深部煤巷条带近距离底板巷卸压增透模型研究

2022-03-23曹建军

煤炭工程 2022年3期

曹建军

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

随着我国煤矿开采深度的增加，深部煤层透气性进一步降低[1，2]，严重影响了深部煤巷条带瓦斯抽采，出现瓦斯抽采难度大、抽采达标时间长、抽采效率低等问题[3-5]。为此，国内外研究先后提出了水力冲孔、水力压裂、水力割缝、预裂爆破、聚能爆破、CO2预裂爆破等增透技术，这些增透技术可增加煤层透气性，但仍存在一定的不足[6-10]，比如，深孔松动爆破存在工艺复杂，水力压裂存在容易产生局部应力集中，水力割缝存在卸压范围较小等[11-16]。因此，对深部高地应力低透气性煤层卸压增透研究，是实现煤层高效抽采、有效防突的迫切需要。

近年来，国内外学者通过现场调查、理论分析、实验室实验、数值模拟等方法对深部开挖围岩破坏特征进行了大量研究[17-20]，发现深部巷道围岩会出现分区破裂化现象[21，22]，且研究表明深部巷道围岩分区破裂的破坏范围远大于浅部。从巷道围岩控制的角度应尽量降低围岩破坏变形，而从深部煤层增透的角度，深部围岩的分区破裂化特征，不仅降低了煤岩层的地应力，而且增大了煤层的透气性。因此，笔者提出利用深部巷道围岩的分区破裂现象，将待掘煤巷布置在底板岩巷分区破裂的卸压影响范围内，提前对上覆煤岩层地应力进行卸压，降低地应力、增加煤层透气性，如果有部分区域卸压增透效果不佳，补充采用水力化技术，使煤层中的煤体在高压水作用下得以破裂、产生瓦斯通道，从而实现提高煤层的透气性、增加抽采效果的目的。

1 深部巷道围岩卸压增透机制分析

1.1 含瓦斯煤卸荷渗流实验

实验采用稳态法测试长方体标准型煤试件(100mm×100mm×200mm)的卸荷与渗透率的变化规律，其测试瓦斯压力为恒定值1.5MPa、围压为变化量(分别为σ2=σ3=4MPa、5MPa、6MPa、7MPa)。实验采用0.01N/s持续施加轴压至煤样抗压强度的80%，再以0.01N/s卸荷轴压直至煤体发生破坏，实验结果如图1所示。

由图1可知，围压由4MPa增大至7MPa时，轴向应力卸荷过程中渗透率K由1.93×10-15m2增加至2.51×10-15m2，增加幅度为30.05%。实验表明，随着围压的增加，轴压卸荷渗透率均明显增加，揭示了卸荷可有效提高煤样的渗透率的本质规律。

图1 不同围压试件轴压卸荷力学与渗透性特性曲线

1.2 深部巷道开挖围岩卸压增透场分布特征

研究表明深部巷道围岩会出现分区破裂现象，其破裂区范围明显大于浅部[21，22]。另外，传统底板岩巷通常内外错布置在待掘煤巷下方20～30m(内外错平距一般为15～25m)，不能对上覆煤层形成卸压增透效果，而将底板岩巷布置在待掘煤巷正下方可对上覆煤层起到卸压增透效果；再者，研究表明底板岩巷围岩应力降幅大于5%的区域卸压效果显著，其卸压影响范围一般为巷道直径的2～6倍[23]。因此，笔者提出将底板岩巷布置在待掘煤巷正下方对上覆煤层的卸压增透，并将底板岩巷围岩应力降幅大于5%的区域称为底板岩巷围岩卸压场，将底板岩巷对上覆煤层形成的卸压增透影响区域称为煤层卸压增透场。以期利用底板岩巷卸压场对煤巷条带区域煤层起到卸压增透的目的，为煤层增透提供新方法。

2 深部煤岩层底板巷卸压增透规律研究

2.1 试验背景及方案

试验以曲江煤矿213底板岩巷为工程背景，巷道埋深980m，煤层倾角0°，平均煤厚2.86m，煤层顶板岩性主要为细砂岩、中砂岩。采用FLAC3D数值模拟及力学计算分析相结合的方法，具体方案见表1。

表1 试验研究方案

根据工程背景建立三维数值计算模型，如图2所示。底板岩巷断面形状为直墙半圆拱，巷道宽4.0m、直墙高1.0m、圆拱半径2.0m。煤巷断面为矩形，宽×高=4.0m×3.0m，煤层埋深为1000m、厚度3m。模型倾向长度(X方向)、走向(Y方向)长度为均100m，网格为等间距划分，大小为5.0m×5.0m×3.0m，煤巷位于模型中部，两侧煤体宽度为48m，底板岩巷与煤层间距为Δh。模型顶部为自由边界、其余各边均为约束边界(即底部垂直方向和水平方向均零位移)；模型顶部为应力边界，模型上部岩层自重采用均布载荷加载。模型中煤岩层物理力学特性参数均为曲江煤矿实测参数，见表2。

