近距离上保护层开采下伏煤(岩)裂隙时空演化过程分析

陈荣柱，涂庆毅，程远平，刘庆峰

0 引言

煤层瓦斯是腐殖型有机物在成煤过程中的伴生产物，并以游离态和吸附态2种形态赋存在煤层中［1－2］。尽管绝大多数的煤层瓦斯在漫长的地质年代已经逸散到大气中，但现存的煤层瓦斯含量依然可以达到1～40 m3/t［3］。这些煤层瓦斯既是一种高效清洁的能源［4］，同时也给煤矿开采带来很大的安全隐患，它是瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等灾害的主导因素［5－8］。

《煤与瓦斯突出防治规定》明确规定当煤层瓦斯含量超过8 m3/t或瓦斯压力超过0．74 MPa时，在煤层回采前必须对煤层瓦斯进行有效的治理，以消除煤层的突出危险性［9］。利用钻孔预抽煤层瓦斯是一种常用的煤层瓦斯治理方法［10－11］。然而，对于中国绝大多数的产煤矿区，煤层渗透率是极低的［12］。尤其是近些年随着浅部煤炭资源的枯竭，很多矿井相继进入深部开采阶段［13］，在高地应力作用下，煤层渗透率将会更低［14］，在这种情况下，原始煤体的预抽效果是非常差的。此时，在具备煤层群条件下，保护层开采被认为是一种比较合适的瓦斯治理方法［15－18］。

近些年，利用数值模拟和现场试验等手段，针对保护层开采过程中顶、底板煤岩层应力演化、裂隙发育和渗透率变化特征等，已经开展了大量的研究工作［19－21］，王伟等利用Flac3D软件模拟保护层煤柱宽度对被保护层卸压效果的影响，并获得了连续开采条件下，煤柱的宽度不应超过5 m［22］．蒋静宇等认为对于煤层群条件，多个保护层开采后，被保护层应力卸载和变形是可以叠加的，首采煤层的选择至关重要［23］。刘海波等研究了保护层开采过程中，被保护层卸压效果及变形特征。然而，保护层开采效果受保护层和被保护层的相对层位关系及间距影响明显［24］。

文章以平煤五矿近距离保护层开采为例(平均层间距8 m)，利用3DEC软件对近距离开采造成下被保护层裂隙演化、空间分布特征进行分析，并利用被保护层穿层斜交卸压瓦斯钻孔抽采效果对保护层开采效果进行验证。研究结果对进一步揭示近距离上保护层开采下伏煤岩体裂隙演化过程有重要的意义，同时为近距离上保护层开采治理被保护层瓦斯提供理论和数据支撑。

1 地质背景

1.1 区域构造

平煤五矿位于河南省平顶山矿区中部，处于李口向斜的西南翼，总体为一缓倾斜的单斜构造。井田跨锅底山断层上、下盘，该断层为正断层，既具有张性特征又具有压性特征，井田内褶皱和断裂构造发育。其中，褶皱构造主要有山庄向斜和诸葛店背斜，且背、向斜仅发育在己煤段和庚煤段地层中;断裂构造以走向北西西的锅底山正断层为主导(落差100～200 m)，伴生和派生的压性(压扭性)和张性(张扭性)中、小型构造并存的复杂构造格局。值得注意的是，与锅底山断层距离越近，断层越发育。

1.2 煤层及煤层瓦斯赋存

井田内含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组，含煤地层厚556～1 090 m，平均796 m，含煤21～56层，其中主要可采煤层特征见表1．

煤层瓦斯是一种气体地质体，其在煤层中的赋存受到地质及构造运动的控制作用。相同地质单元内，煤层瓦斯随着煤层埋深呈现明显的规律性。利用直接法，平煤五矿现场实测了大量的己15煤和己16－17煤层瓦斯压力数据。这些瓦斯压力数据直观地反映了煤层瓦斯压力随煤层埋深的关系。此外，基于安全线法［25］，通过选择2个标志点，可以获得己15煤和己16－17煤层瓦斯压力与埋深的变化趋势，如图1所示。

式中，P1为己15煤层瓦斯压力，MPa;P2为己16－17煤层瓦斯压力，MPa;h为煤层埋深，m．

表1 可采煤层特征Tab．1 Characteristics of recoverable coal seams

图1 煤层瓦斯压力随煤层埋深变化Fig．1 Relationship between coal seam pressure and coal seam depth

