林海飛, 劉思博, 雙海清, 徐培耘, 周 斌, 羅榮衛(wèi)

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.西部煤礦瓦斯災(zāi)害防控陜西省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054; 3.西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心, 陜西 西安 710054)

煤炭是我國(guó)戰(zhàn)略能源, 在維持國(guó)際能源格局、保障能源安全、支撐構(gòu)建能源強(qiáng)國(guó)等方面具有重要的地位和作用。沿空留巷開采能夠緩解開采效率低、生產(chǎn)成本高、采掘接續(xù)緊張等問(wèn)題, 是一項(xiàng)安全高效的無(wú)煤柱開采技術(shù)[1–3]。煤層開采后, 采動(dòng)覆巖卸壓瓦斯在由橫向離層裂隙與縱向破斷裂隙共同構(gòu)成的復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)移, 明確卸壓瓦斯儲(chǔ)集運(yùn)移區(qū)分布特征對(duì)于提高卸壓瓦斯抽采效率至關(guān)重要[4–5]。

目前, 已有學(xué)者提出了“O”形圈[6]、高位環(huán)形裂隙體[7]、橢拋帶[8]、采動(dòng)裂隙圓角矩形梯臺(tái)帶[9]、“∩”形高帽狀[10]等采動(dòng)裂隙形態(tài)模型, 為研究采場(chǎng)覆巖移動(dòng)提供了理論基礎(chǔ), 有效指導(dǎo)了卸壓瓦斯抽采鉆孔布置。RAN[4]等基于裂隙形態(tài)及參數(shù)特征, 提出確定瓦斯運(yùn)移通道和富集區(qū)的方法;胡國(guó)忠等[5]提出了基于覆巖運(yùn)動(dòng)原位監(jiān)測(cè)的采動(dòng)裂隙形態(tài)反演方法; 郭小銘[11]等提出“采前背景條件探查、采中水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、采后綜合測(cè)試”的煤層開采全過(guò)程裂隙帶高度綜合實(shí)測(cè)方法; 張禮[12]等提出了采動(dòng)環(huán)形裂隙體的邊界判定方法; 丁洋[13]等提出了高突礦井卸壓瓦斯富集區(qū)辨識(shí)方法; 侯恩科[14]、黃慶享[15]等對(duì)無(wú)煤柱切頂沿空留巷受采動(dòng)影響條件下的頂?shù)装遄冃我?guī)律進(jìn)行了研究, 表明切頂作用在一定程度上降低了底板破壞發(fā)育深度; 王俊峰[16]、楊舒冰[17]等揭示了工作面開采擾動(dòng)下沿空留巷圍巖的非對(duì)稱變形破壞機(jī)制; 陳向 軍[18]等指出切頂留巷開采模式下, 靠近工作面兩端的采空區(qū)內(nèi)均存在一個(gè)較大渦流區(qū); 王家臣[19]等指出采空區(qū)頂板裂隙發(fā)育沿面長(zhǎng)方向存在分區(qū)破斷和動(dòng)態(tài)遷移現(xiàn)象; 榮海[20]等提出了不同層位堅(jiān)硬巖層的失穩(wěn)判據(jù), 并計(jì)算了巖層失穩(wěn)釋放能量; 劉洪永[21]等研究發(fā)現(xiàn)卸壓瓦斯優(yōu)勢(shì)瓦斯通道發(fā)育高度、寬度和范圍隨推進(jìn)速度的增加而減小; 王婉潔[22]等指出采空區(qū)中部破斷裂隙被壓實(shí)閉合, 只有少量破斷裂隙可以延伸至離層裂隙與之貫通, 破斷裂隙數(shù)量較少, 連續(xù)性較弱; 趙鵬翔[23]等將瓦斯運(yùn)移通道劃分為瓦斯活躍區(qū)、運(yùn)移區(qū)及富集區(qū); 程 詳[24]等通過(guò)準(zhǔn)確辨識(shí)卸壓瓦斯富集區(qū)域, 優(yōu)化了上覆被保護(hù)煤層卸壓瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)。

