上覆灰岩回采工作面顶板瓦斯高效抽采

李亮红,谯永刚,2,张泽宇,孙 磊,王海杰,秦鹏飞

(1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院,山西 太原 030002; 2.中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州 221000;3.山西马军峪常信煤业有限公司,山西 长治 046599; 4.山西黄土坡鑫运煤业有限公司,山西 长治 046599;5.山西襄垣七一新发煤业有限公司,山西 长治 046599)

21世纪煤炭仍是我国的主要能源,占一次能源的一半以上[1]。在未来很长一段时间内,煤炭仍将在经济和社会发展中起到无法替代的作用[2]。在煤炭开采过程中,由于灰岩顶板特殊的地质条件,极易出现瓦斯异常涌出,对井下人员的生命及财产造成威胁[3-7]。灰岩顶板广泛分布在山西沁源矿区一带,其具有致密、坚硬、整体性好、不易垮落的特点,回采过程中易出现垮落不及时导致工作面上隅角瓦斯超限问题。因此,探索灰岩条件下覆岩破坏规律,以确定高位定向钻孔的布孔参数,实现灰岩瓦斯高效、精准抽采,是亟待解决的科学问题。

近年来,国内外学者在软弱岩层和坚硬岩层条件下,对覆岩破断特征进行了探讨[8-11]。众多学者采用相似模拟、数值模拟、理论计算、现场实测等多种方法对覆岩破坏规律进行了研究。张军等[12]采用相似模拟的方法对覆岩“三带”高度进行了研究;刘超杰等[13]采用室内相似模拟的方法分析了采动覆岩“三带”内岩层位移特征,得出“三带”内岩层位移曲线呈递减趋势;程志恒等[14]利用3DEC模拟软件对顶板裂隙演化进行模拟,结果表明钻孔高效抽采段长度与裂隙发育程度共同决定钻孔的抽采效率;刘志高等[15]采用UDEC数值模拟和理论分析等方法分析了工作面开采后上覆岩层的移动变形规律;吴锋锋等[16]采用理论分析、数值模拟、相似模拟及现场实测相结合的方法分析了顶板垮落带高度;皮希宇[17]研究了煤层群开采条件下煤层裂隙场特征,构建了覆岩采动裂隙分布模型,形成了采动作用下瓦斯抽采有利区确定方法,进行了卸压瓦斯抽采工程应用;郝长胜等[18]利用Fluent软件模拟不同参数条件下顶板走向长钻孔的抽采效果,瓦斯治理效果显著;李文洲[19]通过数值模拟对顶板演化规律进行研究,提出了高瓦斯工作面“三带两区”的概念及确定方法,确定了瓦斯抽采巷的位置。

上述学者在覆岩破坏规律方面进行了较充分的研究,但针对覆岩破坏规律进行瓦斯抽采研究较少。笔者以山西常信煤矿90107综采工作面为工程背景,分析工作面回采过程中灰岩顶板裂隙发育规律,寻找顶板裂隙发育优势区,采用高位定向钻孔抽采裂隙优势区的瓦斯,解决灰岩及类似致密坚硬顶板条件下工作面的瓦斯蓄积问题,为类似工程背景下瓦斯治理提供理论支撑和实践方法。

1 灰岩物理化学特性

1.1 物理特性

对灰岩的主要成分进行化验分析,灰岩X射线衍射图谱如图1所示。可以看出,灰岩的主要成分为方解石。

图1 灰岩X射线衍射图谱

1.2 化学特性

灰岩顶板广泛存在于沁源矿区,灰岩的主要成分为方解石,主要化学成分为CaCO3,属于碳酸盐岩。CaCO3是一种弱电解质,易溶蚀,在自然条件下与空气中的CO2和水发生化学反应,其反应方程式如下:

(1)

