近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采模式探究*
2021-12-17冯康武
胡 杰，冯康武，孙 臣，陈 渝
(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.四川达竹煤电(集团)有限责任公司，四川 达州 635000)
0 引言
随着矿井机械化程度及开采能力的不断提升，采掘速度及功效有了大幅提高[1-3]。另一方面，在矿井高效掘进及回采过程中，对于瓦斯有效治理及动力灾害精准防治又提出了更高的要求[4-5]。实践证明：开采保护层是防治突出的1种经济实用的卸压措施[6-7]，保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采已成为我国煤矿优先推广的1种区域瓦斯治灾技术[8-9]，同时在保护层开采首采层选择论证方面也形成了较为完善的方法体系,刘志伟建立了突出煤层群首采层选择方法并在现场成功应用[10]；王中华等提出了深部远距离煤层群首采层优选方法[11]。但对于采用上保护层开采的近距离薄煤层群而言，由于近距离被保护层卸压充分，卸压瓦斯沿着煤岩体中的裂隙向保护层工作面空间内运移流动，同时由于首采薄煤层通风空间小、通风能力有限，极易导致保护层工作面瓦斯超限，并形成重大的安全隐患；另外，卸压效果随着距离的增大而逐渐变差，较远距离的煤层卸压瓦斯对工作面瓦斯涌出影响如何尚不清楚，因此，更具针对性的治理邻近煤层群卸压瓦斯是在薄煤层群保护层开采过程中亟待解决的问题。针对以上情况，采用数值计算研究下覆煤层群卸压瓦斯运移规律，提出“近场+远场”的卸压瓦斯抽采模式，并以川南煤田近距离突出煤层群的典型代表新维煤矿为试验地点进行瓦斯抽采模式的现场考察。
1 卸压瓦斯三维渗流模型
被保护层的煤体在采动前处于三向受力状态，随着上覆保护层采动影响，煤岩体所受应力状态发生改变，煤岩体内裂隙会发生膨胀或收缩变形[12-13]，如图1所示。当竖直方向应力σz减小时，xoy平面水平方向裂隙会发生膨胀扩张，瓦斯沿水平方向的流动变得容易；当竖直方向应力σz增大时，xoy水平面内沿水平方向裂隙会发生收缩闭合，造成瓦斯难以运移流动。因此，应力的变化决定了煤岩体渗透率的变化。
图1 煤体中水平裂隙随应力变化规律Fig.1 Change laws of horizontal fissure in coal body with stress
研究表明[14-15]，裂隙的闭合或扩展受到正向应力影响，其裂隙承压闭合尺寸与正向应力的关系如式(1)所示：
(1)
式中：σ为正向应力，MPa；k0为裂隙初始刚度，N/m；δ为裂隙闭合尺寸，m；δm为裂隙最大闭合尺寸，即裂隙破坏前的极限宽度，m；b为定义裂隙宽度，m；则b=δm-δ对于单个裂隙来说，其渗透率k与其裂隙宽度的平方成正比，见式(2)[13,16]：
(2)
将式(1)代入式(2)中，得式(3)：
(3)
式中：σ0=k0δm，为初始正应力，MPa。
(4)
根据式(4)，初始应力状态下，σ=σ0，kf取值为0.25，当0
(5)
式中：kxoy，kxoz，kyoz分别为沿xoy，xoz，yoz平面的无量纲渗透率；σx，σy，σz分别为沿x，y，z方向的地应力，MPa；σxo，σyo，σzo分别为x，y，z方向的初始地应力，MPa。
可根据三维渗流模型了解不同层位的被保护层内卸压瓦斯的渗流特征，进而对卸压瓦斯的抽采提供理论指导。
2 数值计算及结果分析
2.1 工程背景
川南煤田具有近距离薄煤层群开采、构造复杂、高应力、低透气性、高变质、高瓦斯含量的特点，以川煤芙蓉公司新维煤矿作试验矿井开展研究。矿井含煤地层为二叠系上统宣威组(P2x)，平均总厚141 m，含煤十余层，煤层平均总厚为8 m，其中可采煤层有4层，从上至下编号为C2,C3,C7,C8号煤层，可采煤层平均总厚6.74 m。其中C7,C8煤层为突出煤层，煤层瓦斯压力大，瓦斯含量高。C2,C3煤层层间距平均6.2 m；C3,C7煤层层间距平均15.66 m，C7,C8煤层层间距平均6.31 m，煤系综合柱状如图2所示。经论证首采C2煤层作为上保护层开采，平均厚度仅1.09 m，实际开采过程中邻近层瓦斯涌出量大，本煤层瓦斯治理采掘空间狭小，瓦斯超限频繁。
图2 煤系综合柱状Fig.2 Comprehensive histogram of coal-series
2.2 数值计算
保护层开采过程中，对于围岩应力、渗透率等参数的现场测试工作周期长，成本高、测量误差大。本文借助Flac3D模拟软件，主要对保护层开采过程中采场渗透率沿纵向分布规律进行研究，为上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采模式奠定理论基础。
