煤层群条件下高抽巷合理层位布置的数值模拟研究

2021-03-01张慧杰贾恒义郝秀明

山西焦煤科技 2021年12期

李忠，张慧杰，贾恒义，郝秀明，孟涛

(1.晋能控股煤业集团兴峪煤业有限责任公司，山西阳泉 045100； 2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京 100013； 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院) 北京 100013)

高瓦斯煤层群赋存条件的煤层回采时，邻近层卸压瓦斯易涌入采空区，造成回采工作面瓦斯超限，威胁煤矿的安全生产[1]. 现有采空区瓦斯抽采方法较多，如采空区埋管抽采瓦斯、高位钻孔抽采瓦斯、留尾巷抽采瓦斯、高抽巷抽采瓦斯等，其中高抽巷具有抽采时间长、辐射半径大、抽采效果好等优点，在采空区瓦斯抽采中应用广泛[2-3]. 高抽巷抽采瓦斯技术是将高抽巷布置在顶板裂隙带内，邻近层瓦斯在负压作用下通过采动裂隙进入高抽巷并被抽出。显然，合理确定高抽巷的位置对于提高瓦斯抽采效果、延长高抽巷使用时间及减少高抽巷工程量都具有重要意义。

学者们针对高抽巷的布置形式及层位开展了大量的研究。周华东等[4]研究了综采工作面初采期局部高抽巷的瓦斯治理效果，提出局部高抽巷分为初采倾向高抽巷段、走向高抽巷段和辅助倾斜高抽巷段3段。王红胜等[5]研究了外错高抽巷布置方式，实现一条高抽巷服务于相邻两工作面、提高高抽巷利用效率的目的。肖峻峰等[6]采用非线性大变形程序数值模拟了采空区顶板覆岩应力分布及裂隙演化规律，提出走向高抽巷应布置在采空区顶板裂隙带的中上部。陈远峰等[7]利用FLAC3D研究了高抽巷顶底板、两帮的相对移近量，获得了高抽巷的变形破坏规律，在此基础上优化了高抽巷的空间分布。林海飞等[8]构建了走向高抽巷条件下的采空区瓦斯运移模型，模拟了高抽巷与回风巷不同平距、与煤层顶板不同垂距条件下的采空区瓦斯抽采效果。肖峻峰等[9]研究了近距离高瓦斯煤层群倾向高抽巷的优化布置问题，得出倾向高抽巷最佳布置位置在竖直方向上15倍采高、水平方向深入工作面约35 m处。张慧杰等[10]提出了基于岩层控制关键层理论确定走向高抽巷合理层位的方法，并提出由沿倾向的煤层卸压角和采空区上方“O”形圈的宽度可确定走向高抽巷的水平位置。

本文基于兴峪煤矿煤岩赋存及开采条件，利用FLAC3D模拟软件建立数值模型，研究了15号煤层回采后上覆岩层应力、位移及损伤破坏特征，探讨了高抽巷的合理层位，以期为高抽巷布置参数的确定提供借鉴。

1 矿井概况

兴峪煤矿位于山西省盂县城南7.8 km处，石坡峪村东北，行政区划属盂县路家村镇。井田内含煤地层为石炭系上统太原组及二叠系下统山西组，所含煤层由浅至深依次为1、2、3、4、6、8、9、9下、11、12、13和15号煤层。其中8、9号煤层为赋存区大部可采稳定煤层，9下号煤层为不稳定局部可采煤层，15号煤层为全区稳定可采煤层，其余煤层均为不稳定的不可采煤层或薄煤线。

目前,该矿主采15号煤层，该煤层厚6.33～8.90 m，平均7.06 m，上距9下号煤层78.65～95.50 m，平均87.92 m. 2020年度矿井瓦斯等级测定结果表明，矿井绝对瓦斯涌出量为98.62 m3/min，矿井相对瓦斯涌出量为55.23 m3/t. 在回采15号煤层的过程中上覆煤层卸压瓦斯大量涌入采空区，矿井邻近层瓦斯涌出量大。为此，该矿采用走向高抽巷方式治理邻近层瓦斯，高抽巷沿11号煤层顶板布置，与15号煤层顶板的垂直距离在40～60 m.