井田范围内己16－17煤层和己15煤层瓦斯压力均表现出随着煤层埋深增大而增大的趋势，且己16－17煤层瓦斯压力要明显高于己15煤层。己16－17煤层最大瓦斯压力达到2．7 MPa，煤层瓦斯压力梯度为0．003 9 MPa/m．对比己15煤层，己16－17煤层具有更高的突出危险性，这可以从全矿13次突出事故均发生在己16－17煤层得到验证。因此，在己16－17煤层开采前，对该煤层采取消突措施是必要的。

2 上保护层开采数值模拟

2.1 保护层开采设计

己15－23230工作面位于己三下延采区东翼己15煤层第十二个区段，该工作面标高－550～－645 m，最大埋深876 m．基于1．2节瓦斯赋存情况分析，该区域内己16－17－23230工作面均有突出危险性，而己15－23230工作面突出危险性较小。因此，选取己15－23230工作面作为己16－17－23230工作面的保护层工作面，进行上保护层开采。此外，保护层己15－23230工作面回采需要采取必要的瓦斯治理措施，进一步消除煤层突出危险性。试验区己15煤层平均厚度为1．5 m，己16－17煤层平均厚度为4 m，保护层与被保护层平均层间距为8 m．

为了有效治理保护层及被保护层煤层瓦斯，尤其是消除被保护层己16－17－23230工作面煤与瓦斯突出危险性，己15－23230工作面选择穿层斜交卸压瓦斯钻孔抽采、本煤层顺层钻孔抽采以及采空区卸压瓦斯抽采3种瓦斯抽采方法，如图2所示。其中，本煤层顺层钻孔用于保护层工作面瓦斯治理;穿层卸压瓦斯钻孔主要抽采下被保护层煤层瓦斯，对被保护层卸压瓦斯进行拦截，在采前、采中和采后3个时段对被保护层瓦斯进行抽采;采空区卸压瓦斯抽采主要在工作面回采过程中抽采邻近层涌出并积聚在采空区的瓦斯，防治回风巷上隅角瓦斯超限。3种抽采方法的具体参数见表2．

图2 己15－23230工作面瓦斯抽采措施示意图Fig．2 Schematic diagram of gas drainage measures of the working face

2.2 模型建立

3DEC 软件［26－28］被用于解算保护层己15－23230工作面开采引起被保护层己16－17－23230工作面煤岩体裂隙发育与变形特征。根据试验区域地质概况(图3)，建立数值模型。这个模型包含试验地层段内主要的煤/岩层，模型及边界条件如图4所示。模型的具体情况如下:己15煤层平均厚度为1．5 m，己16－17煤层平均厚度为4 m，两煤层平均层间距为8 m;模型的下部边界为己15煤层底板下方43．2 m，上部边界为己15煤层上方58．4 m;模型走向长度为200 m，保护层开挖长度为100 m，在模型左侧50 m处设置开切眼。

表2 钻孔设计参数Tab．2 Drilling design parameters

图3 试验区地层条件Fig．3 Geological conditions of study area

模型上边界为不约束边界，底边为全约束边间，左右两边为单约束边界(图4)。煤岩体破坏选择Mohr-Coulomb破坏准则，岩层及岩层节理面参数见表3，表4，这些参数参考了近期公开发布的论文［19，29］，保证参数的合理性。

图4 模型及边界条件示意图Fig．4 Model and bonndary conditions

表3 岩层物理力学参数Tab．3 Physical and mechanical parameters of rock formation

表4 岩层节理面物理力学参数Tab．4 Physical and mechanical parameters of joint surface of rock

2.3 下伏煤岩体裂隙发育时空演化特征分析

2．3．1 裂隙发育时空演化特征

通过数值模拟获得己15－23230工作面回采时沿工作面回采方向被保护层的裂隙发育特征。图5描述了己15－23230工作面开采初期底板岩层裂隙发育特征。随着工作面的不断推进，底板下方煤岩体内裂隙逐步发育并且逐渐向下深部延伸。当工作面推进6 m时，己15煤底板5 m范围内岩体底鼓变形明显，横向裂隙逐渐发育，此时垂向裂隙发育不明显。当工作面推进8 m时，己15煤底板5 m范围内垂向裂隙也逐渐发育。当工作面推进18 m时，己16－17煤层内横向裂隙和垂向裂隙发育逐渐明显，而在己15煤底板10 m范围外横向裂隙和垂向裂隙发育迟缓，较少沟通。

