基于关键层理论的采空区覆岩断裂带有效抽采层位研究

张新杰， 王军， 孙永康， 薛江达， 卞德振

（太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 晋中 030600）

0 引言

沁水煤田北部大部分矿井存在煤层透气性差的问题，预抽本煤层瓦斯效果较差，工作面回采过程中需要通过高位抽采工程抽采采空区覆岩断裂带瓦斯来控制邻近层和采空区瓦斯涌出，而断裂带有效抽采层位识别是高位抽采工程设计的基础。

许多学者在覆岩断裂带瓦斯抽采有效区域方面进行了研究。钱鸣高等[1]、许家林等[2]提出了岩层控制的关键层理论，给出了关键层的判别方法，揭示了采动覆岩裂隙的发育规律和采动裂隙“O”形圈的分布特征，并用于指导采空区瓦斯抽采。林海飞等[3]、李树刚等[4]、赵鹏翔等[5]研究了覆岩采动裂隙演化形态与特征，提出了采动裂隙圆角矩形梯台带模型，建立了采动裂隙椭抛带理论，揭示了瓦斯运移优势通道及采高控制机理，为卸压瓦斯富集区有效抽采提供了理论依据。胡国忠等[6-7]采用地面钻孔全柱状原位监测方法，揭示了覆岩关键层运动的分段特征，提出了考虑多因素的顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术。徐超等[8]、张小龙等[9]、张礼等[10]研究了采动覆岩裂隙发育及渗透率分布特征对采空区及断裂带瓦斯抽采效率的影响，建立了采动覆岩分形渗透率模型。吴仁伦[11]提出了采空区瓦斯卸压运移的“三带”划分，将采空区上覆煤岩层划分为导气断裂带、卸压解吸带和不易解吸带，并分析了覆岩关键层结构、工作面面长和煤层采高对“三带”范围的影响规律。齐庆新等[12]研究了采动条件下裂隙场的形成机制和分布特征，并对各因素影响裂隙演化的规律进行了定量描述，指出了采动裂隙场条件下的瓦斯汇集规律。

本文在上述研究的基础上，基于理论分析与现场经验，建立了断裂带有效抽采层位的数学模型，确定了覆岩断裂带有效抽采层位的上下边界，并通过现场窥视高位钻孔裂隙分布规律及分析高位钻孔抽采浓度变化规律，验证了数学模型的准确性，可为高位抽采工程设计提供依据。

1 断裂带有效抽采层位数学模型建立

采空区覆岩“三带”演化相似模拟试验如图1 所示。采空区覆岩断裂带主要分为离层断裂带和破断断裂带[13]。其中破断断裂带内既有离层裂隙又有穿层裂隙，位于断裂带的下部并与采空区垮落带连通，是覆岩断裂带瓦斯抽采的有效区域。

图1 采空区“三带”演化相似模拟试验Fig. 1 Similarity simulation experiment of evolution of"three zones" in goaf

目前研究覆岩断裂带分布规律的常用方法包括现场探测法[14-15]、相似模拟试验法[16-17]、数值模拟法[18-20]和经验公式法[21-22]。本文根据相似模拟试验和现场探测发现，覆岩中的关键层主要控制着顶板横纵裂隙的发育，判断控制断裂带发育的关键层位置是确定有效抽采层位的关键。

在关键层判别过程中，先要根据岩层柱状图中顶板岩性和分布高度进行初步分析。之后，根据岩层的受力载荷和破断距进一步判断关键层位置[1]。

式中：(qn)1为第1 层岩层自重及其上岩层载荷，kPa；ln为上覆第n层岩层（关键层）的破断距，m； γi为上覆第i层岩层的平均密度，kg/m3；hi为上覆第i层岩层的平均厚度，m；Ei为上覆第i层岩层的弹性模量，MPa；RTn为上覆第n层岩层的抗拉强度，MPa。

采空区垮落带之上的第1 层关键层对其上岩层起到承载控制作用，并将断裂带与垮落带隔离，成为断裂带有效抽采层位的下边界岩层。采空区垮落带之上的第1 层关键层N1的计算公式为

式中：M为煤层采高，m；k为顶板岩层的平均碎胀系数。

根据现场探测及抽采经验发现，采空区上覆岩层高度超过10 倍采高时，由于关键层的承载控制作用，其上岩层纵向裂隙发育较少，更多产生横向离层，所以采空区上覆岩层高度为10 倍采高以下的第1 层关键层成为断裂带有效抽采层位的上边界岩层。采空区上覆岩层高度为10 倍采高以下的第1 层关键层N2的计算公式为

2 个关键层之间所有的岩层即有效抽采层位，有效抽采层位包含下边界岩层，不包含上边界岩层。

2 采空区覆岩断裂带窥视分析

2.1 试验工作面概况

山西寿阳段王煤业集团有限公司段王煤矿生产能力为3.0 Mt/a，矿井主采8+9 号和15 号煤层，矿井瓦斯等级为高瓦斯，绝对瓦斯涌出量为62.08 m3/min。090507 工作面开采8+9 号煤层，平均厚度为4.4 m，煤层视密度为1.52 t/m3，煤层属于贫瘦煤；工作面煤层倾角为0～16°，平均倾角为5°，埋深为180～414 m；工作面走向长度为2 612 m，倾向长度为180 m；工作面采用“U”型布置，综采放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板。

2.2 有效抽采层位分析

根据关键层判别公式，对090507 工作面采空区上覆岩层高度为10 倍采高以下的岩层进行关键层判别，结果见表1。

表1 工作面采空区覆岩关键层判别结果Table 1 Identification results of key layer of overburden in goaf of working face

