基于主应力位移判别法的高位定向长钻孔布置层位分析及应用*
时间：2023-02-23 17:25:05 来源：千叶帆 本文已影响人
窦成义，李建华，杜豪豪，李庆钊
(1.陕西彬长大佛寺矿业有限公司，陕西 咸阳 712000；
2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116)
当前国内许多矿井针对厚煤层广泛采用综放开采方法，开采期间本煤层、邻近层的瓦斯会大量涌入工作面，因此综放工作面瓦斯治理是保证矿井安全生产的重要前提。综放工作面瓦斯治理常采用高抽巷的方法，但高抽巷的施工需要大量的人员，成本高且存在一定的安全隐患。近年来高位定向长钻孔逐渐取代高抽巷应用到瓦斯治理中，为治理工作面瓦斯超限提供了新的方法。
煤层采动条件下上覆岩层会出现垮落、裂隙等破坏现象，形成覆岩“三带”，成为瓦斯运移的有效通道[12]，判定覆岩三带高度有利于采空区瓦斯的精准高效抽采。针对采动引起的上覆岩层裂隙带分布特征，学者们[36]提出“○”型圈分布、椭抛带分布、环形裂隙圈等理论或模型。李树刚等[7]基于微震监测技术准确探测采空区高位裂隙带瓦斯富集区域的空间位置。陈龙等[8]基于相似实验分析了煤层开采后上覆岩层的垮落特征及位移，确定了覆岩三带高度分布特征。魏有胜、张杰等[912]通过数值模拟与相似实验相结合的方法确定覆岩三带高度分布特征。胡良平等[13]通过现场顶板定向钻孔抽采瓦斯效果分析了其与高抽巷的优势。龚选平等[14]基于相似实验、数值模拟及现场监测方法确定瓦斯富集区域位于距回风巷25～55 m、高度距煤层顶板25～50 m范围内。
以往研究对于高位钻孔的布置层位确定方面取得了丰硕的成果，但厚煤层覆岩演化规律较为复杂，综放开采条件下瓦斯涌出量较大，如何精准地对涌出的瓦斯进行抽采是当前研究的难点。在前人的研究基础上采用高位定向长钻孔取消高抽巷治理采空区卸压瓦斯，而高位钻孔层位的合理布置是精准高效抽采瓦斯的关键，因此首先利用FLAC对厚煤层覆岩三带高度的分布特征进行了模拟计算，提出了覆岩三带高度的判别方法，设计了试验工作面钻孔布置方案并在现场进行了应用，研究结果可为相似开采条件下的采空区卸压瓦斯的治理提供一定借鉴。
1.1 工程概况
大佛寺40204工作面是在402采区南翼布置的第2个综放工作面，工作面走向长1 875 m，倾向长220 m，可采长度1 725 m，煤层埋深520.0～595.0 m，煤层倾角较小。煤层平均厚度11.8 m，可采厚度10.8 m，计划割煤高度3.4 m，放煤高度7.4 m。根据瓦斯涌出量预测结果，40204工作面绝对瓦斯涌出量为53.54 m3/min。
1.2 物理模型的建立
根据工作面煤层地质资料建立数值计算模型，模拟范围400 m×400 m×150 m(长×宽×高)，走向方向模拟工作面走向推进200 m，倾向推进220 m，为消除边界效应，两端各留煤柱90 m，物理模型如图1所示。
图1 物理模型Fig.1 Physical model
1.3 模型初始及边界条件
根据试验工作面地质钻孔柱状图及煤岩层物理力学参数(表1)，赋予各岩层参数。岩层主要由砂岩、砂质泥岩组成，属于弹塑性材料，计算采用摩尔库仑屈服准则。顶部边界施加等效载荷11.4 MPa，为防止滑移，模型底部及两边均设置为速度v=0固定边界。
表1 岩层力学参数
2.1 覆岩“三带”高度主应力判据
煤层在开采后，上覆岩层受采动影响会发生不同程度的破坏，垂直方向上主应力的大小分为压应力区、双向拉应力区、拉压应力区。岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，当岩石处于双向拉应力区时，岩石破碎程度较大，岩石主要受拉伸破坏与剪切破坏产生大量破碎较严重的裂隙，此区域可认为是冒落带。岩石处于拉压应力区时，该范围内的岩石水平方向受拉伸破坏，垂直方向受压，一定程度上会降低岩石的拉伸破坏程度，剪切作用减小，垂直于拉应力方向上会产生明显裂隙，但岩石不会完全破碎，此区域可认为是裂隙发育明显的裂隙带。岩石处于压应力区时，岩石抗压程度较高，几乎不会产生明显破坏的裂隙，此区域可认为是弯曲下沉带。
