王家嶺煤礦綜放工作面上覆巖層運動規律及卸壓區瓦斯抽采試驗研究

蔡 峰

(中國中煤能源集團有限公司，北京市朝陽區，100120)

0 引言

大型綜合機械化采煤設備的普及，加快了礦井煤炭的開采速度[1-3]。然而，高強度、快速開采提高煤炭生產效率的同時增強了煤巖體擾動，極易誘發工作面上覆巖層破斷、移動[4-6]，并在煤層中形成大量采動裂隙和離層。這些裂隙成為鄰近煤層瓦斯運移的通道，離層成為了瓦斯的聚集場所[7]。周期來壓時，上覆巖層垮落，聚集在裂隙和離層內的瓦斯迅速噴出，增大了瓦斯災害事故發生的可能性。因此，揭示工作面上覆巖層運動特征及其來壓規律，對煤礦安全開采及瓦斯災害防治有重要的理論和實際意義。

自20世紀80年代提出“橫三帶”“豎三帶”理論體系以來[8-9]，不少學者在此基礎上對覆巖裂隙演化規律做了進一步深入研究。趙毅鑫等[10]將相似模擬、數值模擬和分形理論相結合，研究了淺埋超大采高工作面覆巖裂隙演化規律，并探討了分形維數、采高和覆巖裂隙發育高度等參量間的關系；姚琦等[11]基于相似模擬實驗，對湘永煤礦2463工作面覆巖破壞特征及移動規律進行分析，得出最大擾度出現位置，以及充填和未充填區域頂板下沉特征；張培鵬等[12]利用相似模擬實驗方法，對開采過程中高位硬厚巖層覆巖結構演化規律進行研究，得到了硬厚巖層破斷前后的結構形狀，并分析了結構失穩的動力災害規律；高喜才等[13]針對大傾角煤層變角度綜放工作面受傾角變化影響的問題，將相似模擬實驗與現場監測相結合，以棗泉煤礦大傾角煤層120210變角度工作面為例，分析了大傾角煤層變角度工作面和單一角度工作面綜放開采覆巖運移規律；尹光志等[14]以平煤神馬集團十礦己15煤層24080工作面實際地質資料為背景，開展了三維采動應力條件下覆巖裂隙演化規律相似模擬實驗。此外，還有部分學者進行了現場試驗研究[15-17]。綜上所述，學者們基于物理相似模擬實驗、數學模型和現場試驗等手段不斷研究探索覆巖裂隙演化規律，取得豐富成果。然而，以特定區域的地質資料為背景進行的相似模擬實驗，或在特定煤田進行的現場試驗是否符合所有礦區覆巖移動演化特征還有待考究。

在瓦斯治理方面，肖峻峰等[18]研究了近距離高瓦斯煤層群上覆巖層裂隙演化規律，優化了傾向高抽巷布置參數，并以現場試驗驗證了方法的可行性；許滿貴等[19]將物理相似模擬實驗與數值模擬相結合，探究了“三軟”煤層綜采工作面覆巖運移、裂隙演化規律，并通過現場試驗驗證了模擬結果的準確性；王金華[20]以同煤塔山煤礦為實際工程背景，研發了低瓦斯、高涌出礦井，特厚、大采高煤層綜放開采高效技術，實現了該條件下工作面產量1 000萬t/a的目標；張村等[21]以淮南礦4個工作面瓦斯抽采數據為例，探究了工作面推進速度對瓦斯抽采的影響程度(敏感因子)，認為工作面推進速度對瓦斯抽采的影響主要取決于推進過程中保護層與被保護層瓦斯涌出量的大小。但以上研究成果主要針對高瓦斯礦井瓦斯治理及如何高產高效生產展開的研究，而對低瓦斯礦井瓦斯治理及高效抽采的研究有限[22-23]。

王家嶺煤礦瓦斯含量和煤層透氣性較低，但由于高強度開采致使煤層瓦斯涌出量較大[24]。主采的2號煤層在煤層瓦斯含量、地質條件、通風方式等相同的前提下，綜放工作面要比普通工作面的瓦斯涌出量大，這主要與開采過程中瓦斯涌出的不均衡性有關，所以綜放工作面瓦斯的來源、流通通道還需深入研究。