綜上, 盡管眾多學(xué)者相繼研究了采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育特征、卸壓瓦斯富集區(qū)辨識(shí)方法, 但鮮有針對(duì)沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區(qū)精準(zhǔn)判別的研究。基于此, 筆者通過(guò)物理相似模擬及數(shù)值模擬的方法, 研究了采動(dòng)覆巖裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程, 定量表征采動(dòng)裂隙頻數(shù)及角度特征, 基于關(guān)鍵層判別、采動(dòng)裂隙、覆巖應(yīng)變、裂隙角度及數(shù)量, 結(jié)合通風(fēng)方式, 提出了沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區(qū)的判定方法, 并應(yīng)用到工程實(shí)踐中, 研究結(jié)果對(duì)沿空留巷開采卸壓瓦斯災(zāi)害治理具有重要理論意義和工程價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程背景概況

陜西某礦試驗(yàn)工作面主采2號(hào)煤, 該工作面平均走向長(zhǎng)度2 852 m, 采面寬度235 m, 采用沿空留巷無(wú)煤柱開采方式, 如圖1所示。通過(guò)在距巷道主幫0.2 m處施工深度7 m、間距0.5 m、傾角80°的鉆孔, 采用定向聚能爆破技術(shù)切斷巷道頂板與采空區(qū)頂板聯(lián)系, 減少頂板來(lái)壓時(shí)對(duì)保留巷道的擾動(dòng)影響。

圖1 試驗(yàn)工作面平面布置及通風(fēng)系統(tǒng)Fig.1 Plane layout and ventilation system diagram of test working face

該工作面煤層厚度1.03~2.40 m, 平均2.2 m, 煤層傾角0°~5°, 平均傾角2°, 為近水平煤層, 煤層平均埋深381.5 m。采用綜合機(jī)械化后退長(zhǎng)壁式采煤法, 一次采全高, 全部垮落法處理采空區(qū)頂板。試驗(yàn)工作面瓦斯壓力為0.05~0.21 MPa, 原始瓦斯含量1.56~4.16 m3/t, 最大瓦斯涌出量21.05 m3/min, 采用全風(fēng)壓“Y”型通風(fēng)方式。

1.2 物理相似模擬試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)工作面開采地質(zhì)條件, 構(gòu)建平面應(yīng)力走向相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ? 巖性參數(shù)見表1。相似模擬試驗(yàn)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似及邊界條件相似,確定的模型相似常數(shù)見表2。

表1 上覆巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the overlying strata

表2 模型相似常數(shù)Table 2 Model similarity constants

根據(jù)模型相似比, 選取合適的相似材料配比。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵院由碁楣橇? 石膏和大白粉為膠結(jié)物,云母粉為分層材料[25], 材料配比見表3, 煤層配比中河沙與煤灰質(zhì)量相同, 根據(jù)關(guān)鍵層判別方法[26]得到工作面上覆巖層關(guān)鍵層。

表3 巖層分布及其配比Table 3 Rock strata distribution and proportioning

沿工作面走向進(jìn)行開挖模擬, 未模擬巖層通過(guò)施加外力載荷補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)均勻加載, 模型兩側(cè)各留設(shè)10 cm[27]邊界煤柱以消除邊界效應(yīng)影響。鋪設(shè)好的物理模型如圖2所示, 采用XTDIC系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集煤層開采后的物理模型表面圖像, 監(jiān)測(cè)煤層開挖過(guò)程中采場(chǎng)覆巖應(yīng)變場(chǎng)的分布特征。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图跋嚓P(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備Fig.2 Experimental model and related monitoring equipment

1.3 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

為進(jìn)一步分析沿空留巷無(wú)煤柱開采切頂側(cè)與非切頂側(cè)覆巖裂隙演化規(guī)律的區(qū)別, 采用3DEC離散元數(shù)值模擬軟件對(duì)切頂留巷開采后沿工作面傾向采動(dòng)覆巖裂隙分布進(jìn)行研究, 建立了數(shù)值模型,如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical model

模型尺寸為305 m×1 m×131 m, 模型左、右、前、后邊界及底面設(shè)置為固定邊界, 頂部設(shè)置為自由邊界, 通過(guò)在模型上部施加壓力來(lái)替代未模擬巖層, 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 數(shù)值模型的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters used for numerical model

2 沿空留巷開采覆巖裂隙演化規(guī)律

2.1 沿工作面走向覆巖裂隙演化特征

煤層頂板覆巖懸臂長(zhǎng)度超過(guò)其極限破斷距時(shí),巖層發(fā)生破斷跨落, 形成“豎向破斷裂隙”, 巖層間的不協(xié)調(diào)性下沉?xí)a(chǎn)生不同縱向位移量, 形成“橫向?qū)娱g裂隙”, 圖4為物理模型工作面推進(jìn)中覆巖移動(dòng)與裂隙發(fā)育的過(guò)程。