图5 回采过程底板岩层裂隙发育情况(工作面推进6～18 m)Fig．5 Fracture development of bottom slab during mining process(working face advancing 6～18 m)

由图6可知，随着己15－23230工作面进一步向前推进，当工作面推进24 m时，己15－23230工作面底板煤岩体横向裂隙和垂向裂隙随着工作面向前(向深部)发展。此外，随着采空区上覆岩体的垮落压实，开切眼附近裂隙出现闭合现象。

图6 回采过程底板岩层裂隙发育情况(工作面推进24 m)Fig．6 Fracture development of bottom slab in mining process(wroking face advancing 24 m)

2．3．2 裂隙分布特征分析

根据数值模拟结果，保护层开采后，底板岩层裂隙随着工作面的推进处于动态演化过程［30－31］。当回采距离6～18 m时，保护层回采造成采空区底板出现明显的底鼓变形，横向裂隙发育且垂向裂隙也逐渐发育;随着回采距离的增加，保护层回采的影响区域逐渐增大，底板岩层裂隙逐渐向前(向深部)发展;从回采距离8 m开始，被保护层己16－17煤层已出现裂隙发育，当回采18 m时，己16－17煤层内横向裂隙和垂向裂隙发育明显。然而，当回采24 m时，随着上覆岩体的垮落压实，开切眼附近出现了裂隙闭合现象。图7描述了回采100 m时，采空区底板岩层裂隙分布情况。沿着水平方向，底板岩层裂隙依次可以分为原始状态区、高强度卸压增透区和重新压实区，裂隙的分布与岩层的应力和变形状态是密切相关的［32－33］。

图7 水平方向煤岩体裂隙分布情况Fig．7 Fracture distribution of coal and rock mass in horizontal direction

3 穿层斜交卸压瓦斯钻孔抽采效果分析

己15－23230风巷邻近层斜交穿层钻孔从2013年8月份开始进行抽采，抽采情况如图8所示。瓦斯抽采浓度变化范围为0．92% ～32．10%，抽采量变化范围623．9 ～15 218．97 m3/d．2014 年4月瓦斯抽采浓度突然增加，这是因为3月己15－23230工作面开始回采，受到采动影响，被保护层瓦斯开始大量解吸，在抽放负压作用下流向抽采钻孔。

图8 机巷穿层斜交钻孔预抽抽采量统计Fig．8 Predrainage quantity statistics of cross borehole in the belt transporter tunnel

表5统计了2014年6月至2015年8月每月瓦斯抽采量。自2014年6月起至2014年11月，随着己15－23230工作面推进，己16－17煤层裂隙发育越来越充分，月瓦斯抽采量逐渐增大，并在2014年11月达最大值174 400 m3．之后，由于采空区重新压实造成己16－17煤层裂隙的闭合和前期大量瓦斯的抽采，月瓦斯抽采量开始降低，并逐渐稳定在50 000 m3左右。

表5 机巷穿层斜交钻孔月瓦斯抽采量Tab．5 Monthly gas drainage quantity of cross borehole in the belt transporter tunnel

4 结论

1)当回采距离6～18 m时，保护层回采造成采空区底板出现明显的底鼓变形，横向裂隙发育且垂向裂隙也逐渐发育;随着回采距离的增加，保护层回采的影响区域逐渐增大，底板岩层裂隙逐渐向前(向深部)发展。然而，随着回采距离的进一步增加，由于采空区上覆岩体的垮落压实作用，造成底板岩层裂隙发生闭合现象;

2)保护层开采后，沿着水平方向，底板岩层裂隙依次可以分为原始状态区、高强度卸压增透区和重新压实区。从回采距离8 m开始，被保护层己16－17煤层已出现裂隙发育，当回采 18 m时，己16－17煤层内横向裂隙和垂向裂隙发育明显;

3)受保护层开采影响，2014年4月瓦斯抽采浓度突然增加。随着保护层工作面的推进，被保护层卸压效果越来越明显，2014年11月月抽采瓦斯量为174 400 m3达到最大值。此后，随着被保护层裂隙闭合及前期大量瓦斯抽采，每月瓦斯抽采量开始降低，并逐渐稳定在50 000 m3左右。

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