近距離煤層群開采卸壓瓦斯富集規律研究

連曉陽

(山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司，山西 太原 030053)

近距離煤層群下煤層卸壓開采時，具有瓦斯涌出量較大、不穩定、瓦斯突出等缺點，當卸壓開始時，裂隙發育、瓦斯通道打開，瓦斯會順著裂隙通道進入到采煤工作面，形成瓦斯富集區，對瓦斯的防治工作產生較大的影響。因此，探明近距離煤層群開采卸壓瓦斯富集規律對于瓦斯的防治及抽采具有重要的意義[1-3]。

1 工程概況

杜兒坪礦68304工作面，走向1 000 m，傾向200 m，煤厚3.58 m，平均傾角5°.2號煤與3號煤層間距9 m，3號煤與8號煤層間距68 m，8號煤與9號煤層間距9 m.2號煤平均厚度2.86 m，瓦斯含量5.66 m3/t，3號煤平均厚度2.61 m，瓦斯含量7.1 m3/t，8號煤平均厚度3.58 m，瓦斯含量9.77 m3/t，9號煤平均厚度3.51 m，瓦斯含量9.30 m3/t.

2 數值模擬模型建立

本模型選擇以杜兒坪煤礦68304工作面為原型，平行煤層回采方向為x軸，垂直煤層回采方向為y軸，鉛直方向即重力方向為z軸，向上為正。根據這一坐標系規定，模擬的煤層3.58 m，煤層傾角5°，模型尺寸為600 m×400 m×150 m，z軸方向補償450 m的上覆巖層載荷。在z=0處即模型的低面設定x、y、z方向上的位移和速度均為0，z=150這個面為自由面和加載面，z=150和z=0這兩個面按z=150到z=0加載重力漸變應力場，在x=0、x=600、y=0和y=400這4個面設定重力漸變應力約束。

3 頂板巖層卸壓瓦斯運移富集規律

3.1 頂板橫向離層裂隙發育區

當工作面向前推進時，采空區不斷擴大，工作面采空區上覆巖層將發生沉降縱向位移，離層裂隙不斷發育。整理數值模擬結果可知：

1) 當距離工作面切眼50 m時，采空區上覆巖層呈現了不同程度的沉降，累計進尺10 m、50 m、200 m時該切面上豎向位移最大值分別為3.52 mm、27.47 mm和147.48 mm.隨著工作面的不斷推進，頂板巖層發生豎向位移的同時也伴隨著橫向裂隙不斷發育，因此在豎直方向上出現了不均勻沉降。頂板巖層豎向位移隨著推進距離的增大不斷增大，頂板巖層豎向位移隨著距離工作面高度的增加而有所減小。因此，工作面頂板巖層裂隙的發育程度與工作面推進距離及距離工作面豎向距離具有較大的關系。

2) 工作面頂板以上不同倍數采高巖層豎向位移隨工作面推進距離的變化規律工作面推進10 m時，距離工作面頂板5～15倍采高處沉降比較均勻，幾條測線幾乎重合為一條，沉降也較小，巖層離層裂隙發育程度較低；工作面推進30 m時，不同采高倍數處的巖層呈現不均勻沉降。隨著工作面推進，5、7倍采高處巖層下沉曲線趨于一致，均位于所有測線下方，10倍采高處巖層下沉曲線位于所有測線中部，而13、15倍采高處巖層下沉曲線趨于一致，均位于所有測線上方?？梢缘玫骄嚯x工作面頂板10倍采高處巖層離層裂隙發育程度最大。當工作面過切面后，頂板上方不同采高倍數巖層下沉開始呈現不均勻特性，是由于采空區垮落后被壓實采動應力重新分布導致。

3.2 頂板縱向裂隙發育區

工作面煤層采出后，頂板巖層上方卸壓區巖體主要受拉應力影響，超過極限抗拉強度時，將會出現縱向裂隙。因此當頂板巖層周期性斷裂時，工作面煤壁后方頂板巖層產生開口向下的縱向裂隙，煤壁前方頂板巖層產生開口向上的縱向裂隙。頂板上方不同采高倍數巖層水平應力隨工作面推進距離變化規律如圖1所示。