地层中的灰岩很容易通过以上化学反应日积月累被腐蚀,进而形成溶洞。

2 灰岩对顶板及工作面瓦斯赋存的影响

2.1 灰岩对顶板瓦斯赋存的影响

地质运动对瓦斯的生成及赋存影响较为复杂,不同地质构造对瓦斯赋存影响各不相同。若地质运动作用于煤层上覆石灰岩,石灰岩在自然条件的综合作用下形成溶洞,如图2所示。

(a)宏观溶洞 (b)微观溶洞

以岩溶瓦斯方式赋存于灰岩的裂隙、孔隙和孔洞中形成灰岩瓦斯。研究区矿井煤层顶部的泥岩、砂岩内的裂隙及孔隙较为发育,而石灰岩内的孔隙、裂隙不发育,渗透瓦斯能力较差,这为灰岩溶洞内瓦斯富集和存储提供了条件。

煤系地层沉积前,灰岩长期受到物理及化学分化作用,导致其上部的溶洞较为发育,其分化面凹凸不平,为瓦斯富集形成有利的空间。上覆岩层的透气性差,成煤后储蓄的瓦斯不易逸散,灰岩溶洞内封闭、富集条件好,按照瓦斯赋存规律,有大量的瓦斯封闭在灰岩中。针对顶板灰岩瓦斯问题,制订有效的瓦斯防治技术措施是安全开采的关键。

2.2 灰岩对工作面瓦斯抽采的影响

随着煤层开采,上覆岩层也会随之移动和断裂,上覆岩层的应力可划分为原岩应力区、应力增高区和应力逐渐恢复区,采动影响下上覆岩层变化如图3所示。随着上覆岩层应力的变化,裂隙随之演变,瓦斯随裂隙发育也向外逸出。在原岩应力区顶板灰岩瓦斯几乎不外逸。顶板应力增长至应力增高区,顶板灰岩瓦斯突然增大至峰值。随着工作面的不断推进,工作面后方顶板应力逐渐恢复,顶板灰岩瓦斯含量也随之下降。

图3 采动影响下上覆岩层变化示意图

由于受采动影响,顶板破坏是一个动态过程,情况较为复杂,随着工作面推进,各个岩层移动形成离层和破断裂隙。按照采动应力重新分布现象,上覆岩层可划分为“横三区、竖三带”。

“横三区”分别为:煤壁支撑影响区Ⅰ、顶板离层区Ⅱ和重新压实区Ⅲ。煤壁支撑影响区,煤层受采动影响很小,基本处于原岩状态,受煤壁的支撑,几乎不存在裂隙扩展,在该区域抽采瓦斯浓度几乎为0;顶板离层区,岩层裂隙张开变大,次生裂隙增多,瓦斯解吸能力变强,在此阶段瓦斯浓度突然增高,导致工作面瓦斯在很长一段时间超限;重新压实区,随着顶板的周期来压,采空区中部的裂隙逐渐闭合,形成压实区,抽采瓦斯浓度逐渐降低。

煤层开采过程中顶板破坏的“竖三带”高度是煤矿瓦斯抽采最重要的参数。“竖三带”分别为:垮落带A、裂隙带B和弯曲下沉带C。垮落带内岩层垮落呈破碎态堆积在采空区内;裂隙带内岩层的穿层裂隙和离层裂隙随工作面的推进不断向上发育并随之贯通,形成瓦斯富集区;弯曲下沉带裂隙发育至此逐渐闭合。

由于常信煤矿9+10号煤层顶板灰岩属于坚硬顶板,其垮落带、裂隙带最大高度应按照以下经验公式[20]计算:

(2)

(3)

式中:a为垮落带最大高度,m;b为裂隙带最大高度,m;h为煤层开采高度,m。

经计算,垮落带最大高度为12.7 m,裂隙带最大高度为55.4 m。高位定向钻孔设计在此区间内。

3 工程背景

以沁源矿区常信煤矿90107综采工作面为工程背景,该矿位于霍西煤田东边缘,开采9+10号煤层,煤层平均厚度2.1 m,倾角2°～5°,最大瓦斯含量7.35 m3/t,其直接顶板为K2石灰岩,致密性与坚硬性共存,厚1.9～9.9 m,平均厚7.0 m。90107工作面附近综合柱状图如图4所示。由于灰岩本身的密封及可能存在的储气条件,致使灰岩成为影响该煤层瓦斯涌出、瓦斯抽采的主要因素。

