导水裂隙带高度数值模拟与应用

姜 伟

(山西省煤炭地质勘查研究院，太原 030006)

0 引言

随着煤层的开采，采场内的岩体会发生变形、破断和移动[1]，在上覆岩层中形成导水裂隙带，并对煤体及围岩产生“卸压增透”效应，透气性增加，卸压瓦斯会在压力梯度和浓度梯度作用下在导水裂隙带顶部富集[2-3]，导水裂隙带发育特征对卸压瓦斯抽采具有指导意义。导水裂隙带发育高度的研究方法主要有经验公式、数值模拟、相似材料模拟、现场实测等方法[4]。垮落带和导水裂隙带高度可以通过井眼公式计算，但适用条件是厚煤层分层开采，单层厚度1～3m，总厚度不超过15m，综采条件下计算结果往往偏小[5]；相似材料模拟可直接观察开采过程中上覆岩层垮落过程及裂隙发展，但是工程量大、实验时间长、材料配比难以确定；现场实测结果最接近实际，但工程量大、成本高；数值模拟具有成本低、易于分析、可根据需要随时调整参数等优点，成为了导水裂隙带研究中应用最为广泛的一种技术手段[6]。本文基于RFPA-2D软件平台，以晋城矿区寺河矿4301工作面为研究对象，对回采过程中上覆岩层的变形和垮落情况进行模拟，确定导水裂隙带发育高度，为地面L型水平井抽采卸压瓦斯提供理论依据。

1 研究区概况

寺河矿井田坐落在山西省晋城市西北方向，行政管辖属于山西省晋城市，井田范围横跨阳城、沁水、泽州三个县。构造位置位于沁水复式向斜盆地的南端东翼，处于晋获褶断带、盆地南缘EW—NE向断裂带及阳城西洪洪—晋城石盘东西向断裂带之间，区域总体构造形态为倾向NW—NWW的单斜构造[7]，在此基础上，沿走向分布系列宽缓褶皱，包括潘河、刘家腰等7条向斜，郑村、马庄等5条背斜。区内发现断层65条，以NE、NNE走向的高角度正断层为主，落差一般小于20m。区域地层从老到新依次为：奥陶系峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组和第四系松散沉积，主采煤层3#煤层位于山西组中部。主要含水层有：奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层、石炭系上统太原组碎屑岩及碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层、二叠系下统山西组碎屑岩类裂隙含水层、二叠系石盒子组碎屑岩类裂隙含水层、基岩风化带裂隙含水层、第四系松散岩类孔隙含水层。

寺河矿4301工作面位于寺河矿东区，地面位置处东山村东南，小东山风井场地东北。主采煤层为山西组3#煤，煤层平均厚度6.4m。煤层底板标高488～624m，煤层倾角1°～14°，平均5°，采煤工艺为倾向长壁式一次采全高，工业储量6 439 345.35t，可采储量6 246 165t。

2 模型建立

RFPA-2D软件能够模拟岩石从裂纹萌生、扩展直至断裂的全过程，基于连续介质力学和损伤介质力学原理，具有应力分析和破坏分析两方面的功能。RFPA-2D模拟的目的是分析工作面推进过程中顶板岩层破坏特征，从RFPA弹性模量图中可以很直观的判断出岩层的破断、垮落情况。

工作面煤层近似视为水平，以工作面走向剖面建立RFPA数值计算模型。沿走向设置为200m(X方向)，为消除边界效应，工作面两端各留40m煤柱，沿垂直方向设置为150m(Y方向)，模型由30 000个单元构成。边界条件采用平面应变模型，整个过程采用X方向位移约束，Y方向无约束，重力加载控制。开挖步长设置为5m，执行分步开挖功能，每开挖5m，RFPA-2D软件进行一次解算，并将单元破坏、移动过程以弹性模量图形式显示。模拟过程中岩体破坏用Mohr-Coulomb屈服准则判断：

(1)

式中：σ1为最大主应力，MPa;σ3为最小主应力，MPa;c为黏结力，MPa;φ为摩擦角，(°)。当fs>0时，判断材料发生剪切破坏。

煤层及顶、底板各层岩石力学参数由4301工作面前期施工的钻孔ZK01取心测试获得(表1)。

表1 煤岩物理力学参数表Table 1 Coal and rock physical and mechanical parameters

3 数值模拟

随着工作面的推进，煤层顶板破坏过程逐渐发展。如图1所示，从弹性模量特征图可以看出，在工作面推进至20m时，直接顶第一次发生垮落，靠近切眼处受下部岩层冒落拉应力影响，形成少量离层裂隙。在老顶的跨度达到其极限跨度前，老顶以“假塑性梁”的形式承载着其上部载荷，随着采空区的范围扩大，老顶最终失稳垮落。如图2所示，工作面继续推进到40m时，老顶初次垮落，表现为岩层整体性破坏，垮落后仍有较好的完整性，破坏高度30m左右。

图1 工作面推进20m时弹性模量分布Figure 1 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 20m

图2 工作面推进40m时弹性模量分布Figure 2 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 40m

