高瓦斯薄煤层采动裂隙演化规律及瓦斯抽采技术

殷帅峰，程志恒，2，浦仕江，陈 亮，李春元

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 101601；2.华北科技学院 智能化无人开采研究所，北京 101601；3.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；4.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；5.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院 ，北京 100083)

煤矿瓦斯灾害一直是制约煤矿生产安全的重大灾害之一，近年来在众多煤矿事故中瓦斯是致死率最高的事故类型[1-3]。鸡西矿区主要开采中生代上侏罗纪鸡西群城子河煤组。开采深度在600～900m，煤层上覆岩层主要为砂岩和泥岩，底板主要为泥岩和泥岩夹煤，多为薄及中厚煤层，地质构造复杂。全区共有14个采煤工作面，绝对瓦斯涌出量超过5m3/min的就有10个，其中17个掘进工作面有两个绝对瓦斯涌出量超3m3/min，且渗透率为0.0001～0.0004mD。矿井瓦斯涌出量大，且煤层透气性差，进行地面及本层预抽难以得到明显效果，因此利用采动卸压作用抽放瓦斯就成了治理瓦斯的主要途径。

其中利用顶板高位钻场、巷道抽采裂隙带瓦斯控制工作面及采空区瓦斯的措施，取得了良好应用效果[4]。针对工作面顶板采动裂隙发育规律，国内学者进行大量的研究逐渐形成了一套采动裂隙场发育理论，其中包括钱鸣高院士基于对工作面上覆岩层裂隙发育进行长期研究，总结发育规律，最终提出了以“O”形圈分布的采动裂隙理论[5，6]；刘天泉院士通过对工作面采场岩层的破坏特征及范围的进行了大量监测与实验研究，提出了“上三带”分布理论[7，8]；李树刚等通过对厚煤层综放工作面进行了大量研究，在我国首次提出了破断、离层岩层裂隙在空间上呈现“椭抛带动态分布特征”等理论[9]，并随后确定了在该“椭抛带”内瓦斯具体的渗流方式[10]；谢和平院士通过将分形维数理论与采动裂隙场发育特征相结合，开辟该领域研究的新方法[11，12]；袁亮院士等针对低透气性煤层瓦斯难抽的难题，提出了针对该地质条件下新型瓦斯抽采技术，完善了煤层瓦斯抽采理论[13-15]；蒋曙光等通过现场监测瓦斯流动特征，建立了采场瓦斯流动的三维模型，并将其应用于指导现场生产[16，17]；张东明等通过建立瓦斯流动的数学模型，为分析和预测上隅角瓦斯浓度提供了理论依据[18]；李宗翔等重点研究了利用数值模拟解决上隅角瓦斯积聚参数确定的问题[19]；胡千庭等采用了CFD数值模拟软件研究了采场瓦斯流动的规律，证实了该研究方法的可行性，丰富了模拟瓦斯流动的研究方法[20]；还有程志恒等针对近距离煤层群条件下的采动裂隙进行了研究，得到了瓦斯抽采的最佳范围[21]，但以上研究多针对中厚煤层开采，而针对薄煤层开采的研究较少。基于此，笔者以鸡西矿区杏花矿薄煤层工作面为研究对象，通过理论计算以及数值模拟相结合的方法，研究薄煤层采动过程中顶板覆岩裂隙的发育规律对瓦斯抽采工程设计具有现实意义。

1 工程概况

杏花矿西二采区28#煤层顶部为27#煤层，下部为30#煤层和31#煤层。右二工作面走向长度为560m，倾斜长度为200m，平均煤厚为1.2m，煤层倾角为8m，可采储量为28万t。工作面瓦斯涌出量较大，配风1800m3/min，绝对涌出量为70m3/min，相对涌出量51m3/t。据现场实测资料得知，在开采28#煤层时，28#煤层上部的27#煤层瓦斯涌出量为15m3/min，30#、31#煤层的瓦斯涌出量为25m3/min，邻近层瓦斯涌出量占比57%，有专用的排瓦斯巷。28#煤层右一工作面采用高位轴放尾巷及采空区预留高位钻场，在工作面回采时形成了控制半径小、利用率低的问题，无法实际解决瓦斯超限问题。而采用顶板抽采措施可减小工作面瓦斯含量，因此确定工作面顶板采动裂隙发育范围、找出瓦斯富集规律，成为抽采工程的首要问题。