定义最大主应力为σ1、最小主应力为σ3，拉应力为正值，压应力为负值，则其区域内岩石受到的主应力定义如下：①冒落带σ1>0，σ3>0；
②裂隙发育明显的裂隙带σ1>0，σ3<0；
③弯曲下沉带σ1<0，σ3<0。
2.2 覆岩“三带”高度位移判据
煤层在开采过程中会导致上部岩层发生不同程度的下沉，距离开采区域较近的顶板会直接垮落，距离开采影响区域较远的岩层会出现不同程度的裂隙，下沉量也有所不同，因此可根据不同层位下沉量不同的特点来判别覆岩三带边界位置。采空区覆岩垂直位移与顶板垂直距离之间的变化规律[15]为
(1)
式中，u1为距顶板无限远时位移系数，m；
A1为采空区顶板覆岩最大位移系数，m；
k1为覆岩位移随距顶板距离衰减系数，m。
采空区覆岩垂直位移变化随距顶板高度增大而减小，垂直位移变化衰减快慢程度可用位移梯度表示，定义位移梯度v为
(2)
由式(1)(2)可得采空区覆岩垂直位移梯度v为
(3)
系数[15]分别取为A1=-0.082、k1= 88.320。
2.3 覆岩三带高度判别结果
根据不同区域岩石破坏程度不同作为覆岩三带分布范围划分的判据。监测岩层某一点的应力变化及破坏特征来表征此处岩石所处区域，可判断三带分布边界。工作面推进200 m时上覆岩层最大和最小主应力的分布云图，如图2所示。可以发现上覆岩层最大主应力、最小主应力在工作面两端呈对称分布，由此测点布置在开采区域的正中间，即测点随推进距离不断发生变化，确保测点始终处于开采区域的正中间，各测点在煤层顶板上方不同位置处分布，在最大、最小主应力正负交界处分布较为密集，主应力测点的分布情况如图3所示。工作面推进200 m时距煤层顶板不同位置处测点的最大、最小主应力如图4所示，根据主应力判别法确定冒落带的高度最大为17.5 m，裂隙发育明显的裂隙带高度为52.5 m。
图2 上覆岩层主应力分布Fig.2 Principal stress distributions of the overlying rock strata
图3 主应力测线监测Fig.3 Principal stress measurement line monitoring
图4 覆岩主应力变化曲线Fig.4 Principal stress change curve of the overlying rock
由模拟位移结果可知，模型中间位置的覆岩位移变化最为显著，垂直位移值最大，位移梯度最小，三带发育最完全，由此选择此位置的三带高度可反映上覆岩层三带特征，工作面推进200 m时模型中间位置剖面的上覆岩层下沉位移量，如图5所示。
图5 上覆岩层下沉量Fig.5 Subsidence of overlying rock strata
采空区“三带”的位移梯度不同，由此可根据位移梯度大小来判别“三带”高度。在模型中布置测线监测各距顶板不同高度处的岩层下沉量，测线1至测线7分别距煤层顶板10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、80 m，如图6所示。工作面推进200 m时7条测线所在岩层的下沉量如图7所示。测线1、2的下沉位移量最大，且范围最宽；
测线3、4、5、6下沉位移量居中；
测线7的下沉位移量最小，且下沉位移的变化范围最窄，由此判断冒落带高度在10～20 m之间，裂隙发育明显的裂隙带高度在20～60 m之间。进入弯曲下沉带覆岩位移梯度约为冒落带的0.38～0.52倍，以弯曲下沉带位移梯度为冒落带位移梯度的0.4倍为依据，可判断裂隙带与弯曲下沉带的分界线，结合式(3)可得裂隙带最大高度为98 m。
图6 岩层位移监测测线分布Fig.6 Distribution of measurement lines for rock formation displacement monitoring
图7 上覆岩层测线下沉量Fig.7 Subsidence of overlying rock measurement line
3.1 高位钻孔施工层位布置
