取措施，實現(xiàn)了堅硬頂板綜放工作面瓦斯動態(tài)治理。綜上所述，近年來，學者對綜放開采瓦斯運移與抽采耦合規(guī)律進行了大量研究，并取得了一定的研究成果，但對于復合關鍵層綜放開采瓦斯運移與抽采耦合規(guī)律研究方面研究還較為少見，已成為亟需解決的問題。本文以王家?guī)X12313綜放工作面為工程背景，采用多種研究方法研究綜放工作面回采過程中復合關鍵層破斷步距、覆巖裂隙演化分布特征與瓦斯運移規(guī)律，并研究采用多種瓦斯抽采措施前后的上隅角瓦斯涌出情況，為類似條件瓦斯治理提供理論及技術基礎。

1 礦井概況

12313綜放工作面開采2號煤層，位于王家?guī)X礦123盤區(qū)西翼，工作面長度為260m，回采長度為1322.6m，煤層傾角3°，煤層厚度為5.67～6.3m，平均厚度為6.1m，工作面上方存在多層細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖互層。12313工作面運輸巷寬為5.4m，高為3.3m。回風巷寬為5m，高為3.3m。工作面推進采用單一走向長壁采煤法，綜合機械化放頂煤工藝。12313工作面部分煤巖層層序及相關參數(shù)見表1。

表1 12313綜放工作面部分煤巖層層序及相關參數(shù)

2 綜放工作面復合關鍵層理論分析

2.1 復合堅硬巖層理論分析

為研究12313綜放工作面上覆巖層關鍵層的破斷規(guī)律，利用qn+1

采場覆巖中兩相鄰硬巖層厚度為h1和h2，彈性模量為E1和E2，泊松比為ν1和ν2，截面慣性矩為I1和I2。中間軟弱層為∑h2，彈性模量為∑E2，泊松比為∑ν2，截面慣性矩為∑I2。復合堅硬巖層承載載荷轉化為均布載荷后集度為q。以小撓度彈性薄板理論為基礎，假設中性軸到橫截面下邊界的距離為a，硬巖1(A)、軟巖夾層(B)、硬巖2(C)組成的復合巖層單位厚度橫截面均布荷載如圖1所示[3]。

圖1 復合巖層單位厚度橫截面均布荷載

根據(jù)組合梁力學原理、幾何關系及物理關系[7]，將復合巖層用剛度、強度相同的等效巖層代替，再將等效巖層代入關鍵層判別理論進行判別。

硬巖1厚度h1=7.4m，軟巖夾層厚度∑h2=2.5m，硬巖2厚度h2=7.25m。硬巖1彈性模量E1=7.86GPa，軟巖夾層彈性模量∑E2=5.62GPa，硬巖2彈性模量E2=7.86GPa。中性軸距下部硬巖下截面的距離a由式(1)計算可得：

=8.57m

(1)

通過對復合堅硬巖層不發(fā)生彎拉破壞的臨界條件判斷[9]，得出復合堅硬巖層發(fā)生彎拉破壞的極限跨距為47.9m。

(6)

式中，I1、∑I2、I2分別為硬巖1、軟巖夾層、硬巖2對中性軸的慣性矩；hq為等效巖層的厚度，m；Iq為等效巖層的慣性矩；Eq為等效巖層的彈性模量，MPa；rq為等效巖層的容重，N/m3；τ1為中性層上的最大剪應力，MPa；τ1b為中性層的極限抗剪強度，MPa；τ2b為水平層理面的抗剪強度，MPa；σn為剪切面上的法向應力，MPa；c為巖石的粘聚力，MPa；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，(°)；σn1為層理面的正應力，MPa；q為上部堅硬巖層所承受的單位面積垂向載荷，MPa；h為復合堅硬巖層的厚度，m；ν為復合堅硬巖層下部硬巖的泊松比；σt1為復合堅硬巖層下部硬巖的抗拉強度，MPa。