圖4 沿工作面走向覆巖裂隙演化過(guò)程Fig.4 The evolution process of overlying rock fracture along the strike of working face

工作面推進(jìn)至25 m時(shí), 由于應(yīng)力的釋放及重新分布, 采空區(qū)直接頂開始變形、下沉, 隨著工作面逐步向前推進(jìn), 直接頂下沉量越來(lái)越大, 造成與基本頂沿層理面分離, 直接頂發(fā)生初次垮落。工作面推進(jìn)至38 m時(shí), 頂板發(fā)生初次來(lái)壓, 垮落高度8 m,垮落邊界形態(tài)呈梯形, 受亞關(guān)鍵層1控制作用的影響, 亞關(guān)鍵層1上方未產(chǎn)生破斷裂隙, 離層裂隙發(fā)育距煤層頂板最遠(yuǎn)11 m, 空洞高度1.8 m。

隨著巖層周期破斷, 采動(dòng)裂隙呈躍進(jìn)態(tài)勢(shì)向上發(fā)展, 采動(dòng)裂隙分布范圍進(jìn)一步增大, 且裂隙壓實(shí)閉合區(qū)逐漸顯現(xiàn)于采空區(qū)中部。工作面推進(jìn)142 m時(shí), 發(fā)生第7次周期來(lái)壓, 破斷裂隙發(fā)育至主關(guān)鍵層, 距煤層頂板61 m, 離層裂隙發(fā)育至80 m處。由于巖石具有碎脹性, 受主關(guān)鍵層控制作用的影響,低層位已破斷碎裂巖層體積增大, 使高層位巖層可回轉(zhuǎn)空間減小, 關(guān)鍵層下方離層空間不足, 即使懸空距離超出極限跨距, 關(guān)鍵層破斷時(shí)結(jié)構(gòu)塊體下沉量、回轉(zhuǎn)量較小, 未完全斷開, 無(wú)法形成完整貫通的豎向破斷裂隙, 主關(guān)鍵上方僅出現(xiàn)離層裂隙。這表明煤層充分采動(dòng), 可認(rèn)為裂隙帶的最大發(fā)育高度至距煤層工作面頂板約61 m處。此后, 隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn), 采空區(qū)中部裂隙被不斷壓實(shí), 兩側(cè)裂隙較為發(fā)育, 裂隙發(fā)育總體變化較穩(wěn)定。

2.2 沿工作面傾向覆巖裂隙演化特征

通過(guò)數(shù)值模擬得到切頂留巷開采覆巖裂隙特征, 如圖5所示。

圖5 沿工作面傾向覆巖裂隙特征Fig.5 Overburden rock fracture characteristics along the working face tendency

由圖5可知, 覆巖移動(dòng)受切頂影響, 頂板容易破斷, 切頂側(cè)基本頂斷裂位置轉(zhuǎn)移至采空區(qū)側(cè), 頂板側(cè)向懸臂長(zhǎng)度減小。在垮落帶范圍內(nèi), 切頂側(cè)破斷裂隙較為發(fā)育, 有利于卸壓瓦斯運(yùn)移。切落后的矸石較好地充填了采空區(qū), 對(duì)基本頂巖塊起到了一定的支撐作用, 使覆巖上位的頂板破斷難度增大,裂隙數(shù)量減少, 切頂側(cè)主關(guān)鍵層下方離層裂隙寬度為0.27 m, 非切頂側(cè)為0.32 m。因此在高位覆巖區(qū)域, 未切頂側(cè)覆巖裂隙較為發(fā)育; 切頂側(cè)與非切頂側(cè)裂隙發(fā)育高度基本不變, 研究結(jié)果與前人[28]的一致, 均發(fā)育至主關(guān)鍵層, 高度為61 m。

2.3 沿工作面走向覆巖應(yīng)變規(guī)律

XTDIC系統(tǒng)通過(guò)采集不同推進(jìn)距離時(shí)刻物理模型表面的散斑圖像, 與煤層開采前標(biāo)定的圖像進(jìn)行對(duì)比分析, 計(jì)算得到物理模型的表面變形特征,圖6為不同工作面推進(jìn)距離下覆巖應(yīng)變?cè)茍D。