2 顶板裂隙带高度计算及理论分析

冒落带、裂隙带和弯曲下沉带合称“三带”，是由工作面推进后采空区顶板垮落形成的[6]。冒落带内岩石垮落成块状，此时岩块之间排列无序且间隙较大，大量瓦斯与空气混合，因此此带内瓦斯浓度相对较低。裂隙带在冒落带上方，在冒落带的岩块支撑作用下，此带内破断的岩块相对较整齐的排列，瓦斯密度比空气小在空气的上方，采空区的瓦斯就会沿着岩块形成的顺层及穿层裂隙中运移、富集。因此，裂隙带中的瓦斯浓度高，含量大，将抽采工程布置在此带内更容易解决实际问题。对于覆岩破坏高度的观测，我国学者进行了大量的研究工作，在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中就总结归纳了普采和综采工作面的两带高度计算公式。随着开采强度的增大，越来越多的煤层条件的经验公式被总结归纳，但到目前为止，近距离煤层群开采的覆岩破坏高度的实测成果依旧较少，仍采用建立在大量实测基础上的经验公式计算垮落带和裂隙带的高度。工作面顶板裂隙带高度计算入下[9]：

1)冒落带高度：

H1=M/[(K-1)cosα](1)

式中，H1为垂直于煤层冒落带高度，m；M为煤层采厚，取1.2m；K为冒落带岩石膨胀系数，取1.2；α为煤层倾角，8°。

将数据带入公式，得冒落带高度为6.06m。

2)裂隙带高度：

H2=100M/(1.6M+3.6)±5.6(2)

式中，H2为裂隙带沿煤层法线方向上的高度，m；M为开采煤层厚度，1.2m。

计算得裂隙带高度为16.14～27.34m。

3 顶板采动裂隙发育规律数值模拟

采用离散元软件UDEC分析杏花西二采区28#煤层右二工作面采空区顶板裂隙发育规律。根据工作面地质条件建立数值模形长160m，高100m，为消除边界影响两侧各预留30m边界，左右边界固定水平方向位移，下边界固定水平、竖直方向位移，上边界施加垂直载荷8.75MPa。模拟采用的煤岩力学参数见表1。数值模型如图1所示。

表1 计算采用岩体力学参数

图1 数值模拟模形

数值模拟结果如图2所示，由图2可知当工作面推进20m时直接顶发生初次垮落，冒落高度3.5m，27#煤层同时发生弯曲断裂煤体内部产生大量穿层裂隙，使瓦斯得以解吸。而上部的老顶岩层中主要以顺层裂隙为主；推进30m时老顶发生初次断裂，使下部的27#煤层落入采空区，冒落带高度8m，上部的老顶2只发生弯曲下沉与老顶1间形成较大的缝隙；推进60m时老顶2下沉触矸，中部形成倒“V”形穿层裂隙，两端则为“V”形裂隙，此时老顶3尚未下沉只在两端发育较多的“V”形裂隙，使得老顶2老顶3 层间形成较大离层裂缝；推进80m时老顶3下沉触矸，老顶3的下沉不仅使本层中部产生倒“V”形穿层裂隙，两端产生“V”形穿层裂隙，而且使得上部亚关键层1及更上位岩层产生非贯通形的穿层裂隙，并在两层间产生较大离层缝隙。同时老顶3的触矸使下位岩层的中部裂隙被压实闭合；推进100m时亚关键层1下沉触矸，其下沉一方面导致上部至亚关键层2之间岩层的整体弯曲下沉并发育较多的非贯通形穿层裂隙及顺层裂隙，另一方面使下部采空区中的岩层裂隙进一步被压实裂隙闭合[10]。

图2 沿工作面走向顶板裂隙发育规律

由于工作面长高比很大，采空区中部冒落带岩块能被充分压实，因此倾斜长度变化对覆岩裂隙发育范围影响较小，且工作面倾角仅为8°，因此将工作面沿倾斜方向的模型建为水平，长度100m。模拟发现顶板裂隙的发育规律与走向大致相同，在工作面上下巷20m左右范围内穿层裂隙及顺层裂隙较发育，中部裂隙被压实闭合。亚关键层1只发生弯曲下沉，其本层及亚关键层2之间岩层只发育非贯通形穿层、顺层裂隙，并与亚关键层2之间形成较大的离层裂隙，如图3所示。

图3 沿工作面倾斜方向顶板裂隙发育规律

数值模拟过程表明，薄煤层工作面覆岩冒落带高度为8.0m，冒落裂隙带总高度为24m。薄煤层工作面顶板采动裂隙发育过程大致可分为两个阶段：即亚关键层1触矸前，随工作面推进老顶岩层不断向上断裂下沉，穿层、顺层裂隙不断向上发展，且以中部倒“V”形，两端 “V”形为主，中部岩层以竖直位移为主，两端岩层以水平位移为主；亚关键层1弯曲触矸后，由于亚关键层处于弯曲下沉带，其本层内只发育较多的非贯通形穿层裂隙及顺层裂隙。亚关键层的弯曲下沉一方面导致了上部至关键层2之间岩层的整体下沉，并发育较多非贯通裂隙，另一方面将下部采空区中部岩层的裂隙压实闭合。顶板岩层沿工作面走向及倾向大致可以分为3个区域即工作面端头附近20m左右范围内，及开切眼15m左右范围内的穿层、顺层裂隙发育区，采空区中部的裂隙压实区。沿倾斜方向上下巷20m左右范围内的裂隙发育区和采空区中部的压实区。

