低瓦斯高强度开采综放工作面卸压瓦斯抽采关键技术

陈 龙，龚选平，成小雨，白廷海，程 成，3

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤华晋集团有限公司，山西 河津 043300；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

目前许多矿井都实现了高产高效[1-2]，其中综放开采得到了广泛应用，综放开采煤层厚，工作面瓦斯涌出量大[3-4]，因此综放工作面的瓦斯治理是保证矿井安全高效生产的前提。煤层开采后，岩层会产生垮落、裂隙等破坏现象，形成覆岩“三带”，为瓦斯的运移提供了通道[5-6]，由于瓦斯具有升浮特性[7]，覆岩裂隙带成为采空区瓦斯的主要聚集地，判别覆岩三带的高度及裂隙带瓦斯富集区的具体位置是指导瓦斯抽采、瓦斯防治的首要任务。

众多学者对覆岩裂隙带的分布特征进行了研究，提出了“O”型圈分布、椭抛带分布、环形裂隙圈等理论或模型[8-11]。杨科等研究了不同采厚下的采动裂隙分布特征，得出采动裂隙呈阶段性变化特征[12]；李树刚等采用微震监测系统，得到了覆岩裂隙带的高度及分布特征[13]，吴仁伦、刘洪永、刘桂丽等研究了不同采高、推进速度下采动裂隙带内卸压瓦斯的运移规律，指导了现场的瓦斯抽采[14-16]；李生舟、王彪分别研究了U型、U型+走向高抽巷、Y型通风系统下的采空区卸压瓦斯的分布及运移规律[17-18]；王伟等研究了近距离煤层上保护层开采的裂隙演化规律，指导了被保护层的卸压瓦斯抽采[19]，张东明等对采动裂隙、应力、瓦斯渗流特性进行了研究，构建了裂隙煤岩体采动应力和瓦斯渗透的力学模型[20]；王亮等研究了下保护层开采覆岩采动裂隙场与瓦斯流动场的耦合规律，发现瓦斯运移和煤岩变形是一个非常复杂的动态平衡过程[21]。

综上所述，学者们对覆岩三带分布、采动裂隙、瓦斯运移等规律做了很深入的研究，但对于低瓦斯高强度开采综放工作面卸压瓦斯抽采技术研究相对较少。王家岭矿是我国典型的低瓦斯煤层高强度开采导致的高瓦斯矿井，工作面设计日产量大。因此，本文以王家岭矿12302工作面为例，采用相似物理模拟实验和分形理论定量描述了采动裂隙的分形特征和“三带”分布特征，建立了采动裂隙与瓦斯运移耦合的数值计算模型，得出了采动裂隙带中的瓦斯富集区，指导了现场的瓦斯抽采设计，并进行了效果检验，以期为类似条件下的矿井瓦斯治理提供参考。

1 采动覆岩“三带”及其分形特征

1.1 物理模型建立及监测方案

12302工作面走向长2 600 m，倾向长310 m，煤层平均厚度6 m，倾角1°～3°，采用长壁后退式采煤法，综合机械化放顶煤工艺，根据12302工作面地质情况及相似材料计算方法，获得各层材料的配比及岩层厚度，见表1。分别建立1∶200的走向和倾向的相似模型，模型设计高120 cm，模型两边各留设保护煤柱30 cm。走向模型进行分步开挖，每步开挖5 cm，相当于工作面推进10 m，共开挖190 cm，相当于工作面推进380 m，倾向模型进行一次性开挖155 cm，相当于开挖倾向长度310 m。沿煤层顶板由下至上的岩层中共布设5条测线，分别距煤层顶板10，30，50，70，90 cm，每条测线布置24个测点，模型共计布设120个位移测点。物理相似模型位移测点布置如图1所示。