圖6 不同工作面推進(jìn)距離下覆巖應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Overburden rock strain nephogram under different working face advancing distance

覆巖應(yīng)變分布形態(tài)呈梯形, 工作面推進(jìn)至52 m時(shí), 亞關(guān)鍵層1下方巖層應(yīng)變整體較大, 受亞關(guān)鍵層1的控制影響, 其上方巖層應(yīng)變較小。煤層頂板區(qū)域巖層應(yīng)變表現(xiàn)出較強(qiáng)的非連續(xù)性, 說(shuō)明該處巖層受頂板來(lái)壓影響, 巖層冒落形成無(wú)序的堆積結(jié)構(gòu), 該處應(yīng)為采空區(qū)冒落帶。工作面開采產(chǎn)生自由運(yùn)動(dòng)空間, 上覆巖層彎曲破斷垮落, 垮落巖層碎脹充滿自由空間, 在此過(guò)程中, 覆巖垮落趨勢(shì)逐漸減小, 產(chǎn)生鉸接結(jié)構(gòu), 覆巖裂隙以跳躍式向上發(fā)育。因此隨著工作面推進(jìn)距離的變長(zhǎng), 梯形應(yīng)變區(qū)也相應(yīng)變大。工作面推進(jìn)至72 m時(shí), 梯形頂部巖層受亞關(guān)鍵層2的支撐, 上方巖層僅發(fā)生微小變形, 下方巖層懸空距離超出其極限跨距發(fā)生破斷, 形成鉸接結(jié)構(gòu), 并產(chǎn)生較大離層空間, 因此, 梯形下部冒落帶范圍及頂部離層空洞范圍應(yīng)變較大(應(yīng)變?cè)茍D紅色部分)。工作面推進(jìn)至152 m時(shí), 梯形高度進(jìn)一步上升, 至主關(guān)鍵層, 模型應(yīng)變量最大的區(qū)域仍處于采場(chǎng)兩端、裂隙發(fā)育頂部及采場(chǎng)底部冒落帶。工作面繼續(xù)推進(jìn)至175 m時(shí), 受時(shí)間效應(yīng)的影響, 采空區(qū)中部被進(jìn)一步壓實(shí), 導(dǎo)致主關(guān)鍵層下方離層空間增大, 顯示為梯形頂部應(yīng)變?cè)龃? 并且梯形上方巖層產(chǎn)生兩個(gè)不連續(xù)的長(zhǎng)條形離層應(yīng)變。應(yīng)變不連續(xù)表明: 巖層僅是因?yàn)椴粎f(xié)調(diào)性下沉而產(chǎn)生離層, 并未產(chǎn)生破斷裂隙。其中開切眼位置斷裂角為55°~61°, 工作面位置斷裂角為59°~62°。

進(jìn)一步觀察覆巖應(yīng)變?cè)茍D(圖6)可知, 梯形應(yīng)變模型中主要發(fā)生變形的區(qū)域呈梯形框架, 梯形左右兩腰的應(yīng)變區(qū)寬度為22~27 m; 梯形中部應(yīng)變值為0, 說(shuō)明該區(qū)域穩(wěn)定, 可認(rèn)為該處為大面積壓實(shí)區(qū)。

2.4 不同區(qū)域裂隙參數(shù)特征

根據(jù)覆巖應(yīng)變特征, 可得出裂隙相對(duì)發(fā)育區(qū)域。為進(jìn)一步定量表征不同區(qū)域采動(dòng)裂隙特征, 將上覆巖層劃分為10 cm×15 cm平行四邊形網(wǎng)格, 如圖7所示。

圖7 裂隙網(wǎng)格劃分Fig.7 Fissure grid division

采動(dòng)裂隙角度可以反映瓦斯運(yùn)移的方向性, 采動(dòng)裂隙數(shù)量可以反映瓦斯運(yùn)移的能力[4]。因此, 筆者對(duì)煤層開采結(jié)束后不同覆巖區(qū)域采動(dòng)裂隙角度、數(shù)量分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)時(shí)將具有連續(xù)特征的視作同一裂隙處理[29]。玫瑰圖可以直觀顯示不同區(qū)域裂隙角度及數(shù)量的分布, 將裂隙與x軸之間的夾角記為裂隙角度θ, 范圍為0°~180°,簡(jiǎn)化的裂隙角度統(tǒng)計(jì)圖如圖8所示。

