煤层群重复采动卸压瓦斯储运区演化规律实验研究

林海飞，李磊明，李树刚，2，孔祥国，2，刘思博，丁 洋，2

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点试验室，陕西 西安 710054；3.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710021)

0 引 言

相对于单一煤层而言，井田中存在多层不同水平的煤层称之为煤层群。目前，我国诸如贵州毕节、河南平顶山、安徽两淮等多个高瓦斯矿区均具有煤层群开采条件。采动卸压瓦斯储运区域变化特征与覆岩裂隙演化规律密切相关，而煤层群煤层重复开采与单一煤层开采覆岩移动破断规律有所不同[1]。

对于煤层覆岩采动裂隙动态分布规律的研究，国外的GHABRAIE，DAVID等研究了采动覆岩沉降地质力学，提出了覆岩移动带变形规律[2-3]。钱鸣高等提出采动裂隙“O”形圈理论[4-5]。林海飞等提出了采动裂隙圆角矩形梯台带工程模型[6]。对于煤层群开采覆岩裂隙演化，刘三钧等分析了远距离下保护层开采上覆煤岩层裂隙动态演化规律[7]。李树刚等研究了单层煤开采和重复采动条件下覆岩移动、裂隙分布与演化规律、支承压力分布特征及采动裂隙椭抛带形态[8]。张庆贺、杨科、陈荣柱等研究了多关键层结构下保护层开采覆岩采动裂隙发育规律[9-11]。潘瑞凯等将重复采动覆岩划分为不规则空隙带和周期性空隙带以及拱间优势空隙带和拱下微空隙带[12]。程志恒等研究了保护层与被保护层双重采动影响下围岩应力-裂隙分布与演化特征[13]。李树清等研究了单层煤开采和双重卸压开采覆岩位移、裂隙及应力分布与演化规律[14]。

综上可知，对于煤层群裂隙演化规律研究成果较为丰富，在高瓦斯煤层群开采瓦斯防治方面起到了重要作用。为进一步明确煤层群重复开采后采动卸压瓦斯储运区动态演化规律，文中以贵州某矿为研究背景，通过物理模拟实验分析了煤层群采动覆岩裂隙分布特征；研究了工作面附近卸压瓦斯储运区演化规律；提出了相应的判别方法。以期为高瓦斯煤层群采动卸压瓦斯抽采布置提供参考依据。

1 物理相似模拟实验方案

1.1 实验原型

贵州某矿主采16#煤层、18#煤层，采用下行式开采，16#煤层厚0.3～3.0 m，平均2.6 m，倾角7°～15°，平均11°；18#煤层厚1.3～4.1 m，平均3.3 m，倾角6°～12°，平均8°，与16#煤层间距平均22 m。11613工作面主采16#煤层，走向长650 m，面长145 m；11813工作面主采18#煤层，走向长918 m，面长180.6 m，工作面均采用综采一次采全高长壁后退式开采方式。工作面覆岩岩性参数见表1，根据关键层判别方法[15]得到工作面上覆岩层关键层，结果见表2。

表1 上覆岩层物理力学参数

表2 上覆岩层模拟高度

1.2 相似常数确定

实验采用平面模型，按照表2煤岩层岩性、厚度的不同分层进行走向模拟，模型尺寸2 000 mm×200 mm×110 mm(长×宽×高)，按实验要求和相似定理确定的相似常数见表3。

表3 模型相似常数

1.3 实验步骤

1)为研究煤层群开采后的覆岩运动情况，分析煤层群重复采动后卸压瓦斯储运区的演化规律。实验模拟工作面走向长度160 m，煤岩层高度110 m，对于模型未能模拟的岩层厚度，采用加配重的方法实现。

2)上层煤回采过程中，在模型两边各留设20 cm的边界煤柱，以尽量消除边界效应。在煤层开挖7 cm(对应原型值7 m)作为工作面的开切眼，每次间隔2、3 cm进行推进，记录开挖过程中的岩层裂隙发育情况。

3)上层煤回采结束后达到开采稳定状态，进行下层煤的模拟回采。在模型边界20 cm处开挖7 cm的开切眼，按间隔2、3 cm的推进速度进行回采，停采线设置在距离边界20 cm的位置，记录煤层群重复采动后岩层裂隙发育情况。相似模型实物图如图1所示。

图1 实验模型布置

2 卸压瓦斯储运区演化规律及判别

2.1 煤层群开采卸压瓦斯储运区演化规律

2.1.1 上层煤开采卸压瓦斯储运区演化规律

16#煤层11613工作面推进37 m时，直接顶初次垮落，垮落高度5 m，岩梁跨度18 m，下方空洞高2.4 m，此为卸压瓦斯的主要储集空间，如图2(a)所示。

随着工作面推进至59 m，基本顶初次来压，垮落高度16 m，岩梁长20 m，空洞高1.9 m，此时在尚未垮落的亚关键层2下方的离层裂隙为瓦斯储集空间，如图2(b)所示。随着工作面的持续推进，在工作面附近覆岩关键层下方位置始终有瓦斯储集空间的存在。工作面推进至119 m时垮落带高度11 m，裂隙带高度53 m，裂隙区宽度20 m，裂隙区内已断裂垮落的亚关键层1，2下方及处于较高层位尚未垮落的亚关键层3下方均形成了卸压瓦斯储集空间，如图2(c)所示。工作面推进至132 m时，垮落带高度11 m，裂隙带高度不再向上发育，距离煤层底板53 m，此时，裂隙区内的关键层下方形成新的瓦斯储集空间，如图2(d)所示。16#煤回采过程中，覆岩移动变化的基本情况见表4。