在復合堅硬巖層破斷前，復合堅硬巖層能夠承受的抗剪強度遠大于其之間的剪應力，接觸面上不產(chǎn)生相對錯動，三個巖層能夠形成復合堅硬巖層。

2.2 復合關鍵層力學模型分析

在判定硬巖1、軟弱夾層、硬巖2可以形成復合堅硬巖層條件下，其上部存在16m砂質(zhì)泥巖亞關鍵層。假設復合堅硬巖層(D)和硬巖3(E)之間存在一層厚度趨于零的軟弱夾層。復合堅硬巖層(D)厚度為hf1，彈性模量為Ef1，截面慣性矩為If1；假設的軟弱夾層厚度為Δh，彈性模量為E5，截面慣性矩為I5；硬巖3(E)厚度為h6，彈性模量為E6，截面慣性矩為I6。假設中性軸到橫截面下邊界距離為a1，則復合堅硬巖層和硬巖3的單位厚度橫截面均布荷載如圖2所示。

圖2 復合巖層單位厚度橫截面均布荷載

將復合巖層用剛度、強度相同的等效巖層代替，通過判斷得到工作面開始回采時，接觸面上不產(chǎn)生相對錯動，能夠形成復合巖層。通過剛度條件和強度條件判別，硬巖1、軟巖夾層、硬巖2組成的復合堅硬巖層和硬巖3復合后形成的復合巖層為復合關鍵層，采用上述公式計算得到復合關鍵層的極限跨距近似等于其初次來壓步距，為49.84m。

3 采動覆巖破斷及裂隙演化規(guī)律

3.1 物理相似模型建立及分析

以王家?guī)X煤礦12313工作面開采地質(zhì)條件為基本原型，建立1∶200的平面應力物理相似模型。模型鋪設高度為146.5cm，未鋪設部分覆巖以均布載荷形式加載，模型設計開采長度為150cm。

12313綜放工作面復合關鍵層破斷情況如圖3所示，工作面推進22m時，直接頂初次垮落，破斷裂隙和離層裂隙均發(fā)育至8.6m，在切眼一側垮落角約為56°，工作面一側垮落角約為61°。工作面推進至56m時，復合關鍵層中硬巖1初次破斷，硬巖1破斷時，仍然與兩側巖體鉸接，提供一定的支撐作用，未破斷的硬巖1對硬巖2提供托板作用，破斷裂隙發(fā)育高度為18.6m。工作面推進至76m時，硬巖1和硬巖2同步破斷，硬巖2與工作面一側巖體處于鉸接狀態(tài)，使硬巖3破斷步距增大。破斷裂隙發(fā)育至25.8m。當推進106m時，硬巖1、硬巖2、硬巖3同時破斷。此時，復合關鍵層首次完全破斷。破斷裂隙發(fā)育高度為38.1m。

圖3 12313綜放工作面復合關鍵層破斷情況

復合關鍵層裂隙分布區(qū)域劃分如圖4所示，工作面推進224m時，硬巖1、硬巖2、硬巖3同步破斷。當巖層受到的剪應力達到巖層的抗剪強度時，復合關鍵層中各巖層間開始出現(xiàn)錯動，復合關鍵層結構不再存在，復合效應消失，又因為單一硬巖抵抗變形的能力相較復合關鍵層較弱。此時，硬巖3自身載荷瞬間施加在硬巖2上，致使硬巖2破斷，破斷的硬巖2對硬巖1施加載荷，致使硬巖1、硬巖2、硬巖3同步破斷。

圖4 復合關鍵層裂隙分布區(qū)域劃分

復合關鍵層的周期破斷與綜放工作面的重復采動影響，使采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育、壓實、閉合，卸壓瓦斯隨破斷裂隙演化不斷運移。彎曲下沉帶內(nèi)孔隙、裂隙貫通性及透氣性差，卸壓瓦斯主要積聚在垮落帶和裂隙帶的裂隙區(qū)中。工作面推進224m時，裂隙區(qū)裂隙發(fā)育高度與壓實區(qū)裂隙發(fā)育高度保持一致，破斷裂隙發(fā)育至硬巖4底部?？迓鋷Ц叨葹?5.01m，裂隙帶高度為106.09m。裂隙區(qū)與壓實區(qū)頂部位于煤層底板上方121.1m處。工作面一側裂隙區(qū)寬度為44.6m，斷裂角為60°，切眼一側裂隙區(qū)寬度為45.6m，斷裂角為62°。裂隙區(qū)為瓦斯運移優(yōu)勢通道。