圖8 簡(jiǎn)化的裂隙角度統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Simplified figure of fracture angle statistics

通過(guò)對(duì)圖7中不同覆巖區(qū)域的采動(dòng)裂隙角度、數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 得到如圖9所示的采動(dòng)裂隙統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

圖9 采動(dòng)裂隙統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistics of mining-induced fractures

不同覆巖區(qū)域離層裂隙角度集中在0°~10°, 豎向破斷裂隙角度主要集中在80°~120°。煤層頂板上方0~10 cm(A11, A12)區(qū)域處于垮落帶內(nèi), 共有76條裂隙, 其中離層裂隙24條, 占比31.58%, 此區(qū)域內(nèi)瓦斯流通能力最強(qiáng); 煤層頂板上方10~20 cm(A21,A22)區(qū)域內(nèi)共有30條裂隙, 其中離層裂隙10條, 占比33.33%; 煤層頂板上方20~30 cm(A31, A32)區(qū)域內(nèi)共有23條裂隙, 其中離層裂隙12條, 占比52.17%。不同區(qū)域內(nèi), 上覆巖層距煤層越遠(yuǎn), 裂隙數(shù)量越少, 且離層裂隙占比逐漸增大; 破斷裂隙減少, 表明瓦斯向上運(yùn)移通道減少。煤層頂板上方60~80 m(A71, A72, A81, A82)圖像統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi), 未產(chǎn)生破斷裂隙, 則該區(qū)域巖層垂向滲透系數(shù)較低,瓦斯向上運(yùn)移困難。由于采空區(qū)中部覆巖應(yīng)力恢復(fù), 大量破斷裂隙被壓實(shí)閉合, 導(dǎo)致采空區(qū)中部豎向破斷裂隙較少。

3 沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采技術(shù)

3.1 卸壓瓦斯抽采靶區(qū)確定

卸壓瓦斯運(yùn)移區(qū)和儲(chǔ)集區(qū)精準(zhǔn)判定是實(shí)現(xiàn)抽采靶區(qū)位置確定的前提, 筆者基于關(guān)鍵層判別、采動(dòng)裂隙、覆巖應(yīng)變、裂隙角度及數(shù)量, 并結(jié)合礦井通風(fēng)方式, 提出了沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區(qū)的判定方法, 該方法具體分為5步, 如圖10所示。

圖10 沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區(qū)判定方法Fig.10 Determination method of pressure relief gas extraction target area in gob-side entry retaining mining

第1步: 確定采場(chǎng)上方關(guān)鍵層層位。根據(jù)關(guān)鍵層理論, 關(guān)鍵層破斷時(shí), 其上部全部巖層或局部巖層的下沉變形是一致的, 因此確定關(guān)鍵層層位是研究覆巖移動(dòng)的基礎(chǔ)。經(jīng)計(jì)算, 試驗(yàn)工作面的關(guān)鍵層判別結(jié)果見表3。

第2步: 根據(jù)沿空留巷開采走向及傾向覆巖裂隙特征, 結(jié)合采動(dòng)裂隙發(fā)育高度, 初步判定卸壓瓦斯儲(chǔ)集運(yùn)移區(qū)范圍。

第3步: 根據(jù)覆巖應(yīng)變特征, 進(jìn)一步圈定卸壓瓦斯儲(chǔ)集運(yùn)移區(qū), 并針對(duì)覆巖高應(yīng)變區(qū)域內(nèi)的采動(dòng)裂隙角度及數(shù)量作統(tǒng)計(jì)分析。將采動(dòng)裂隙鈍角發(fā)育區(qū)判定為瓦斯運(yùn)移區(qū)、采動(dòng)裂隙銳角發(fā)育區(qū)認(rèn)為是瓦斯儲(chǔ)集區(qū)。

第4步: 根據(jù)關(guān)鍵層理論, 關(guān)鍵層破斷時(shí), 其下方可能存在較大的離層裂隙空間, 結(jié)合第1步關(guān)鍵層層位確定卸壓瓦斯儲(chǔ)集區(qū)。值得注意的是, 若關(guān)鍵層下方僅存在離層裂隙空間, 未產(chǎn)生破斷裂隙使其導(dǎo)通瓦斯, 則認(rèn)為該區(qū)域不屬于儲(chǔ)集區(qū)。