图4 90107工作面附近局部综合柱状图

4 坚硬灰岩条件下覆岩破坏规律模拟分析

在灰岩顶板条件下,为了准确地确定高位定向钻孔最佳抽采层位,借助3DEC离散元数值模拟,以期确定其裂隙发育优势区。基于常信煤矿90107工作面实际地质生产条件,构建离散元数值计算模型,对综采工作面灰岩顶板裂隙动态发育进行模拟。为简化计算过程,采用近似二维的平面模型,其长度×宽度×高度=300 m×2 m×101.4 m,数值模拟模型如图5所示。

图5 数值模拟模型图

4.1 顶板演化规律模型边界条件

在本次数值模拟中共包含9层地层,各地层煤岩体节理及物理力学参数均取经验值,如表1～2所示。模型顶部施加垂向等效载荷,模型底部和两侧均为固定边界。

表1 煤岩层节理力学参数

表2 煤岩层物理力学参数

模型顶部载荷按照等效载荷计算:

(4)

式中:q为顶部垂向等效载荷,MPa;n为顶板岩层数,取9;ρi为第i层顶板的密度,kg/m3;hi为第i层顶板的厚度,m;g为重力加速度,取9.8 m/s2。

通过计算得到顶部等效载荷为7.68 MPa。

4.2 工作面回采期间顶板演化规律模拟结果分析

为了减小边界效应的影响,模型的两端各预留50 m煤柱。开挖步距为20 m,共开挖200 m。上覆岩层裂隙动态演化如图6所示。

(a)工作面推进40 m,顶板初次来压

(c)工作面推进80 m,周期来压

(b)工作面推进60 m,顶板大面积悬顶

(d)工作面推进200 m,采空区压实

由图6(a)可知,工作面推进40 m时,直接顶板K2灰岩发生第一次垮落,初次垮落步距为40 m;从40 m推进到60 m时,顶板灰岩大面积悬而不落,如图6(b)所示;待推进到80 m时,顶板大面积垮落,顶板周期来压,测得来压步距为40 m,顶板裂隙逐渐向上发育,采空区逐渐被压实,如图6(c)所示;当工作面推进至200 m时,顶板裂隙基本不随工作面的推进而继续向上发育,裂隙带发育趋于稳定,如图6(d)所示。由图6可知,工作面初次来压步距为40 m,周期来压步距为40 m,当工作面推进至200 m时,垮落带高度为距离煤层底板11.4 m,裂隙带高度为距离煤层底板50 m,开切眼和工作面两侧裂隙发育较为明显,采空区中间随煤层开采逐渐被压实。

工作面回采期间垂直方向位移云图如图7所示,垂直方向应力云图如图8所示。结合图6可知:随着工作面的推进,工作面顶板可划分为裂隙发育区和压实区,应力集中在开切眼周围和工作面附近。

图7 垂直方向位移云图

图8 垂直方向应力云图

煤层瓦斯密度比空气小,随顶板裂隙逐渐向上移动。裂隙带发展随高度的增加逐渐减弱,以至于瓦斯向上移动到一定高度将不再移动。工作面顶板裂隙局部示意图如图9所示。根据数值模拟结果可知,距煤层底板11.4～25.0 m存在破断裂隙和离层裂隙,即为裂隙发育优势区,距煤层底板25～50 m仅存在离层裂隙,瓦斯向上移动将不再明显,瓦斯聚积在裂隙发育优势区内。

图9 工作面顶板裂隙局部示意图

4.3 不同方法“两带”高度计算结果分析

利用经验公式计算得到的“两带”高度,以及通过3DEC数值模拟得到的“两带”高度误差分析结果见表3。

表3 不同方法“两带”高度计算误差分析

由表3可知,数值模拟和经验公式所得到的“两带”高度比较接近,垮落带高度和裂隙带高度的相对误差分别为11.4%、10.8%,相对误差均在10%左右,可在工程实践中应用。