筆者以王家嶺煤礦12301工作面為工程背景，基于物理相似模擬實驗、數值模擬、微震監測手段，對綜放工作面上覆巖層運動規律展開綜合研究，以期為類似條件下的瓦斯治理問題提供參考。

1 相似模擬物理模型實驗設計

1.1 工程概況

中煤華晉公司王家嶺煤礦位于鄉寧縣西南部，井田位于華北板塊鄂爾多斯地塊河東區塊的南部邊緣，河東區塊東部以離石斷裂為界，西部為黃河，南部和北部是沉積帶邊緣。井田總體為一向西傾斜的單斜構造，區內構造以褶曲為主，次級褶曲走向主要為南北向。本井田太原組和山西組為主要含煤地層，含可采煤層5層，自上而下分別為2、3、7、10、12號煤層，其中2、10號煤層為全區穩定可采煤層，3號煤層為較穩定大部可采煤層，7、12號煤層為不穩定局部可采煤層。

相似模擬實驗以2號煤層12301工作面為實驗工作面。2號煤層平均厚度6.2 m，采用綜采放頂煤采煤法，平均采高6 m，煤層傾角5°，工作面直接頂為中-細砂巖，其抗壓強度53～89 MPa，平均抗壓強度68 MPa。

1.2 相似模擬實驗材料配比及模型尺寸

基于12301工作面地質和開采條件，建設2 m走向的物理相似模擬裝置，材料詳細配比結果見表1，模擬實驗模型如圖1所示，在模型邊界10 cm(影響煤柱)處開挖8 cm(對應原型值8 m，以下尺寸均為原型值)作為開切眼。

圖1 相似模擬實驗模型

表1 巖層分布及其配比

2 實驗結果與分析

模擬12301工作面不同推進距離時上覆巖層運移及裂隙發育過程如圖2所示。由圖2可知，當工作面推進距離為10 m時，直接頂上覆巖層首次出現離層，并在頂板第一巖層有豎向微裂縫；當工作面推進距離為17 m時，上覆巖層間隙增大，頂板第二巖層出現豎向微裂縫，且出現離層；當工作面推進距離為35 m時，直接頂初次垮落，第二巖層同時破斷，破斷巖塊長度由開切眼至煤壁依次為34、23、12、9 m；當工作面推進距離為55 m時，上覆巖層發生初次來壓，初次來壓步距55 m，垮落高度距煤層底板16 m，空洞高度4.5 m，離層裂隙距煤層頂板最遠23 m；當工作面推進距離為85 m時，直接頂垮落，頂板發生第1次周期來壓，來壓步距30 m，垮落高度47 m，空洞高度5.6 m，上覆巖層破壞后未全部垮落；當工作面推進距離為110 m時，上覆巖層發生第2次周期來壓；當工作面推進距離為135 m時，上覆巖層發生第3次周期來壓，垮落高度距煤層底板57 m，空洞高度2.5 m，離層裂隙距煤層頂板最遠67 m；當工作面推進距離160 m 時，上覆巖層發生第4次周期來壓，此時垮落高度距煤層底板90 m，離層裂隙距煤層頂板最遠102 m，離層裂隙大部分已趨于閉合，采空區覆巖整體運動基本趨于穩定，實驗開挖結束。

圖2 工作面不同推進距離時上覆巖層運移及裂隙發育過程

綜上所述，上覆巖層共發生4次周期來壓，基本頂初次垮落步距55 m，基本頂周期來壓步距24～30 m，周期來壓平均步距26.2 m，為初次來壓步距的0.476倍，垮落帶高度13.4～17.5 m，裂縫帶最大高度達到95 m。

3 綜放工作面覆巖移動演化數值模擬

3.1 幾何模型及邊界條件設定

根據12301工作面開采技術條件，建立數值模擬模型，如圖3所示。

圖3 工作面數值模擬模型及網格劃分

模型尺寸為260 m×400 m×326 m(長×寬×高)。模型中巖層層理、節理選擇為面接觸——庫侖滑移節理模型。模型左邊界、右邊界、下邊界采用位移固定，通過在上邊界施加均布載荷，左右邊界施加圍壓，模擬實際工作面圍壓。針對王家嶺礦開采條件，采用分步開挖模式。巖石力學參數見表2。