基于卸压瓦斯三维渗流模型，通过内置Fish语言编辑模型单元体的变量参数，实现软件对无量纲渗透率k的迭代计算和监测。选取塑性模型组中的应变软化模型为本构关系，以新维煤矿实测的煤岩强度参数给模型赋值，见表1。
表1 模型物理力学参数赋值Table 1 Assignment on physical and mechanical parameters of model
结合新维煤矿开拓开采的一盘区地质状况建立模型，设定长、宽、高依次为360,320,120 m，模型顶部采用14.5 MPa的压力边界，其余面均为滚支边界，模型底部平面初始竖直应力为17.5 MPa，水平应力分别为20.5 MPa和15.5 MPa，由于一盘区煤层倾角较小，近似作水平煤层处理，模型网格划分如图3所示。首先在新维煤矿一盘区上方厚度为1 m的C2号薄煤层中施工机巷、风巷及切眼。设定x轴为回采方向，y轴为工作面倾向方向，纵向为z轴方向，如图4所示。随后以2 m回采长度分步回采C2号煤层，工作面宽度160 m，即在y轴方向的-80～80 m，由x轴方向的100 m开始向-100 m回采，进行运算。
图3 数值计算模型网格划分Fig.3 Meshing of numerical calculation model
图4 模型三维透视Fig.4 Three-dimensional perspective of model
2.3 采场渗透率沿纵向分布规律研究
为研究采场渗透率沿纵向分布规律，得到不同位置的被保护层卸压瓦斯运移流动规律，按照如图5所示的参考点提取数据，采空区内不同高度的三向无量纲渗透率变化情况如图6所示。
图5 采场渗透率纵向分布数据提取位置Fig.5 Extraction location for longitudinal distribution data of stope permeability
图6 采空区内竖直方向渗透率分布规律Fig.6 Distribution laws of permeability in vertical direction in goaf
由图6可知，三向渗透率分布总体上表现为：距离保护层越近渗透率越大，反之渗透率越小。保护层下方22 m范围内，三向无量纲渗透率值均大于0.25，说明该范围内煤岩体三向应力值均较低，水平和竖直方向上裂隙间相互沟通形成裂隙网，瓦斯能够沿着xoy，xoz，yoz3个平面在三维空间内自由流动，在自身压力梯度下向低压区域运移。保护层下方22 m之外，仅有沿xoy平面的无量纲渗透率仍大于0.25，xoz，yoz平面内无量纲渗透率逐渐减小至接近于原始值0.25，即该区域内竖直方向裂隙基本不发生膨胀变形，瓦斯基本沿xoy平面在水平方向上流动，在纵向上流动较为困难。当达到一定间距后，深部煤岩体不受保护层采动影响处于原始应力带，该区域内裂隙基本处于承压闭合状态，瓦斯在任一方向上流动都较困难。
因此，根据采场渗透率沿纵向分布规律将下覆围岩体分为3个渗流区：三维增渗区、水平增渗区及原始渗透区。结合新维煤矿煤层群层位关系：首采层C2号煤层开采后，C3号煤层处于三维增渗区，C7，C8号煤层处于水平增渗区。根据不同层位被保护层卸压瓦斯渗流规律的差异，将被保护层卸压瓦斯运移分为“近场(三维增渗区)”和“远场(水平增渗区)”2个部分，如图7所示。
图7 卸压瓦斯“近场+远场”运移流动规律Fig.7 “Near-field and far-field” migration and flow laws of pressure-relief gas
3 卸压瓦斯抽采模式及现场试验
3.1 卸压瓦斯抽采模式建立
由图7可知，C3号煤层卸压后卸压瓦斯能够在自身压力梯度作用下进入C2号煤层工作面和采空区；C7，C8号煤层卸压后大量的卸压瓦斯仍积聚在本煤层中，基于此建立“近场大直径定向钻孔全覆盖抽采与远场穿层钻孔层间卸压抽采结合”的卸压瓦斯的抽采模式，如图8所示。
图8 “近场+远场”卸压瓦斯定向高效抽采模式Fig.8 “Near-field and far-field” directional high-efficiency drainage mode of pressure-relief gas
1)近场大直径定向钻孔全覆盖抽采：近场被保护层卸压瓦斯富集区主要集中在保护层工作面、采空区及上隅角等位置，极易造成工作面回采期间瓦斯超限，因此，对近场卸压瓦斯的治理主要在于定向拦截抽采。
2)远场穿层钻孔层间卸压抽采：远场被保护层卸压瓦斯富集区主要集中在本煤层中，加之深部煤层突出危险灾害程度较重，对其卸压瓦斯的治理主要在于预抽消突。
3.2 现场试验考察
以新维煤矿一盘区2108回采工作面为地点开展保护层开采期间邻近层卸压瓦斯抽采模式试验。在一盘区C9号底抽巷揭露C3号煤层石门钻场处，采用定向钻机从煤层底板开孔，沿工作面回采方向布置2组C3煤层定向长钻孔，每组5个钻孔，控制回采方向300 m范围，孔径120 mm，钻孔竣工平面如图9所示，1-1号钻孔布置在工作面巷道内侧27 m，1-5号钻孔布置工作面巷道内侧15 m。在一盘区C9号底抽巷分组布置C7，C8号煤层底板穿层钻孔，组间距8 m，每组21个钻孔，终孔间距8 m，钻孔布置如图10所示。