图2 三维计算模型

表2 煤岩层物理力学参数

模拟分析底板岩巷位于煤层底板7.0m、11.2m、15.2m、20.2m时，底板岩巷上覆煤岩层的垂直应力变化规律。

2.2 底板岩巷卸压场

2.2.1 底板岩巷卸压特征

根据数值模拟结果，绘制底板岩巷上覆煤层及后方岩层的垂直应力变化曲线如图3所示。由图3(a)可知，底板岩巷位于煤层底板7.0m、11.2m、15.2m、20.2m时，上覆煤层的垂直应力逐渐降低，降幅大于5%的范围分别为待掘煤巷两侧4.8m、5.4m、3.0m、0m。由图3(b)可知，底板岩巷后方上覆4m、6m、8m、10m、12m围岩垂直应力降幅均大于5%，降幅随着掘进距离的增大逐渐减小，掘进后方25m(巷道直径的5.25倍)及以远区域垂直应力趋于稳定。

图3 不同位置煤、岩层垂直应力变化幅度

2.2.2 底板岩巷的稳定性分析

煤巷掘进会对底板岩巷产生二次扰动影响，如果底板岩巷距离煤层太近，底板岩巷存在垮塌、大量瓦斯涌入的风险，因此对底板岩巷的稳定性进行分析。

底板岩巷与煤巷的间距为7m、11.2m时底板岩巷、煤巷先后开挖后岩柱的垂直应力变化幅度如图4所示。对比图4(a)和图4(b)可知，底板岩巷掘进后，层间距Δh=7m时同一相对位置的垂直应力降幅明显大于Δh=11.2m时；煤巷掘进后，垂直应力降幅分别呈现以3m、5m为中心对称分布的规律，但Δh=7m时的垂直应力降幅明显大于Δh=11.2m时。进一步分析表明，层间距Δh=7m时，底板岩巷、煤巷先后掘进完成后岩柱均发生塑性破坏，不能维护自身的稳定性；层间距Δh=11.2m时(巷道直径2.8倍)，底板岩巷、煤巷先后开挖后，仍有一定厚度的岩柱未发生塑性破坏，保持了较好的完整性。

图4 岩柱垂直应力变化幅度

2.3 煤层卸压增透场

基于前述上覆煤层垂直应力降幅规律研究，底板巷开挖经过力学作用后，可将上覆煤层划分为卸压破坏区、弹塑性区、原岩应力区。卸压破坏区垂直应力明显降低，该区内煤体裂隙发育、煤层透气性系数显著提高，称为显著增透区X1。弹塑性区的煤体裂隙较小、煤层透气性系数有所增大，称为一般增透区X0，如图5所示。

图5 煤层卸压增透分区模型

根据围压4MPa、气压1.5MPa条件下含瓦斯煤样的轴向应力卸荷实验，得出瓦斯渗透率K与σ1-σ3的拟合公式，如式(1)所示。

K=A1·eB1(σ1-σ3)

(1)

式中，K为渗透率，10-15m2；A1、B1为与煤体及应力、瓦斯相关的参数，无量纲；σ1、σ3分别为加载的轴压和围压，MPa。

依据文献[24]，极坐标系和直角坐标系间应力转换关系为：

由围岩应力分析可知，当xh时，第一主应力为σy，第三主应力为σx。因此，渗透率K和σ1-σ3的公式可整理为：

煤层的透气性通常用煤层透气性系数表示，煤层透气性系数与承压煤样渗透率的关系为[25]：

式中，λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·d)；ρ为瓦斯(CH4)的绝对粘度，取1.08×10-8N·s/cm2；Pn为一个标准大气压，取0.1013MPa。

将式(3)代入式(4)，可得出煤层透气性系数与应力条件变化的关系为：

将曲江煤矿213底板岩巷的相关参数代入式(5)，可得底板岩巷与上覆煤层的不同层间距Δh时煤层卸压增透表征参数的计算结果，见表3。由表3可得，随着底板岩巷与煤层距离的增大，显著增透区、一般增透区的宽度和增透倍数均逐渐减小；当层间距为7m时，显著增透区、一般增透区的最大宽度分别为巷道直径的1.1倍、3.0倍，最大增透倍数分别为原始煤层的239.3倍、11.1倍；当层间距为18m时，上覆煤层基本无增透效果。