图2 工作面推进不同距离垮落形态

表4 覆岩移动垮落及来压情况(单位：m)

2.1.2 下层煤开采覆岩裂隙演化规律

如图3(a)所示，下煤层工作面推进45 m时，上覆岩层垮落高度13 m，空洞高度3.1 m，此时，间隔层内关键层未破断，悬梁跨度25 m。

如图3(b)所示，工作面推进至59 m时，关键层断裂造成工作面初次来压，纵向破断裂隙发育显著增加，上下两煤层采动裂隙贯通，采动裂隙区宽度增加，下煤层采动卸压瓦斯易随着工作面处裂隙区向上运移至关键层下方储集空间，还有一部分瓦斯沿着上煤层工作面垮落带运移至上煤层回采形成的瓦斯储集空间。如图3(c)所示，工作面推进至134 m时，其处于上煤层采动覆岩压实区下方，垮落带高度13 m，裂隙带高度则发育至距离煤层底板83 m处，此时，间隔层内关键层下方离层裂隙是瓦斯储集的主要空间。如图3(d)所示，当工作面推进到150 m时，裂隙带高度稳定在距离煤层底板83 m。裂隙区内纵向破断裂隙发育，瓦斯易随着裂隙区内纵向破断裂隙向上运移至本煤层上覆岩层瓦斯储集空间，并继续向上运移至上部煤层停采线处裂隙区内的瓦斯储集空间。18#煤层回采过程中，上覆岩层整体移动垮落情况见表5。

图3 重复采动覆岩垮落形态

表5 覆岩移动垮落情况(单位:m)

2.2 采动卸压瓦斯储运区演化特征

对于卸压瓦斯储集空间，上层煤开采后，亚关键层1处于垮落带，随着工作面推进，亚关键层1破断垮落，其所控制岩层上方与未垮落亚关键层2形成离层空间，此为卸压瓦斯储集区域，同时工作面附近，亚关键层1及其所控岩层形成破断裂隙区，此为卸压瓦斯优势运移通道；而亚关键层1未垮落部分呈悬臂梁结构，随着工作面推进，该结构会反复出现，由于其处于垮落带，其下方瓦斯浓度较低，不是瓦斯抽采的重点区域。

亚关键层2处于裂隙带，随着工作面推进，该关键层破断垮落，形成砌体梁结构，其所控制岩层上方与未垮落亚关键层3形成卸压瓦斯储集空间，同时工作面附近，亚关键层2形成铰接结构，随着工作面推进，关键层下该结构反复出现，由于其处于裂隙带，其下方瓦斯浓度较高，是瓦斯抽采的重点区域。

随后，当工作面推进到一定距离后，主关键层弯曲下沉，其下方不再出现离层空间。如图4所示为上层煤开采卸压瓦斯储运区示意图。

图4 煤层开采卸压瓦斯储运区

当下层煤开采后，煤层间关键层处于裂隙带，随着工作面推进，该关键层破断垮落形成砌体梁结构，与下方岩层形成离层裂隙，是瓦斯储集空间；由于上下两煤层采动裂隙贯通，当工作面推进到上层煤停采线附近时，上层煤瓦斯储集空间略有减小。但瓦斯易沿着裂隙区通道向上运移至间隔内关键层下储集空间，再顺着上煤层冒落带内裂隙通道继续向上，此时，上煤层采动形成的瓦斯储集空间充满瓦斯成为瓦斯抽采的重点区域。煤层群重复采动后瓦斯储运区演化过程如图5所示。

图5 重复采动卸压瓦斯储运区域演化过程

2.3 采动卸压瓦斯储集区判别方法

第1步：明确采场上覆岩层所有硬岩层，确定采场上方全部关键层层位。

第2步：根据工作面开采高度，考虑亚关键层下方岩层碎胀系数，确定亚关键层是否位于垮落带形成悬臂梁结构，造成工作面开采期间亚关键层下方出现空洞，成为短暂储集卸压瓦斯空间，即式(1)是否成立[16]。

(1)

如式(1)成立，则认为直接顶垮落后，会在关键层的下方出现空洞，瓦斯短暂储集。如式(1)不成立，则亚关键层将进入裂隙带，形成砌体梁结构，关键层下方离层裂隙空间稳定，卸压瓦斯易储集。