图10 远场C7，C8煤层穿层抽采钻孔布置Fig.10 Layout of cross-layer drainage boreholes for far-field C7 and C8 coal seams
3.2.1 定向长钻孔抽采效果
将C3煤层定向长钻孔中1-1～1-3号钻孔设定为第1组；1-4，1-5号钻孔设定为第2组；2-1～2-3号钻孔设定为第3组；2-4，2-5号钻孔设定为第4组；分组连接管路进行抽采。由图9可知，第1组和第2组钻孔终孔在前，第3组和第4组钻孔终孔位置在后侧区段内。钻孔负压为18～20 kPa，对卸压瓦斯抽采浓度、纯流量与钻孔距2108工作面距离等参数进行定期观测，分别得到抽采浓度、抽采纯流量与距离工作面距离关系，如图11，12所示。
图9 近场C3煤层定向抽采钻孔平面Fig.9 Plane of directional drainage borehole for near-field C3 coal seam
由图11～12可知，卸压瓦斯抽采效果与2108回采工作面的回采位置密切相关，在工作面未推进前，钻孔的浓度、纯流量较低；随着工作面的回采，第1组和第2组的钻孔瓦斯抽采浓度由30%～40%增大到80%左右，纯流量由0.3～0.5 m3/min增大到1.5～2.2 m3/min，而第3组和第4组钻孔此时距离工作面较远，浓度和纯量基本不变。由于钻孔沿回采方向布置，随着工作面的推进，钻孔抽采浓度始终保持较高的水平。当工作面推进超过300 m后，第3，4组钻孔抽采浓度和纯流量增大，同样出现类似规律。因此，定向钻孔对近场卸压瓦斯起到了定向拦截作用。
图11 C3煤层定向钻孔瓦斯抽采浓度曲线Fig.11 Concentration curves of gas drainage by directional boreholes in C3 coal seam
图12 C3煤层定向钻孔瓦斯抽采纯量曲线Fig.12 Pure flow curves of gas drainage by directional boreholes in C3 coal seam
3.2.2 穿层钻孔抽采效果
在一盘区C9号底抽巷中随机选取1组穿层钻孔，观测其抽采浓度、抽采纯流量与2108工作面距离关系变化，如图13所示。
图13 C7，C8煤层穿层钻孔瓦斯抽采浓度及纯流量曲线Fig.13 Concentration and pure flow curves of gas drainage by cross-layer boreholes in C7 and C8 coal seams
由图13可知，C7，C8煤层穿层钻孔瓦斯抽采浓度和纯流量与C3煤层类似，在工作面前5 m外，未受到采动卸压保护作用，钻孔抽采浓度约为20%；工作面前5～70 m范围内，抽采浓度和纯流量都有明显的提高，最高达到90%；随着工作面继续推进，采空区压实，煤层渗透率逐渐衰减，抽采浓度和纯流量逐渐降低并趋于稳定。
3.2.3 工作面瓦斯涌出量对比
对比2108和2106工作面在回采期间工作面回风瓦斯平均浓度和绝对瓦斯涌出量，如图14所示。采取“近场+远场”定向高效抽采技术后，2108工作面的回风瓦斯平均浓度约为0.5%，较2106工作面的0.9%下降了约44.4%；2108工作面绝对瓦斯涌出量为7.3 m3/min，较2106工作面的15.3 m3/min下降了52.3%。因此，本文所建立的“近场大直径定向钻孔全覆盖抽采与远场穿层钻孔层间卸压抽采结合”的抽采模式，实现了上保护层开采期间邻近层卸压瓦斯的高效治理。
图14 工作面回风瓦斯浓度与绝对涌出量对比Fig.14 Comparison on concentration and absolute emission amount of return air gas from working face
4 结论
1)基于煤岩体峰前“应力-裂隙-渗透率”间关系，研究煤岩体在三向受力状态下的无量纲渗透率k值变化与卸压瓦斯流动规律间的演化关系，并建立卸压瓦斯三维渗流模型。
2)以新维煤矿为工程背景采用数值计算方法，得出采场渗透率沿纵向分布规律，将首采C2煤层下覆围岩体划分为三维增渗区、水平增渗区及原始渗透区，确立首采层C2煤层开采后，C3煤层处于三维增渗区，C7，C8号煤层处于水平增渗区。
3)提出一套“近场定向钻孔全覆盖抽采与远场穿层钻孔层间卸压抽采结合”的卸压瓦斯治理技术模式。现场试验表明，该模式能显著提高卸压瓦斯的抽采效果，2108回采工作面回风瓦斯浓度降低44.4%，绝对瓦斯涌出量降低52.3%，可实现保护层回采期间瓦斯的针对性高效治理。