3.2 傾向模型建立及分析

為研究王家?guī)X煤礦12313綜放工作面傾向方向覆巖采動裂隙的分布特征，建立12313綜放工作面開采傾向模。設計模型尺寸為(X×Y)：470.4m×431.549m，模型兩端各留設100m邊界保護煤柱，模擬開挖260m，煤層傾角設置為3°。工作面開挖之前，先開挖運輸巷和回風巷，而后對工作面進行開挖。在推進過程中采用連續(xù)作業(yè)方式，工作面采用一次開挖方式。

沿傾向開采時，覆巖裂隙分布區(qū)域劃分如圖5所示，垮落帶和裂隙帶組成的“兩帶”高度為115m。采動隙主要分布在采空區(qū)兩側的裂隙區(qū)內(nèi)，作為主要的瓦斯運移通道。運輸巷一側裂隙區(qū)長度為37m，破斷角為62°。回風巷一側裂隙區(qū)長度為40m，破斷角為63°。采空區(qū)中部的巖層雖然被壓實，裂隙閉合，但巖層破斷位置處的閉合裂隙依然可以為瓦斯運移提供通道。裂隙帶上方的彎曲下沉帶內(nèi)部破斷裂隙較少，阻隔了瓦斯的向上運移。

圖5 覆巖裂隙分布區(qū)域劃分(傾向)

4 綜放工作面采動裂隙瓦斯運移特征

4.1 數(shù)值模型建立

12313綜放工作面采用“U”型通風方式，采空區(qū)走向長224m，傾向寬270.4m，模型高度為121.1m，煤層傾角3°。采用fluent數(shù)值模擬軟件模擬采空區(qū)瓦斯運移情況，基于工作面幾何參數(shù)建立物理模型，設置運輸巷為自由進風口，回風巷為壓力出口，采空區(qū)為多孔介質(zhì)區(qū)域，高位定向鉆孔抽采負壓為15kPa，埋管抽采口抽采負壓為12kPa。選用RNGk-ε二方程模型，采用SIMPLE算法求解，計算至模型收斂。

4.2 無抽采措施情況下瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

在考慮重力因素及煤層傾角的條件下，模擬只在通風系統(tǒng)運行情況下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r如圖6所示。由圖6(a)可以看出，采空區(qū)覆巖破碎后重新壓實，呈現(xiàn)出多孔介質(zhì)的特征，在工作面處受到漏風的影響，新鮮風流在流動過程中不斷損失，致使運輸巷一側瓦斯?jié)舛刃∮谕壬疃认禄仫L巷一側的瓦斯?jié)舛?，靠近運輸巷一側采場上方的瓦斯?jié)舛刃∮谕雀叨认碌幕仫L巷一側?；仫L巷一側在綜放工作面上方25m左右瓦斯?jié)舛然颈３植蛔?。由圖6(b)可以看出，新鮮風流由運輸巷一側流入后，在一定范圍內(nèi)，能夠稀釋和帶走瓦斯，當新鮮風流進入采空區(qū)深部時，開始逐漸減少直至消失。此時，瓦斯?jié)舛然静蛔?。上隅角最大瓦斯?jié)舛缺３衷?.18%～10.90%之間。

圖6 只在通風系統(tǒng)運行情況下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r

4.3 高位定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

只在通風系統(tǒng)運行情況下，漏風流在距回風巷一側的煤層頂板上方25m處對瓦斯?jié)舛炔辉佼a(chǎn)生影響。在此基礎上，在距煤層頂板25～46m處，距回風巷10～40m處布置4組直徑為133mm的高位定向鉆孔。高位定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确植记闆r如圖7所示。由圖7可知，上隅角瓦斯最大濃度為3.35%左右。相較于沒有采取抽采措施的情況，高位定向鉆孔抽采卸壓瓦斯效果明顯，采空區(qū)卸壓瓦斯?jié)舛葴p小，但仍無法解決上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。