第5步: 確定沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區(qū)。“Y”型通風(fēng)方式下, 采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重, 漏風(fēng)風(fēng)流流經(jīng)采空區(qū), 其內(nèi)解吸的瓦斯通過(guò)漏風(fēng)風(fēng)流的裹攜, 大量涌入采場(chǎng)空間, 并在漏風(fēng)壓差作用下,由于工作面兩側(cè)巷道壓實(shí)不足, 采空區(qū)內(nèi)大量瓦斯涌出, 且低層位切頂側(cè)采動(dòng)裂隙發(fā)育程度高, 區(qū)域內(nèi)瓦斯更易隨漏風(fēng)風(fēng)流涌出。若將抽采鉆孔布置在低層位, 瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)得不到保障。因此,在確定卸壓瓦斯儲(chǔ)集區(qū)、運(yùn)移區(qū)的基礎(chǔ)上, 沿空留巷開采卸壓瓦斯高效抽采區(qū)域判定還應(yīng)綜合考慮瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù), 將抽采鉆孔布置在“采動(dòng)裂隙銳角發(fā)育區(qū)+高瓦斯體積分?jǐn)?shù)”區(qū)域。

根據(jù)上述卸壓瓦斯運(yùn)儲(chǔ)區(qū)及抽采靶區(qū)判定方法, 試驗(yàn)工作面卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)區(qū)寬度在22~27 m,開切眼側(cè)儲(chǔ)運(yùn)區(qū)角度約為58°, 工作面?zhèn)葍?chǔ)運(yùn)區(qū)角度約為60°, 儲(chǔ)運(yùn)區(qū)高度為距煤層頂板61 m。在關(guān)鍵層下方存在卸壓瓦斯儲(chǔ)集區(qū), 隨著工作面推進(jìn),儲(chǔ)集區(qū)被不斷壓實(shí)閉合, 并在關(guān)鍵層下方形成新的儲(chǔ)集區(qū)。雖然主關(guān)鍵層上方存在離層空間, 可為卸壓瓦斯運(yùn)移儲(chǔ)集提供空間位置條件, 但是主關(guān)鍵層上方覆巖未發(fā)生破斷, 因此阻斷了瓦斯向上運(yùn)移的通道。

根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)攜瓦斯有效深度及有效區(qū)域理論[30], 采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流場(chǎng)決定了采空區(qū)漏風(fēng)攜瓦斯能力。由于試驗(yàn)工作面采用“Y”型通風(fēng)方式,導(dǎo)致工作面及尾巷區(qū)域漏風(fēng)嚴(yán)重, 增大了采空區(qū)漏風(fēng)攜瓦斯有效深度。依據(jù)關(guān)鍵層判別結(jié)果, 亞關(guān)鍵層1處于煤層頂板8 m處, 下方為垮落帶, 且受漏風(fēng)影響, 可認(rèn)為不存在瓦斯儲(chǔ)集區(qū)。亞關(guān)鍵層2處于煤層頂板40 m處, 其下方存在較大離層空間, 根據(jù)圖9統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果, 該區(qū)域內(nèi)離層裂隙、破斷裂隙較多, 是卸壓瓦斯儲(chǔ)集區(qū)。主關(guān)鍵層距煤層較遠(yuǎn),對(duì)該層位進(jìn)行鉆孔抽采, 瓦斯治理效果較小。因此, 試驗(yàn)工作面高效抽采區(qū)域處于距煤層頂板40 m, 距輔運(yùn)巷主幫煤壁25~50 m處。實(shí)際生產(chǎn)中,僅對(duì)最佳區(qū)域進(jìn)行抽采是不合理的[31], 主要原因是同一工作面受開采技術(shù)條件和地質(zhì)條件影響, 瓦斯高效抽采區(qū)域存在一定的差異, 且同一區(qū)域布置大量鉆孔, 鉆孔施工過(guò)程中易發(fā)生串孔現(xiàn)象, 影響瓦斯抽采效果。因此, 試驗(yàn)工作面抽采靶區(qū)確定為與煤層頂板垂距30~46 m、與輔運(yùn)巷平距30~55 m的區(qū)域。

3.2 卸壓瓦斯抽采鉆孔布置

依據(jù)試驗(yàn)工作面抽采靶區(qū)位置, 此次長(zhǎng)距離大孔徑高位鉆孔鉆場(chǎng)布置在輔助運(yùn)輸巷, 每個(gè)鉆場(chǎng)施工鉆孔9個(gè), 孔徑均為120 mm, 鉆孔由套管孔段、定向造斜段和定向穩(wěn)斜段等組成。鉆孔定向穩(wěn)斜段水平面布置于距試驗(yàn)工作面輔助運(yùn)輸巷主幫30~55 m處, 剖面位于煤層以上30~46 m的頂板裂隙帶內(nèi), 鉆孔布置參數(shù)見表5。