2 模型构建

根据兴峪煤矿综合柱状图和实际开采情况建立FLAC3D数值模型，模拟工作面回采后上覆岩层的应力及位移变化。模型的长、宽和高(x方向、y方向和z方向)分别为320 m、10 m和160 m，工作面回采宽度为220 m，上覆岩层厚度为100 m，下伏岩层厚度为60 m(含15号煤层厚度)。模型四周及底部采用位移边界条件约束，顶部为自由边界，施加未出现在模型中的上覆岩层的重力载荷Q. 上覆岩层平均容重γ取25 kN/m3，模型顶部距地面距离H′取300 m，计算得到重力载荷Q为7.5 MPa. 模型单元网格划分见图1.

图1 覆岩运移分析模型单元网格图

模型定义材料为Mohr-Coulomb，遵循弹塑性屈服准则，计算过程中考虑大变形，模拟计算所采用的岩体力学参数根据该矿地质资料和实验室测试力学试验结果确定，具体参数见表1.

3 结果及分析

3.1 采动覆岩应力分布特征

图2和图3分别为采动覆岩水平应力和垂向应力分布云图。从图2中可以看出，水平应力分布特征存在明显的“分层”现象，即不同距离上覆岩层水平应力呈现出交替升降的特征，这可能是由于岩体层位的不同导致的采动应力分布差异。从图3中可以看出，在两侧煤柱位置出现了应力集中区，在采空区内部出现了卸压区。采空区中心区域的卸压程度较四周小，这是由于上覆岩层垮落压实采空区中心区域所致。

图2 采动覆岩水平应力分布云图

图3 采动覆岩垂向应力分布云图

为了研究不同距离上覆岩层采动应力分布的差异性，提取了0、20 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m和90 m处上覆岩层的水平应力、垂直应力以及主应力差，见图4，5，6. 从图中可以看出，水平应力、垂直应力及主应力差均受采动影响明显，在顶板上覆岩层水平区域内存在应力集中区和卸压区。随着上覆岩层与15号煤层垂直距离的增加，应力集中区的极值应力不断减小，并且极值点自两侧煤柱位置不断向采空区内部收紧，这种上覆岩层梯形台状应力分布特征将影响裂隙分布。在垂直方向上高抽巷应布置在梯形台的“腰线”位置，且高抽巷布置层位越高，在水平位置上越应该贴近回采工作面中心区域。卸压区主要位于采空区内部核心区域，且随着上覆岩层与15号煤层垂直距离的增加卸压区范围逐渐减小，这也是导致随距离增加保护层开采有效保护范围不断减小的原因。

表1 煤岩层力学参数表

图4 顶板上覆岩层不同水平处的水平应力分布图

图5 顶板上覆岩层不同水平处的垂向应力分布图

3.2 采动覆岩位移规律分析

图7和图8分别为采动覆岩水平位移云图和垂直位移云图。由图可以看出，不同距离上覆岩层水平位移也呈“分层”分布的现象，与水平应力分布特征一致，可以看出应力变化是导致位移发生变化的诱因。垂直位移主要分布在采空区正上方区域，且随着上覆岩层距离的增加位移量不断减小。

图8 采动覆岩垂向位移分布云图

为了研究不同距离上覆岩层位移分布的差异性，提取了0 m、20 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m和90 m处上覆岩层的水平位移和垂直位移，见图9，图10. 由图可以看出，上覆岩层破坏“竖三带”特征明显，距离煤层顶板0～20 m处于垮落带，20～60 m处于裂隙带，60 m以上为弯曲下沉带。另外，远距离上覆岩层的水平位移大于近距离上覆岩层，而垂向位移又小于近距离上覆岩层。表明远距离上覆岩层以水平位移为主，近距离上覆岩层以垂向位移为主，这种位移规律造成了近距离上覆岩层内的穿层裂隙发育和远距离上覆岩层内的顺层裂隙发育现象。顺层裂隙发育区域的瓦斯流动状态主要为层内流动，穿层裂隙发育区域的瓦斯流动状态包含煤岩层间瓦斯越流，因而，为实现采空区卸压瓦斯抽采，高抽巷布设区域宜处于穿层裂隙发育区。

图10 顶板上覆岩层不同水平处的垂向位移分布图

3.3 采动覆岩塑性区分析

图11为采动覆岩塑性区分布云图。由图可知，采空区上方的岩层主要表现为拉伸破坏，而两侧煤柱位置呈现出剪切破坏特征，这与采场应力分布特征密切相关。煤层回采后在采空区正上方形成了卸压区，各项应力均大幅度减小，使得上覆岩层出现拉伸破坏。两侧煤柱位置为应力集中区，显著增大的差应力使得该区域岩层发生剪切破坏。可根据岩层的破坏特征对裂隙发育区进行预测，高抽巷应布设于应力集中区内侧的拉伸破坏区域。