薄煤层工作面顶板采动裂隙分布特征仍呈“O”形特征，但由于煤层厚度小，岩层垮落高度小，中部裂隙更易被压实，因此沿走向两端及倾斜两端的裂隙发育区宽度变小，即薄煤层顶板环形裂隙圈的宽度较窄仅为20m左右。另一方面薄煤层开采只能使亚关键层1弯曲下沉，不能导致其及上位岩层产生贯通型穿层裂隙，即亚关键层1阻隔了穿层裂隙向更上部的发展，使瓦斯运移富集通道被阻隔。因此可将此层设定为标志层并沿其下部布置瓦斯抽采工程。

4 瓦斯抽采技术

由理论计算及数值模拟表明本工作面裂隙带发育高度为24m左右，裂隙带发育宽度距工作面上下两巷大致为20m左右。因此应将抽采钻孔、巷道布置在此范围内。

高位抽放尾巷及采空区预留高位钻场在该工作面控制半径小、利用率低，而该工作面瓦斯涌出量较大，在28#层右一工作面回采时，难以控制工作面瓦斯。因此，将高位抽放尾巷替换为高抽巷，能够控制工作面上部27#煤层及本层的瓦斯。该高抽巷距离28#煤层顶板20m，距回风巷水平距离20m，并平行于回风巷，巷道断面面积为6m2，采用锚杆支护。因为工作面长度有200m，整个工作面涌出的瓦斯高抽巷难以全部控制，所以需要在工作面的回风巷中布置高位钻场，每隔120m布置一个，每个钻场内布置6～8个近水平钻孔，钻孔长度为150～180m，呈水平扇形布置，以增加高抽巷的控制面积。布置图如图4所示。随机抽取布置日期相同的新钻孔并对钻孔瓦斯浓度进行监测，编号为1#-2#、2#-3#、3#-5#，与之前钻孔1#-1#、2#-1#瓦斯抽采浓度比较，并对高抽巷、高位钻孔抽采量与工作面推进距离的关系进行统计，如图5、图6所示。

图4 瓦斯抽采工程布置图

图5、图6为不同钻孔瓦斯抽采浓度的对比情况及新钻孔在高抽巷、高位钻孔瓦斯抽采流量与工作面累计进尺的关系，由图中可以看出，在新布置钻孔中，整体瓦斯抽采浓度大约在38%～58%之间，而旧钻孔整体瓦斯抽采浓度大约在10%～25%之间，瓦斯平均抽采效率提高了两倍以上；同时随着工作面累计进尺距离的增加，其瓦斯在高抽巷及高位钻孔中的抽采量平均都在33m3/min以上。工作面及回风巷瓦斯浓度符合实际工程施工要求，保证了安全的生产环境，大大提高了矿井安全生产能力。

图5 不同钻孔瓦斯抽采浓度情况

图6 瓦斯总抽采纯流量与工作面推进距离的关系

5 结 论

1)依据鸡西杏花矿薄煤层工作面地质条件，通过理论计算及数值模拟分析了顶板岩层采动裂隙发育规律，分析表明薄煤层顶板裂隙发育特征仍然呈“O”形圈特征，但由于冒落带高度小在顶板岩层作用下采空区中部压实区域变大，工作面走向及倾向两端裂隙发育区范围变小即所形成的环形裂隙圈的宽度变窄仅为20m左右。

2)薄煤层采动过程中不能导致亚关键层的破断，只能使其弯曲下沉，使得亚关键层及其以上岩层不能发育贯通形裂隙。因此亚关键层就成为瓦斯运移富集的标志层，瓦斯抽采工程应沿亚关键层以下布置。

3)将文中的高瓦斯薄煤层采动裂隙演化规律应用于指导现场瓦斯抽采工程的布置位置方案的设计，现场采取了顶板抽采巷道及高位近水平钻场结合抽采方案，并对工作面钻场瓦斯的抽采效果进行监测，整体瓦斯抽采浓度大约在38%～58%之间，瓦斯平均抽采效率提高了2倍以上，同时随着工作面累计进尺距离的增加，其瓦斯在高抽巷及高位钻孔中的抽采量平均都在33m3/min以上，此抽采方式大大降低了工作面及回风巷的瓦斯浓度，保证了安全的生产环境，提高了矿井生产能力