表1 岩层分布及相似物理模型厚度

图1 物理相似模型测点布置图

1.2 采动覆岩破断及演化规律

1.2.1 走向模型上覆岩层垮落及位移特征

不同推进距离下采动裂隙演化如图2所示。当工作面推进至50 m时，覆岩出现了明显的离层裂隙和破断裂隙，采空区覆岩老顶发生初次来压垮落，垮落最大高度距煤层顶板12 m，随着工作面的推进，裂隙的发育高度逐渐增加，工作面推进80 m处发生第1次周期来压，离层裂隙和破断裂隙明显增多，垮落高度增加至20 m；工作面推进至170 m时，采空区覆岩破坏范围和高度进一步增大，垮落带高度在25 m左右，裂隙带高度达到60 m，裂隙带上方岩层具有微小的的下沉，形成了明显的垮落带、裂隙带和弯曲下沉带；随着工作面的继续推进，顶板发生多次周期来压，第12次周期来压发生在推进至360 m处，采空区覆岩中部形成了压实区，两侧裂隙较为发育，卸压瓦斯在工作面风流压力梯度下在裂隙通道内流动，造成此区域瓦斯富集，通过对模型的测量和计算，得出瓦斯富集区主要集中在距进、回风巷20～50 m，煤层顶板以上25～50 m范围内。

图2 不同推进距离下覆岩裂隙演化

图3为沿煤层走向开釆后上覆岩层5条测线下沉量变化曲线，由图3可以看出，测线1至测线5的的最大下沉量分别为1.94，2.96，3.2，3.4和5.4 m，测线1的下沉量最小且范围最窄，测线2，3，4的最大下沉量较为接近，测线5的下沉量明显大于其它几条测线且范围最宽，最大下沉量接近煤层厚度6 m，表明测线5位于冒落带内，测线2～4位于裂隙带内，测线1位于弯曲下沉带内，通过最终测量走向模型的冒落带为28.2 m，裂隙带为118.6 m。

图3 沿煤层走向开釆后上覆岩层测点下沉量

1.2.2 倾向模型上覆岩层垮落及位移特征

沿煤层倾向工作面上覆岩层垮落及裂隙发育如图4所示，一次性开挖不同于分布开挖，倾向推进速度较快，会增加岩层破断的距离，也会导致左右两边界的垮落角不同，由图4可明显看出，左边界垮落角为55.5°，右边界垮落角为62.5°，由于倾向模型的推进方向是从右向左，导致右侧垮落角大于左侧，同时，采空区中部裂隙已经被压实，两侧裂隙较为发育，下部裂隙比较杂乱，破断裂隙较多。图5为沿煤层倾向开釆后上覆岩层测点的下沉量。距离煤层顶板越远的位移测点下沉量越小，与走向模型相似，每一排的测点位移变化量也具有相应的规律，因此根据走向和倾向模型上覆岩层的垮落和位移特征，可得出在三维立体上的下沉量也符合这一规律，通过对倾向模型三带测量，得出倾向模型的冒落带为高度为28.2 m，裂隙带高度为113.6 m。

图4 倾向模型上覆岩垮落及裂隙发育

图5 倾向开釆后上覆岩层测点下沉量

1.3 采动岩体裂隙演化分形特征

分形理论主要用于描述自然界不规则事物，给出一个定量的标准。其中计盒维数方法由于计算方便、准确，而得到广泛应用，定义如下

(1)

设A∈H(Rm)，其中，Rm为欧式空间，用边长为1/2n的封闭正方形盒子覆盖A。

物理相似模拟能够定性的描述采动裂隙的发育情况，而引入根据分形理论，通过分形维数来定量描述采动裂隙网络的分形特征。首先将物理相似模拟实验中的裂隙照片导入到Photoshop软件中，提取出不同推进距离下的裂隙分布图，然后将裂隙分布图片导入Fractal Dimension软件，可得到lgN-lgS双对数图如图6所示，直线的斜率为采动岩体裂隙的分形维数，不同推进距离下的分形维数见表2。