第3步：如关键层下方存在空洞，结合工作面设计开采参数确定是否会造成上方关键层出现断裂，即

a-2∑hcotα≥h2(2Rt/q)1/2

(2)

式中 ∑h为关键层与工作面之间岩层的累计厚度；α为覆岩的断裂角；h2为关键层厚度；Rt为关键层的抗拉强度；q为关键层承载。

如式(2)成立，则认为关键层受回采范围影响会出现断裂；反之，则认为关键层仅发生弯曲下沉或未受到采动影响，此时，该关键层下方不存在瓦斯储集空间。

第4步：如关键层发生断裂，则需要进一步确定其断裂后属于垮落带还是裂隙带[17-18]，即

1)断裂块体不发生滑落失稳的条件

(3)

式中φ为岩块间的摩擦角，(°)。

2)断裂块体不发生变形失稳的条件

(4)

式中，σp为断裂岩块咬合处的挤压力，MPa；σc为岩块抗压强度，MPa；k为根据经验判定比例系数,i=L/h2；β为岩块断裂后允许的下沉角度，(°)。由空洞尺寸与断裂步距L决定。

如果断裂后的岩块同时满足式(3)和式(4)，则关键层处于裂隙带，关键层断裂回转形成砌体梁结构，与邻近下层位关键层采动随动岩层形成稳定存在的离层裂隙空间，是卸压瓦斯储集的优势空间。反之，关键层垮落仍然处于垮落带，关键层下方瓦斯储集空间短暂存在。

第5步：上煤层采动覆岩稳定状态为下煤层回采的初始条件，确定煤层间关键层位置，返回第2步对煤层间关键层进行判定，存在2种情况：①关键层断裂处于垮落带中呈悬臂梁结构，瓦斯储集空间短暂存在；②关键层断裂处于裂隙带中呈砌体梁结构，此时，卸压瓦斯的运移储集又可分为2种情况[19]。

第一，上下两煤层采动裂隙尚未贯通前，下煤层采动卸压瓦斯沿着裂隙区通道向上运移至间隔层关键层下方离层裂隙处储集。

第二，采动裂隙贯通后，由于上覆岩层冒落带内岩层碎裂成块，错落的堆放挤压在一起，岩块间杂乱的分布诸多裂隙，瓦斯容易在其中流动[20]。因此，下煤层卸压瓦斯易沿着裂隙区通道向上运移至间隔层内关键层下储集空间，再顺着上煤层冒落带内裂隙通道继续向上，此时，上煤层采动形成的瓦斯储集空间再次成为瓦斯抽采的重点区域。如图6为煤层群开采瓦斯储集空间判别程序。

图6 瓦斯储集空间判别程序

3 现场应用

3.1 抽采系统布置

16#煤层11613采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用高位定向钻孔，如图7所示，终孔布置在距离煤层顶板15 m处，位于亚关键层2下方卸压瓦斯储集区。钻孔分布在距离回风巷10～40 m裂隙区，共4个钻孔，间距10 m。定向孔在水平面设计平行于回风巷，深度600 m。

图7 11613工作面钻孔布置

18#煤层11813采煤工作面瓦斯抽采方法主要采用轨顺施工导通钻孔，每组导通钻孔施工4个，孔径153 mm，打穿11613轨顺巷道，利用11613轨顺作为高抽巷抽采11813采空区瓦斯，如图8所示，同时布置采空区埋管进行迈步式抽采。

图8 11813工作面钻孔布置

3.2 瓦斯抽采效果

11613工作面布置的4个钻孔抽采效果如图9所示。钻场最大抽采浓度27.8%，最大混合量达29.3 m3/min，最大纯量达6.75 m3/min，累计抽采瓦斯量约115万m3。

图9 16#煤瓦斯抽采效果

11813工作面瓦斯抽采7个月效果如图10所示，每个时间段瓦斯抽采总量较稳定，月平均抽采总量99 119.96 m3；抽采瓦斯浓度基本维持在每月15.1%，瓦斯抽采平均纯流量为2.35 m3/min。

图10 18#煤瓦斯抽采效果

4 结 论

1)重复采动条件下工作面及其上覆岩层内裂隙演化规律：16#煤层开采垮落带高度11 m，裂隙带高度53 m。随着18#煤的开采，煤层群采动裂隙贯通，16#煤上覆岩层裂隙进一步发育扩展；当工作面推进至150 m，受煤层群重复采动影响垮落带高度13 m，裂隙带高度83 m。位于裂隙带内的关键层下方离层区域是卸压瓦斯储集的优势空间。

2)结合物理相似模拟实验以及上覆岩层内关键层各项参数，可计算确定各关键层在覆岩“三带”中的位置及其采动过程中断裂垮落结构，提出工作面附近卸压瓦斯储集空间判别方法。

3)基于采动卸压瓦斯储集空间判别结果，16#煤高位定向钻孔进行卸压瓦斯抽采，18#煤采取钻孔导通上煤层运顺高抽巷及采空区埋管相结合抽采方式，瓦斯抽采效果良好，保证工作面的安全高效回采。