表2 巖石力學基本參數

3.2 數值模擬結果

12301工作面不同推進距離覆巖采動裂隙特征如圖4所示，圖中橫坐標表示工作面推進距離，縱坐標表示垂直方向的距離。由圖4可以看出，當工作面推進距離為20 m時，直接頂下沉量增大；當工作面推進距離為32 m時，直接頂隨采隨垮；當工作面推進距離為40 m時，上覆巖層裂隙發育更加充分，發育高度增大；當工作面推進距離為52 m后，基本頂初次垮落，工作面初次來壓，垮落的巖石并未充滿采空區；隨著工作面不斷推進，覆巖形成周期性來壓，當工作面推進距離為60 m時，上覆巖層部分離層裂隙被壓實，關鍵層附近空洞范圍增大；當工作面推進距離為80 m時，基本頂再次破斷，采動裂縫帶發育高度增大至96 m；當工作面推進距離為100 m時，采動裂縫帶發育高度增大至104 m；隨著工作面推進距離至104 m，上覆巖層下沉幅度增大，關鍵層斷裂；當工作面推進距離至260 m處，關鍵層出現周期性破斷，形成較穩定的鉸接結構，垮落帶和裂縫帶的發育高度基本不再變化，工作面采動完全，同時采空區中部斷裂帶內采動裂隙已基本壓實閉合。

圖4 12301工作面不同推進距離覆巖采動裂隙特征

3.3 煤層底板應力變化規律

12301工作面不同推進距離底板垂直應力變化如圖5所示。由圖5可知，在開切眼完成之后，底板垂直應力集中系數約為1.24；隨著工作面的推進，采空區底板應力一直在減小，這是由于在初次來壓前基本頂未斷裂，基本頂起到支撐上覆巖層的作用，因此上覆巖層未對底板形成壓力；工作面推進至52 m 時出現初次來壓現象，上覆巖層開始垮落，采空區逐漸被壓實，采空區中部的底板應力開始增大，垂直應力集中系數約為2.14；當工作面推進至260 m 時，工作面前方垂直應力集中系數約為2.35，采空區中部位置垂直應力峰值達到原巖應力的2.18倍左右，說明采空區中部裂隙逐漸被壓實。

圖5 12301工作面不同推進距離底板垂直應力變化

4 工程實踐

開采過程中，煤層受擾動影響受力不均，致使煤巖體發生破裂，所釋放出的彈性波在傳播，這種彈性波可看成微震事件[25]，因此，采用微震監測系統識別產生裂隙而生成的彈性波，就能夠掌握工作面推進過程中上覆巖層裂隙發育及演化規律。

4.1 覆巖空間微震監測

4.1.1 傳感器布置

傳感器的布設位置如圖6所示，安裝方法如圖7所示。

圖6 傳感器布設

圖7 傳感器安裝示意

4.1.2 微震監測結果

在12301工作面進、回風巷頂板，煤層、采空區頂底板共發生2 572個微震事件，如圖8所示。圖8中X指工作面傾向距離，Y工作面走向距離，Z指工作面垂直距離。在監測時間段內，周期來壓4～6次，平均步距20 m，平均來壓周期5 d。工作面回采過程中，超前工作面、煤層頂底板產生了大量的微震事件，事件集中分布在工作面前方50 m范圍內，說明此區域應力集中較大，應注意超前支護防范。

圖8 采動覆巖微震事件三維空間分布

在監測時間內，采空區上部頂板出現了較多橫向分布的微震事件，中部和下部頂板產生大量微震事件，且有新的裂隙不斷產生。由于新生裂隙和原有裂隙互相連通，致使頂板產生了裂縫帶，裂縫帶的高度在90 m左右，采空區下部頂板裂隙貫通后發生較大范圍垮落，上部頂板出現離層現象。