090507 工作面直接顶岩层的平均碎胀系数取1.35，根据断裂带有效抽采层位数学模型计算得出采空区垮落带高度为12.6 m，其上第1 层关键层为中砂岩，工作面采空区上覆岩层高度为10 倍采高以下的第1 层关键层为细粒砂岩，工作面高位钻孔有效抽采层位为8+9 号煤层顶板上方12.6 m 处的中砂岩到39.3 m 处的4 号煤。

2.3 覆岩断裂带窥视分析

2.3.1 窥视钻孔设计方案

为验证断裂带有效抽采层位数学模型的有效性，设计在8+9 号煤层090509 工作面运输巷布置2 个窥视钻孔，观测090507 工作面采空区上覆岩层垮落带和断裂带分布情况，进一步确定8+9 号煤层采空区有效抽采层位的分布规律。钻孔布置如图2所示，参数见表2。

表2 钻孔主要参数Table 2 Main parameters of borehole

图2 钻孔布置Fig. 2 Borehole layout

2.3.2 钻孔窥视结果

1 号钻孔实际施工26 m，钻孔探测成像结果如图3 所示。可看出在距孔口0～23 m 范围内的围岩完整程度较高，表明该钻孔未进入到断裂带中；在距孔口23～26 m 范围内，孔壁周围裂隙增多，破碎加剧，钻孔施工过程中发生不返渣的情况，由此可判定该范围内钻孔对应的覆岩顶板进入垮落带。

图3 1 号钻孔探测成像结果Fig. 3 Probing imaging results of No.1 borehole

2 号钻孔实际施工63 m，钻孔探测成像结果如图4 所示。可看出在距孔口0～33 m 范围内的围岩整体完整性较好，表明该区域处于未受采动影响区域；在距孔口33～63 m 范围内，孔壁开始出现大量裂隙，且裂隙分布不规则，表明钻孔处的顶板处于破断断裂带；距孔口63 m 之后，孔壁周围裂隙发育减少，表明钻孔已经穿过破断断裂带。

图4 2 号钻孔探测成像结果Fig. 4 Probing imaging results of No.2 borehole

根据现场窥视结果，破断断裂带和离层断裂带未出现较为明显的边界。根据1 号钻孔进入垮落带的位置（图3（c））和2 号钻孔进入破断断裂带的位置（图4（a）），综合判断采空区上覆岩层的破断角约为62°。根据1 号和2 号钻孔的观测分析，采空区覆岩破断断裂带的范围为8+9 号煤层顶板上方11.5～40.5 m 区域。

3 断裂带有效抽采层位工业试验

3.1 高位钻孔抽采设计

考虑到提高有效抽采段的长度，将高位钻孔布置成2 排，终孔层位的高度确定为40，45 m。因此，在工作面轨道巷顶板上方5 m 处布置高位钻场，在钻场中布置2 排共16 个高位钻孔，开孔高度为距煤层顶板6.5 m，考虑到煤层平均倾角为5°，2 排钻孔倾角分别设计为12，14°，控制走向长度为110 m 左右。高位钻孔布置如图5 所示。

图5 高位钻孔布置Fig. 5 High level borehole layout

3.2 瓦斯抽采效果分析

在工业试验中每组钻孔呈扇形布置，应用“两堵一注”囊袋进行封孔，封孔深度为10 m，在瓦斯抽采过程中各钻孔均未出现漏气现象。对2022 年7 月5 日-2022 年8 月4 日期间高位钻孔的瓦斯抽采体积分数进行收集整理，选取抽采效果较好和规律较为明显的6-8 号和14-16 号钻孔进行分析。高位钻孔瓦斯抽采体积分数如图6 所示，可看出钻孔瓦斯抽采体积分数曲线基本呈双“马鞍”形，始抽段和衰减段均在高位钻孔有效抽采层位之外，瓦斯抽采体积分数均较小。

图6 高位钻孔瓦斯抽采体积分数Fig. 6 Gas extraction volume fraction of high level borehole

8+9 号煤层断裂带有效抽采层位分析如图7 所示。一般认为通过高位抽采工程抽采覆岩断裂带瓦斯体积分数达15%以上时钻孔所在的覆岩层位为断裂带有效抽采层位。图7 中柱状图斜线充填区域为瓦斯抽采体积分数达15%以上的有效抽采层位，范围为8+9 号煤层顶板上方13.9 m 处的中砂岩到37.4 m 处的砂质泥岩。通过实际观测确定的有效抽采层位与数学模型确定的有效抽采层位基本一致。

图7 断裂带有效抽采层位Fig. 7 Effective extraction layer in fracture zone

4 结论

1） 建立了断裂带有效抽采层位数学模型，得出了有效抽采层位的下边界为采空区垮落带之上的第1 层关键层，上边界为采空区上覆岩层高度为10 倍采高以下的第1 层关键层，其中有效抽采层位包含下边界岩层，不包含上边界岩层。

2） 根据断裂带有效抽采层位数学模型计算得出段王煤矿8+9 号煤层采空区断裂带有效抽采层位高度范围为顶板上方12.6～39.3 m。根据090507 工作面采空区覆岩裂隙窥视结果，得出工作面断裂角约为62°，破断断裂带高度范围为顶板上方11.5～40.5 m，验证了断裂带有效抽采层位数学模型的准确性。

3） 根据断裂带有效抽采层位数学模型，在段王煤矿090507 工作面进行高位钻孔抽采试验。结果表明，8+9 号煤层采空区覆岩断裂带有效抽采层位为顶板上方13.9 m 处的中砂岩到37.4 m 处的砂质泥岩，与数学模型确定的有效抽采层位基本一致，取得了很好的应用效果。