由圖1可知，頂板上方7～10倍采高區域，隨著工作面推進距離增大，水平應力由負變正，這是由于此區域巖層由原始的受壓狀態變為采動后的受拉狀態，最大拉應力為3.80 Pa×106Pa，此區域內巖層抗拉強度極限最大為1.8 Pa×106Pa，因此巖層會出現縱向裂隙。13～15倍采高處巖層，受采動影響前后均保持受壓狀態，未產生縱向裂隙。因此，頂板上方7倍到10倍采高巖層處于縱向裂隙最發育區。此區域內，裂隙相互導通，為瓦斯富集區域，抽采裂隙帶卸壓瓦斯的高位鉆孔布置在此區域附近，可以達到較好的開采層采煤工作面采動卸壓瓦斯的抽采效果。

由于采場上覆巖層在采空區中部逐步壓實及采空區四周邊界條件的不同，采空區頂板高瓦斯富集區在水平面上分布是不均勻的。不僅要確定頂板高瓦斯富集區高度，還需開展采空區頂板水平面上高瓦斯富集規律研究。

3.3 高位環形裂隙體

68304工作面頂板豎向應力在走向和傾向上的變化規律可知：工作面走向上，豎向應力呈現增加、降低、恢復、穩定4個階段，卸壓范圍在工作面后方150～200 m范圍，超前支承壓力影響范圍約300 m；工作面傾向上，外側支承壓力影響范圍同樣約300 m，工作面中部隨著采空區垮落逐漸恢復應力，但兩側仍保持一定得卸壓區域。

4 工程實踐

4.1 高位鉆孔布置方式

杜兒坪礦68304工作面布置4個高位鉆場，垂直風巷施工一條上山進入8號煤頂板巖層中，距離8號煤層法距6 m，鉆場規格為6 m ×4 m，每個鉆場布置10個鉆孔，分兩排布置，開孔間距0.5 m，鉆孔傾角為5～11°，孔孔徑為D91 mm，終孔層位控制在煤層頂板之上16～50 m處。在3號鉆場設施工3個考察孔，同時兼作抽采孔，如圖2所示，具體參數如表1所示。

圖2 考察孔布置平面圖

表1 1號鉆場高位鉆孔參數

4.2 抽采瓦斯效果考察

3個試驗鉆孔內抽采瓦斯體積分數隨工作面推進距離變化曲線如圖3所示，工作面推進距離L為207～217 m時，體積分數升高CH4體積分數為9%～30%，穩定抽采段(L為217～247 m) 和體積分數降低段(CH4體積分數:47%～3%，L為247～285 m)。分析可知可以將體積分數小于5%時的鉆孔段所處高度認定為垮落帶高度，而把穩定抽采區域的鉆孔段所處位置作為裂隙帶高度。

圖3 1號、2號、3號 鉆孔法距、抽采體積分數隨工作面進度變化曲線

由圖3可知，抽采體積分數變化區段鉆孔距離煤層頂板距離為23.1～37.4 m，得出頂板裂隙帶高度為23.1～37.4 m(即采高的6.5～10.4倍)，垮落帶高度為23.1 m(采高的6.5倍)，此結論和數值模擬結論比較吻合。

這說明，實際考察結果基本上和數值模擬結論接近，表明該數值模擬方法可以指導高位鉆孔設置區域，即高位鉆孔高度應大于垮落帶高度，小于裂隙帶高度，此區域可以大幅度提高瓦斯抽采效果。

5 結 語

通過對杜兒坪礦68304工作面進行FLAC3D建模進行數值模擬分析，分析了頂板橫向離層裂隙發育區、頂板縱向裂隙發育區、高位環形裂隙體，得到了如下結論：

1) 工作面頂板10倍采高處，巖層裂隙發育程度較高，屬于瓦斯富集區域；

2) 在工作面推進方向及傾向上，其中超前支承壓力及工作面外側支承壓力的影響范圍達300 m；卸壓范圍在工作面后方150～200 m以內；

3) 通過工程實踐，杜兒坪礦68304工作面布置4個高位鉆場進行瓦斯抽采，抽采體積分數發生變化區段的鉆孔距煤層頂板法距為23.1～37.4 m，此結論和數值模擬結論比較吻合?？梢姳緮抵的M研究成果可指導工程實踐鉆孔設計。