表5 高位定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)Table 5 High directional long borehole layout parameter table

3.3 抽采效果分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù), 分析得到試驗(yàn)工作面高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖11所示。高位定向長(zhǎng)鉆孔在抽采過(guò)程中, 不同層位鉆孔抽采體積分?jǐn)?shù)存在一定差異, 從各個(gè)鉆孔抽采體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)可知, 伴隨著工作面的推進(jìn), 裂隙帶在頂板周期來(lái)壓的不斷影響下, 不斷重復(fù)壓實(shí)與形成的變化過(guò)程, 瓦斯儲(chǔ)運(yùn)通道也在不斷閉合與重構(gòu),造成鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)的上下波動(dòng)。將其大致分為3個(gè)階段: 抽采初期低位波動(dòng)、抽采中期高位波動(dòng)緩降、抽采末期快速衰減。

圖11 不同鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)Fig.11 Gas extraction volume fraction of different boreholes

鉆場(chǎng)開始抽采后, 2023–09–16(此時(shí)鉆場(chǎng)距工作面334 m)之前, 瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)整體較小, 均低于20%, 表明此時(shí)采動(dòng)覆巖裂隙在鉆孔終孔位置未發(fā)育, 處于抽采初期低位波動(dòng)階段。隨著工作面持續(xù)推進(jìn), 鉆場(chǎng)進(jìn)入工作面超前334 m范圍內(nèi), 定向長(zhǎng)鉆孔終孔位置處于瓦斯儲(chǔ)集區(qū), 瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)大幅提升, 最高達(dá)71.4%, 之后波動(dòng)下降, 在0.4%~15.2%之間。2023–10–12(此時(shí)鉆場(chǎng)距工作面74 m)之后, 瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)持續(xù)下降, 最終在距工作面17 m時(shí), 關(guān)閉鉆孔抽采系統(tǒng)。抽采期間采場(chǎng)空間瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在0.5%以下, 整體瓦斯抽采效果良好, 證明高位定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)具有合理性。

4 結(jié) 論

(1)隨著覆巖周期破斷, 采動(dòng)裂隙形態(tài)及覆巖應(yīng)變分布形態(tài)呈躍進(jìn)態(tài)勢(shì)向上發(fā)展, 裂隙帶最大發(fā)育高度為61 m。不同區(qū)域采動(dòng)離層裂隙角度集中在0°~10°, 豎向破斷裂隙區(qū)角度主要集中在80°~120°,上覆巖層距煤層距離越遠(yuǎn), 裂隙數(shù)量越少, 離層裂隙占比逐漸增大, 瓦斯向上運(yùn)移能力減弱。

(2)低層位覆巖受切頂影響, 易發(fā)生破斷垮落,切頂側(cè)覆巖裂隙較為發(fā)育, 在高層位覆巖區(qū)域內(nèi)未切頂側(cè)覆巖裂隙較為發(fā)育。切頂側(cè)主關(guān)鍵層下方離層裂隙寬度為0.27 m, 非切頂側(cè)為0.32 m, 切頂側(cè)與非切頂側(cè)裂隙發(fā)育高度相同。

(3)基于關(guān)鍵層判別、采動(dòng)裂隙角度及數(shù)量、覆巖應(yīng)變特征等, 結(jié)合通風(fēng)方式, 提出沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區(qū)判定方法, 將抽采鉆孔布置在“采動(dòng)裂隙銳角發(fā)育區(qū)+高瓦斯體積分?jǐn)?shù)”區(qū)域,判定得出試驗(yàn)工作面抽采靶區(qū)為與煤層頂板垂距30~46 m、與輔運(yùn)巷平距30~55 m的區(qū)域。

(4)將高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采可劃分為3個(gè)階段:抽采初期低位波動(dòng)、抽采中期高位波動(dòng)緩降、抽采末期快速衰減。卸壓瓦斯整體抽采效果良好, 證明高位定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)具有合理性, 驗(yàn)證了沿空留巷開采卸壓瓦斯抽采靶區(qū)判定方法的準(zhǔn)確性。