圖7 高位定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确植记闆r

4.4 “高位定向鉆孔+回風巷埋管”抽采卸壓瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

基于此情況，在高位定向鉆孔抽采措施基礎上，綜放工作面進行高位定向鉆孔及回風巷埋管瓦斯抽采，埋管口不同埋深情況下瓦斯?jié)舛确植记闆r如圖8所示。由圖8可以看出，當埋管口埋藏深度5m時，埋管口埋藏較淺，埋管口附近巖層裂隙較大，卸壓瓦斯沿采動裂隙涌入工作面，同時，新鮮風流由運輸巷進入工作面后，采空區(qū)內(nèi)的卸壓瓦斯被漏風流稀釋并帶入工作面，由回風巷流出，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.556%；當埋管口埋藏深度10m時，埋管口附近巖層裂隙逐漸閉合，漏風流影響減弱，采空區(qū)瓦斯涌出量減少，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.529%；當埋管口埋藏深度15m時，受漏風流影響弱，上隅角瓦斯?jié)舛容^埋管口埋藏深度10m時上隅角瓦斯?jié)舛扔兴档?，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.486%；當埋管口埋藏深度20m時，上隅角瓦斯?jié)舛容^埋管口埋藏深度15m時上隅角瓦斯?jié)舛扔兴仙瑢ι嫌缃峭咚钩椴尚Ч陆?，且抽采成本增加，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.491%。

由圖8還可以看出，在確定高位定向鉆孔的前提下，埋管瓦斯抽采埋管口最佳埋藏深度為回風巷一側工作面后方15m左右。此時，埋管口附近裂隙較小，涌入工作面的卸壓瓦斯量較少，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.486%左右。模擬所采用的瓦斯抽采措施可以作為12313綜放工作面瓦斯治理的參考。

圖8 埋管口不同深度情況下瓦斯?jié)舛确植记闆r

根據(jù)數(shù)值模擬中上隅角瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)值變化，上隅角瓦斯?jié)舛扰c埋管口深度關系如圖9所示。上隅角瓦斯?jié)舛?y)與埋管口深度(x)之間存在如下關系：y=8.53333e-5x3-0.00288x2+0.02287x+0.503(5m≤x≤20m)，僅考慮上隅角瓦斯抽采效果，埋管口深度為17.3m時，上隅角瓦斯?jié)舛茸钚。s為0.478%。

圖9 上隅角瓦斯?jié)舛扰c埋管口深度關系

5 現(xiàn)場效果

在現(xiàn)場實際抽采過程中，該盤區(qū)已開采工作面采用“高位定向鉆孔+回風巷埋管”抽采兩種抽采方式抽采瓦斯，高位定位鉆孔抽采負壓設置為15kPa，埋管抽采負壓設置為12kPa，埋管口深度為12m，綜放工作面上隅角最大瓦斯?jié)舛仍?.39%～0.79%之間。由上隅角瓦斯?jié)舛扰c埋管口深度關系可知，當埋管口深度為12m時，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.51%左右，模擬結果與現(xiàn)場實際情況基本一致，對于12313綜放工作面現(xiàn)場瓦斯抽采具有一定的參考價值。

6 結 論

1)在復合關鍵層理論基礎上，針對王家?guī)X礦12313綜放工作面覆巖存在多層細粒砂巖及砂質(zhì)泥巖互層的巖層沉積條件，假設復合堅硬巖層與砂質(zhì)泥巖堅硬巖層之間存在一層軟弱巖層，得到復合關鍵層的一個特例。

2)復合關鍵層中堅硬巖層的初次破斷為非同步破斷，復合關鍵層中上部堅硬巖層破斷時，復合關鍵層中復合效應消失，承載能力減弱，造成復合關鍵層中各巖層的同步破斷。

3)當采用“高位定向鉆孔+回風巷埋管”抽采措施時，回風巷埋管口深度為17.3m，上隅角瓦斯?jié)舛燃s為0.478%，抽采效果最好。模擬結果顯示所采用的抽采措施可以消除工作面的瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，研究結果對于12313工作面瓦斯抽采具有一定的指導意義。