图6 覆岩裂隙网络lgN-lgS关系

由表2可知，lgN(δ)-lg(1/δ)双对数图的拟合度较好，均在0.99以上，表明不同推进距离下的裂隙网格均具有分形特征，其中直线的斜率为分形维数，推进距离与裂隙分形维数的关系如图7所示，分形维数随着推进距离的增加先快速增大，然后趋于平缓，中间有稳定波动，在初次来压以及周期来压时的分形维数增大尤为明显。表明随着工作面推进，不断有新的裂隙网络覆盖在先前形成的裂隙网络之上，从而导致整体裂隙发育情况也不断趋于复杂，分形维数不断增大；随着工作面的不断推进采空区深部逐渐压实，裂隙趋于闭合，而在工作面附近覆岩产生新的裂隙，使得闭合裂隙与新生裂隙处于动态平衡过程，尤其是在第4周期来压及之后分形维数保持相对稳定的状态。

表2 不同推进距离下裂隙网络的分形维数

图7 推进距离与裂隙网络分形维数关系

1.4 采动覆岩“三带”划分

根据采动覆岩的垮落和裂隙分布特征，分别得出2种模型三带高度如图8所示，走向模型的冒落带为28.2 m，裂隙带为118.6 m，切眼处的垮落角为59.5°，停采线处的垮落角为53.5°。倾向模型的冒落带为28.2 m，裂隙带为113.6 m，采煤机进刀端的垮落角为62.5°，停采线处的垮落角为55.5°。对比分析可得走向模型和倾向模型在完全开挖后，均会产生中部压实区和两边裂隙区，两边裂隙区分别距巷道约20～50 m范围内，“三带”高度基本保持一致。

图8 采动覆岩“三带”划分

2 考虑采动覆岩“三带”的卸压瓦斯空间分布及运移特征

2.1 数值计算模型建立

采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件，根据工作面的实际情况和覆岩“三带”分布高度、跨落角等参数，将采空区及上覆岩层划分为15个不同区域，数值计算几何示意如图9所示，同时对数值模型进行网格细划并局部加密，数值计算模型如图10所示。进风巷口为入口边界，进风巷风流速度为2.5 m/s，瓦斯浓度为0，瓦斯压力为0，工作面煤壁质量源为6×10-3kg/(m3·s)，采空区区域质量源为5×10-4kg/(m3·s)，回风巷口设置为压力流出类型，其余固体边界设置为壁面。设定多孔介质稀物质流动和达西定律多物理场耦合求解，直至模型计算残差收敛为止，可得采场瓦斯分布、流场等规律特性。

图9 数值计算模型几何示意图

图10 数值计算模型

2.2 卸压瓦斯空间分布及运移特征

2.2.1 采场瓦斯空间分布特征

采场瓦斯空间分布如图11和图12所示，由图11可知，进风巷一侧的瓦斯浓度低于回风巷一侧的瓦斯浓度，从进风巷到采空区深部瓦斯浓度受到漏风影响的幅度比较大，从回风巷到采空区深部瓦斯浓度受到漏风的影响幅度较小，在相同的水平位置方向，回风巷方向的瓦斯浓度高于进风巷的瓦斯浓度，尤其在距回风巷20～50 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内的瓦斯浓度较高，此处为采动裂隙带的瓦斯富集区。从图12可知，从工作面至采空区深部浓度逐渐升高，在采空区中部的瓦斯浓度变化梯度比较明显，瓦斯浓度最高区域为采空区深部回风巷附近，分析其原因可能为由于该区属于负压区，采空区的漏风风流速度较慢，而负压区内的空气一般处于涡流状态，导致高浓度瓦斯难以进入回风流，因此瓦斯在此处聚集，瓦斯浓度超过20%。工作面上隅角瓦斯浓度偏高，瓦斯浓度接近1.5%，这是由于漏风流从工作面进风侧漏向采空区，将采空区中的瓦斯经过上隅角排出。此外，上隅角处的风流可能处于涡流状态，瓦斯不能及时被稀释从回风流中排出，从而使上隅角瓦斯积聚，给煤矿安全生产形成安全隐患，因此必须采取措施来降低上隅角的瓦斯浓度，保证矿井安全高效生产。