結合開展的物理相似模擬實驗、數值模擬實驗和現場微震監測試驗，基本可以得出該工作面覆巖采動裂隙分布特征，如圖9～11所示。

圖9 工作面回采后物理相似模擬實驗結果

由圖9實驗結果可以看出，隨著工作面推進，整個工作面形成了比較明顯的“三帶”形態，垮落帶高度最終穩定到24 m，冒采比為4.14，采動裂縫帶高度穩定到110 m。由圖10可以看出，隨著工作面推進距離的增加，工作面經歷了多次周期來壓，關鍵層也出現周期性破斷，形成較穩定的鉸接結構，垮落帶高度不斷變化增加最后穩定在24 m，采動裂縫帶的高度發育到100 m左右。由圖11可以看出，測試階段采空區中部和下部頂板有新的裂隙不斷產生，且中部頂板新生裂隙和原有裂隙之間、原有裂隙之間相互貫通，逐漸形成了頂板裂縫帶，裂縫帶的高度在95 m左右，采空區頂板事件最大高度(裂隙發育高度)在200 m左右(距煤層頂板垂距)，周期平均來壓步距為20 m。

圖10 工作面回采后數值模擬實驗結果

圖11 工作面回采后微震試驗監測結果

綜合以上分析結果表明，12301工作面的垮落帶高度在24 m左右，采動裂縫帶高度在90～110 m。

4.2 卸壓區瓦斯抽采效果

王家嶺礦目前采用煤層頂板裂縫帶高位鉆孔的瓦斯抽采治理方式[26]。綜合相似模擬、數值模擬和微震監測結果，高位鉆孔布置層位和平距見表3。在回風巷布置8個鉆場，每個鉆場施工4個高位鉆孔，鉆孔孔徑133 mm，鉆孔長度500 m左右，開孔段9 m設置鋼制套管并用水泥砂漿采用“兩堵一注”方式進行封孔。

表3 高位鉆孔布置層位/平距數據 m

通過在合理層位布置抽采鉆孔，對工作面覆巖瓦斯儲運區卸壓瓦斯進行抽采治理，得到了合理層位范圍內的瓦斯抽采純量，與其他層位瓦斯抽采純量對比如圖12所示。由圖12可知，合理層位工作面瓦斯抽采量為1.84～3.24 m3/min，平均瓦斯抽采量為2.52 m3/min；其他層位工作面瓦斯抽采量為0.53～2.65 m3/min，平均瓦斯抽采量為1.66 m3/min。合理層位工作瓦斯抽采量為其他層位工作面瓦斯抽采量的1.5倍，瓦斯抽采效果顯著。

圖12 層位影響的工作面瓦斯抽采量對比

4.3 工作面瓦斯治理效果

2018年5月6日至7月25日，對工作面回風流和上隅角進行瓦斯濃度監測，如圖13所示。由圖13可以看出，工作面上隅角和回風流的瓦斯濃度均低于0.8%，保證了采煤工作面高效安全回采。同時也說明瓦斯抽采合理層位布置的重要性。

圖13 上隅角、回風流瓦斯濃度變化

5 結論

(1)隨工作面的推進，工作面上覆巖層垮落高度距煤層底板距離從16 m變化到90 m；離層裂隙距頂板距離隨工作面的推進由23 m增大至102 m；空洞高度隨工作面的推進不斷減小。

(2)初次來壓前基本頂未斷裂，上覆巖層未對底板形成壓力，隨工作面的推進，采空區的應力一直在減小。初次來壓后，上覆巖層開始垮落，采空區逐漸被壓實，隨工作面的推進，采空區的底板應力開始增大。

(3)在進、回風巷頂板，煤層、采空區頂底板共發生了2 572個微震事件，事件集中分布在工作面前方50 m范圍內，此區域應力集中較大，應注意超前支護防范。12301工作面周期來壓平均步距20～26 m，采動裂縫帶高度90～110 m，周期來壓為4～6次。

(4)合理層位工作面瓦斯抽采量1.84～3.24 m3/min，平均瓦斯抽采量2.52 m3/min；其他層位工作面瓦斯抽采量0.53～2.65 m3/min，平均瓦斯抽采量1.66 m3/min。合理層位工作瓦斯抽采量為其他層位工作面瓦斯抽采量的1.5倍，回風流、上隅角瓦斯濃度均不超過0.8%，瓦斯治理效果顯著。研究可為類似條件下的礦井瓦斯治理提供參考。