基于数值计算结果确定冒落带最大高度为17.5 m，裂隙带最大高度为52.5 m，表明在距工作面顶板10～50 m范围内，裂隙较为发育。结合地质柱状图，设计在高中低位3个层位进行钻孔布置，其中低层位钻孔终孔距煤层顶板16～20 m，中层位钻孔终孔距顶板24～30 m，高层位钻孔终孔距顶板32～36 m，位于裂隙带下部，为了使抽采孔结构稳定，3个层位的钻孔均布置于细质砂岩中，钻孔布置层位如图8所示。
图8 钻孔施工层位布置Fig.8 Layout of drilling construction layer
定向高位钻孔距回风巷的水平投影距离(平距)L应大于H/tanα(H为定向钻孔距煤层垂直高度，α为顶板与岩石卸压角，取60°)以保证定向钻孔处于充分卸压后的裂隙带范围内，由裂隙带的垂直高度范围为17.5～52.5 m，平距L大致范围为10.1～30.6 m，取平均值20.4 m，最终确定高位定向长钻孔与回风巷的内错距离S应该大于20.4 m，设计钻孔平面布置内错回风巷25～45 m，在4号煤层顶板以上高低位交叉布置。
3.2 高位钻孔瓦斯抽采效果
各层位钻孔瓦斯抽采纯量变化曲线，如图9所示。从钻孔终孔距回风巷不同位置处的瓦斯抽采效果上分析：低层位1#、2#钻孔平均抽采流量分别为0.51 m3/min、0.88 m3/min，中层位3#、4#钻孔平均抽采流量分别为0.73 m3/min、0.83 m3/min，高层位5#、6#钻孔平均抽采瓦斯流量分别为1.26 m3/min、1.85 m3/min。2#、4#、6#钻孔的平均瓦斯抽采纯量均比1#、3#、5#钻孔的平均抽采量要大，表明在25～45 m范围内钻孔距回风巷的距离越远，钻孔抽采瓦斯纯量越大，抽采效果越好。
图9 各层位钻孔瓦斯抽采纯量变化曲线Fig.9 Variation curve of gas extraction scalar quantity in drilling at each layer
从钻孔垂直高度布置层位上分析：高层位钻孔瓦斯抽采量最大，平均为1.5 m3/min，中层位钻孔次之，平均为0.78 m3/min，低层位钻孔最小，平均为0.7 m3/min，表明在距顶板垂向16～36 m范围内的布置层位上，钻孔的层位越高，瓦斯抽采量越高，抽采效果越好。
试验期间高位钻场瓦斯抽采整体效果如图10所示，工作面、回风流及上隅角瓦斯体积分数变化曲线如图11所示。由图10可知，高位钻场瓦斯抽采量约占瓦斯涌出量的35%。高位钻场瓦斯平均抽采率维持在46.5%，最大抽采率65%，瓦斯抽采效果良好，达到预期高位钻孔抽采瓦斯占比。由图11可知，工作面推进过程中，工作面、回风流、上隅角的平均瓦斯体积分数分别为0.23%、0.25%、0.28%，工作面、回风流、上隅角瓦斯体积分数远低于安全规定的1%，能够确保工作面的安全生产。
图10 高位钻场瓦斯抽采整体效果Fig.10 Overall effect of gas extraction at high-level drilling sites
图11 工作面、回风流及上隅角瓦斯体积分数Fig.11 Working face，return air flow and upper corner gas volume fraction
(1)基于主应力位移判据的数值模拟结果综合确定冒落带高度为17.5 m，裂隙带高度为52.5 m，基于“两带”高度确定了高位钻孔的布置层位，现场抽采结果效果显著，表明了基于主应力-位移判据可以较准确地确定高位钻孔的布置层位。
(2)高位钻场瓦斯平均抽采率为46.5%，基本达到预期抽采效果。高层位钻孔瓦斯平均抽采量1.5 m3/min，中层位钻孔瓦斯平均抽采量0.78 m3/min，低层位钻孔瓦斯平均抽采量0.7 m3/min，在距顶板垂向16～36 m范围内的布置层位上，钻孔的层位越高，瓦斯抽采量越大，抽采效果越好，在25～45 m范围内钻孔距回风巷的距离越远，钻孔抽采瓦斯纯量越大，抽采效果越好。
(3)工作面推进过程中工作面、回风流、上隅角的平均瓦斯体积分数分别为0.23%、0.25%、0.28%，远低于安全规定的1%，可以确保工作面的安全生产。
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