表3 不同位置底板岩巷上覆煤层的卸压增透表征参数

3 深部煤巷条带底板巷卸压增透模型构建

3.1 模型概况

基于深部煤岩层卸压增透场特征研究，竖直方向上将底板岩巷布置在待掘煤巷正下方，二者层间距Δh一般为巷道直径R的2～6倍，具体位置需计算确定；水平方向上将上覆煤层划分为显著增透压区、一般增透区和原始煤层区，针对一般增透区、原始煤层区，采用水力化技术使煤层破坏、产生裂隙通道，进一步提高透气性，其中软煤区域(煤的坚固性系数f≤0.5)采用水力扩孔技术、硬煤区域(煤的坚固性系数f>0.5)采用水力割缝技术[26]，如图6所示。

图6 深部煤巷条带卸压增透模型

3.2 模型参数确定

3.2.1 底板岩巷位置

底板岩巷和煤巷均掘进后二者之间岩柱塑性区计算模型如图7所示，由图7可得，底板岩巷与煤层的合理距离为：

图7 围岩塑性区计算模型

Δh≥hy+hm

(6)

式中，Δh为巷道与上覆煤层垂距；m；hy、hm分别为底板岩巷和煤巷先后掘进后的岩体的破坏深度，m。

将直角半圆拱巷道等价为圆形巷道[24]，同时考虑二次开挖卸压影响效应，其计算公式变化为：

式中，δ为二次卸压效果叠加系数，可通过现场监测统计分析或模拟计算，无量纲；Ry为底板岩巷的塑性区半径，m；Rm为煤巷的塑性区半径，m；M、H分别为矩形巷道高度、直角半圆形巷道墙高，m。

结合式(6)、式(7)，可得底板岩巷与煤层合理距离的判别准则为：

3.2.2 增透区参数

底板岩巷开挖后，巷道围岩可分为破裂区、塑性区、弹性区、原岩应力区，如图8所示。

图8 底板岩巷卸压分区模型

假设卸压场半径为r′(即应力降低不小于5%区域的半径)，由图8可知，r′位于弹性区内，在极坐标下，围岩的垂直应力及卸压场半径为：

式中，σr为极坐标下垂直应力，MPa；Rp为塑性区半径，m；r′为有效卸压区半径，m。

结合应力计算公式及几何关系，其直角坐标系下垂直应力计算公式为：

底板巷道开挖后，上部煤层内吸附瓦斯变为游离瓦斯，煤层内的瓦斯应力增大，根据煤样卸荷实验可知，随着煤体瓦斯含量的增高，其单轴抗压强度将降低，其关系符合下式关系：

σc=A2+B2·p

(12)

式中，σc为单轴抗压强度，MPa；A2、B2为与煤体相关的参数，无量纲；P为瓦斯压力，MPa。

由统一强度准则可得：

式中，α为岩石的拉压强度之比，以内摩擦角来表示为α=(1-sinφ)/(1+sinφ)，其中，φ为内摩擦角，(°)；σz为Z方向上的应力，MPa；b为中间主应力影响系数，统一强度理论优先选用0.5。

将式(11) 、式 (12)代入式(13)，并代入底板巷布置条件及上覆煤层煤体相关参数，即可求得显著增透区宽度X1；而一般增透区宽度X0，即垂直应力σy取得最大值时所对应的水平距离，由式(11)即可求得。

4 工程应用

4.1 试验方案

基于上述研究，将213底板岩巷布置在待掘煤巷正下方10m处进行试验，试验区实测煤层最大瓦斯压力为9.0MPa、瓦斯含量为13.0～15.94m3/t、煤层透气性系数为0.002m2/(MPa2·d)。试验内容为测试213底板岩巷上覆煤岩体上下帮15m范围内岩层的应力卸压效果和煤层增透效果，见表4。每项参数均布置5个测试钻孔，如图9所示。

表4 试验内容及测试方法

图9 试验方案

4.2 煤岩层卸压增透效果

213底板岩巷上覆岩层的卸压效果和煤层的增透效果试验结果分别如图10、图11所示。由图10(a)可得，巷道围岩最大位移量为3.6cm，围岩位移呈现“波峰”“波谷”交替出现的现象；由图10(b)可得，巷道围岩出现分区破裂现象，即巷道由外向内出现4个破裂区，破裂区最大影响范围为5.7m。由图11(a)可得，卸压煤层的煤层透气性系数较原始煤层增加了7.0～43.2倍(增透效果较好，未采用水力化技术)；由图11(b)可得，最大单孔日均抽采量为31.1m3/d，较原始煤层(最大为7.7m3/d)增大了3倍。表明213底板岩巷上覆煤岩层卸压增透效果显著，试验结果与前述研究规律一致，验证了模型卸压增透可行有效。