图11 采场瓦斯三维空间分布图

图12 采场瓦斯浓度水平剖面图

2.2.2 采场瓦斯空间运移特征

采场瓦斯三维空间流线如图13和图14所示。在漏风风压的作用下，瓦斯整体上有向上、向采空区深部、向回风巷一侧运移的特性，采空区瓦斯一部分通过漏风风流从回风巷一侧排出，一部分瓦斯流向采空区深部和靠近回风巷一侧的采动裂隙带中，这是由于瓦斯的密度较小且漏风风流压力的不足，因此瓦斯在向回风巷一侧运移的过程中会漂浮到上覆岩层的裂隙中；采场覆岩中部的瓦斯流线较少，这是由于中部压实区的的裂隙较少，因此中部的瓦斯流线较少，靠近回风侧的瓦斯流线多而密，表明瓦斯在漏风风压的作用下多汇聚于此，结合图11采场瓦斯三维空间分布图的瓦斯富集区对比分析可知，采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷20～50 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内。

图13 采场瓦斯三维空间流线图

图14 采场瓦斯水平剖面流线图

3 高位定向长钻孔抽采卸压富集瓦斯

3.1 高位定向长钻孔卸压瓦斯抽采设计

采空区覆岩裂隙卸压瓦斯的抽采是防止工作面瓦斯超限的关键，而瓦斯富集区的位置的判定是指导瓦斯抽采的基础，根据前节所研究的成果，得出采动裂隙带卸压瓦斯聚集区位于距回风巷20～50 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内，对工作面的高位定向长钻孔的参数进行了设计，钻场内布置4个高位钻孔，施工钻孔孔径133 mm，钻孔终孔长度约500 m，钻孔施工完成后采用两堵一注方式进行封孔，高位钻孔布置如图15所示。

3.2 卸压瓦斯抽采效果

3.2.1 卸压瓦斯治理效果考察

工作面高位定向长钻孔布置后的抽采浓度和抽采纯量如图16所示，由图16可知，3-1,3-2,3-3,3-4这4个钻孔整个抽采期间的平均抽采浓度分别为11.18%，8.28%，7.63%，7.31%，平均抽采纯量分别为1.11，1.02，0.95，0.74 m3/min，相比于其它钻场高位钻孔的抽采效果，此次4个钻孔的抽采浓度和抽采纯量相对较高，卸压瓦斯抽采效果较好。

图16 高位抽采长钻孔抽采效果

3.2.2 工作面瓦斯治理效果

3号钻场抽采期间的工作面上隅角和回风流的瓦斯浓度如图17所示。由图17可知，采取高位定向长钻孔抽采裂隙带卸压瓦斯后，工作面正常生产期间的上隅角瓦斯浓度在0.21%～0.61%之间，回风流瓦斯浓度在0.03%～0.49%之间，工作面上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%，达到了工作面瓦斯治理的预期效果，工作面能够安全高效生产。

图17 上隅角和回风流瓦斯浓度

4 结 论

1)根据上覆岩层的垮落和位移规律，得出走向模型的冒落带为28.2 m，裂隙带为118.6 m，切眼处和停采线处的垮落角分别为59.5°和51.5°，倾向模型的冒落带为28.2 m，裂隙带为113.6 m，进刀端和停采线处垮落角分别为62.5°和55.5°，随着工作面开采距离的增加，分形维数先增大后趋于平稳。

2)在漏风风流的压力下，采场卸压瓦斯整体上有向上、向采空区深部、向回风巷一侧运移的特性，靠近回风侧的采空区深部瓦斯浓度可达20%左右，上隅角瓦斯浓度接近1.5%，结合覆岩裂隙的发育规律得出采动裂隙带瓦斯聚集区位于距回风巷20～50 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内。

3)采用高位定向长钻孔抽采采动裂隙带的聚集瓦斯，钻孔的抽采浓度和纯量较高，抽采效果较好，整个钻孔抽采期间，上隅角和回风流瓦斯浓度均小于0.8%，达到了预期的效果，保证了矿井的安全高效的生产。