5 上邻近层瓦斯抽采试验及抽采效果分析

经过上述对裂隙发育优势区的确定,在该区域施工抽采钻孔对顶板瓦斯进行精准抽采,进一步提高瓦斯抽采率。根据裂隙发育优势区,提出顶板定向高位钻孔瓦斯抽采方案。

5.1 顶板定向高位钻孔抽采工艺

钻场设于90107工作面回风巷的西帮,开孔帮距离开切眼417 m,钻场为梯形,内部长度为12 m,外部长度为16 m,深度为4.7 m,高度为2.8 m。钻场内设计施工4个定向钻孔,分别布置在18、23、28、33 m的位置来拦截和预抽9+10号煤层的上邻近层瓦斯,其中钻孔主孔钻入8号煤层中,预抽8号煤层瓦斯,分支孔位于8号煤层之下(裂隙发育优势区),拦截8号煤层的瓦斯,钻孔孔径120 mm。开孔间距10 m,开孔高度控制在底板以上1.8 m左右,钻孔轨迹要平滑,不能出现拐急弯、“驼峰”和“锅底”。钻孔布置平面图、剖面投影图、终孔位置图见图10～12。

图10 钻孔布置平面图

图11 钻孔剖面投影图

图12 钻孔终孔位置示意图

5.2 瓦斯抽采效果分析

通过对钻场高位钻孔瓦斯抽采进行实时监测,得到单孔瓦斯抽采效果图和工作面瓦斯抽采效果图,如图13～14所示。

图13 单孔瓦斯抽采效果图

由图13可知,高位定向钻孔抽采瓦斯纯量增长一段时间后保持稳定,其中1#钻孔随着工作面的推进,出现波动变化。1#、2#钻孔布置于裂隙发育优势区,其抽采效果明显优于3#、4#钻孔。2#钻孔布置在上邻近层8#煤层中,其抽采效果最优,单孔抽采瓦斯纯量平均达到3 m3/min。

由图14可知,抽采前第0～5天工作面瓦斯纯量为0;第6～8天瓦斯纯量突然增高至8.47 m3/min,在之后的很长一段时间内一直稳定不下,最高可达8.99 m3/min;第24～30天瓦斯纯量才开始下降。抽采后工作面瓦斯纯量随时间呈下降趋势,第30天后瓦斯纯量下降至1 m3/min。对90107回采工作面回风巷上隅角瓦斯进行考察,瓦斯抽采后上隅角瓦斯浓度(CH4体积分数)为0.1%～0.8%,上隅角瓦斯浓度降幅最大可达87.5%。

图14 工作面瓦斯抽采效果图

6 结论与展望

6.1 结论

1)在“两带”理论计算的基础上进行了3DEC数值模拟研究,二者得到的上覆岩层破坏规律基本一致。随着工作面的回采,顶板初次垮落步距为40 m,周期垮落步距40 m,垮落带高度为11.4 m,裂隙带发育高度为50 m。

2)根据3DEC离散元数值模拟,裂隙发育优势区为11.4～25.0 m,钻孔层位布置在该区域来拦截和预抽9+10号煤上邻近层瓦斯。

3)瓦斯抽采钻孔施工后,对90107工作面瓦斯进行了为期一个月的考察,上隅角和工作面瓦斯超限问题得到有效解决,上隅角瓦斯浓度始终保持在0.8%以下,上隅角瓦斯浓度最大降幅可达87.5%。

6.2 展望

1)对于“灰岩瓦斯”,目前国内外重在研究灰岩顶板的弱化技术,而对于灰岩瓦斯的赋存及防治仍是一项重要的研究课题。

2)随着本煤层的开采,顶板灰岩瓦斯突然涌向工作面,造成工作面瓦斯超限,灰岩瓦斯的预测预报亦是当今煤矿开采的技术难题,需要进行深入研究。

3)顶板灰岩瓦斯的赋存规律仍停留在探索阶段,今后可以通过实验室或者数值模拟进行研究。