老顶初次垮落后，将发生“稳定—失稳—稳定”的周期性垮落。每一次周期垮落后上覆岩层进入短暂的稳定期，随着工作面推进，老顶悬露的面积也随着增大，当达到极限跨距时，老顶开始断裂，继而再次失稳垮落。如图3所示，工作面推进至55m时，老顶形成的相对平衡状态被打破，发生第一次周期垮落，来压步距为15m，上覆岩层垮落高度较第一次垮落有较大发展。如图4所示，工作面推进至70m时，老顶发生第二次周期性垮落，来压步距15m，上覆岩层垮落高度达到煤层顶板以上75m左右。如图5所示，工作面继续推进至100m时，导水裂隙带高度没有继续扩大，保持在75m左右，分析该处岩层达到极限垮距时，下部岩层已经触矸，所以岩层不会继续垮落，75m为煤层顶板导水裂隙带发育的上限高度，上部岩层出现大量离层裂隙，已经进入弯曲下沉带范围。

图3 工作面推进55m时弹性模量分布Figure 3 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 55m

图4 工作面推进70m时弹性模量分布Figure 4 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 70m

图5 工作面推进100m时弹性模量分布Figure 5 Elasticity modulus distributions when working face advanced to 100m

4 工程应用实践

4.1 工程概况

L-01井是山西蓝焰煤层气集团有限责任公司在沁水盆地部署的第一口地面瓦斯抽采L型采动水平井，目的是利用受采动影响地面井，在工作面回采期间连续抽采顶板裂隙带瓦斯，缓解井下瓦斯治理压力。该井位于沁水县郑村镇赵庄村，井下为寺河矿3313工作面。3313位于寺河矿东区，与4301工作面地质条件相似，工作面倾向长度317m，走向长度1 233m，可采储量320万t，于2014年7月20日初采，2015年3月3日回采结束，回采周期226d，日均进尺5.45m。L-01井于2014年5月23日开钻，7月10日完钻，井深1 272m(其中垂直段102m、造斜段361m，水平段809m)。根据4301工作面RFPA-2D模拟结果，导水裂隙带发育上限高度为75m，故将L-01井水平段设计在3号煤层顶板以上40～60m岩层中，位于导水裂隙带范围内，利用煤层采动期间在导水裂隙带内形成大量沟通裂缝改善抽采条件，强化抽采效果(图6)。

图6 L型采动水平井水平段相对位置Figure 6 Relative position of L typed mining horizontal well segment

4.2 数据分析

图7显示瓦斯抽采纯量于工作面进尺趋势相同，且滞后于工作面进尺变化。L型采动水平井与常规水平井不同，不是通过排水降压，而是利用采动影响区的卸压增流效应，原来的挤压应力变成拉张应力，煤岩层松动、破裂，使得煤岩层的大量裂隙张开，地应力大范围的有效释放，彻底破坏甲烷的封闭应力，甲烷大量解吸。随着工作面推进，割煤过程中释放的甲烷量增加，在浓度差和压力梯度的作用下进入导水裂隙带被“L型采动水平井”负压抽出，释放-扩散-运移存在时间差，解释了工作面进尺与抽采纯量变化趋势相同但抽采纯量变化滞后于工作面进尺变化的原因。

图7 工作面回采速度与甲烷纯量的关系Figure 7 Relationship between working face extraction rate and methane pure capacity

从图8可以得出，L型采动水平井开始运行之后，井下风排甲烷体积分数明显下降，从平均70m3/min下降到35 m3/min左右。根据工作面回风探头读数，甲烷体积分数从0.98%～1%逐渐降低，稳定在0.75%左右，说明L型井可以起到辅助井下通风的作用。L型井的甲烷抽采纯量变化趋势与风排甲烷纯量变化趋势相同，二者主要受控于井下工作面进尺。L型井开始运行后，采空区和高位钻孔甲烷抽采纯量均大幅降低，高位钻孔尤其明显，L型井的甲烷抽采纯量与采空区和高位钻孔甲烷抽采纯量呈现出负相关的趋势，并且L型井的甲烷抽采纯量明显高于采空区和高位钻孔甲烷抽采纯量。分析认为在甲烷总量一定条件下，L型井与高位钻孔和采空区抽排存在竞争，所以存在此消彼长的关系，L型井抽采效率高于采空区和高位钻孔两种抽采方式。

图8 地面L型井抽放与井下抽放的关系Figure 8 Relationship between surface L typed well drainage and underground drainage

5 结论与建议

1)利用RFPA-2D软件平台，对寺河矿4301工作面回采过程中上覆岩层的变形和垮落情况进行了模拟，得出4301工作面导水裂隙带发育高度上限位75m。将导水裂隙带发育高度模拟结果推广到相邻工作面，指导地面L型水平井水平段设计，L型水平井运行后，有效缓解了井下瓦斯抽放压力，降低井下通风成本。

2)L型水平井抽采纯量与工作面进尺呈正相关关系，与高位钻孔和采空区抽采纯量呈负相关关系，抽采效率优于高位钻孔和采空区抽采方式。

3)用RFPA-2D软件预测回采工作面导水裂隙带发育高度切实可行，模拟结果可以为卸压瓦斯抽采提供理论支持。但实际地质条件千差万别，在应用过程中应该注重岩层实际参数条件，并在相邻地质条件相邻或相近地质条件下使用，才能使模拟结果更加符合实际。