1、技术与经济黄陵二号煤矿卸压瓦斯储运区分布特征研究与应用高海东，刘春辉（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安）摘 要：为进一步研究覆岩层采动裂隙分布规律，指导采空区卸压瓦斯抽采，以黄陵二号煤矿 工作面为例，采用 数值模拟软件，分析采动覆岩应力及位移分布规律，研究了卸压瓦斯储运区形态特征，并在试验工作面高位钻孔瓦斯抽采进行了实践。研究结果表明：随着工作面的不断开采，采空区逐渐扩大，覆岩下沉量在采空区中部达到最大值，并自下而上逐渐减少。分析得到：覆岩走向垂直应力呈非对称分布，倾向垂直应力基本呈对称分布。塑性破坏区域最高为，呈两端高凸、中间低凹的马鞍状形态分布。依据采动覆岩裂隙形态特征，设计高位钻孔布
2、置参数，现场抽采效果良好，保障了 工作面的安全回采。关键词：高位钻孔；卸压瓦斯储运区；瓦斯治理中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）工作面回采过程中，受煤层采动影响，大量卸压瓦斯气体涌入工作面，风流在上隅角区域积聚，严重影响井下工作人员的安全。防治瓦斯灾害的根本方法是瓦斯抽采，采动卸压瓦斯抽采方法则是高效途径之一。针对综采工作面卸压瓦斯防治技术，诸多学者进行了研究。钱鸣高基于“”形圈理论提出了卸压瓦斯抽放方法，使卸压瓦斯防治有了突破性成果。李树刚等提出覆岩经破断裂隙和离层裂隙贯通后，空间形态呈椭抛状分布，将瓦斯抽采钻孔布置在椭抛带内能够高效抽采瓦斯。袁亮在综合考虑采动覆岩卸压、渗透率分布、瓦
3、斯抽采动态运移的基础上，建立了煤与瓦斯共采高位环形体理论。张亚潮提出了高位定向长钻孔上隅角迈步式埋管相结合的卸压瓦斯抽采方案，现场应用效果良好。雷照源综合分析深部高瓦斯矿井瓦斯（油层气）分布特征，提出具有针对性的综合立体抽采技术。陈龙研究了不同推进速度下钻孔层位和平距的定量关系，并对高位钻孔进行了设计和抽采效果考察。郝长胜运用 软件模拟分析不同参数条件下的瓦斯抽采效果，为现场抽采钻孔布置参数提供依据。随着黄陵二号煤矿开采活动的进行，矿井瓦斯涌出量逐年增大，同时出现了围岩瓦斯异常涌出，给矿井安全高效生产造成严重威胁。笔者以黄陵二号煤矿 工作面为原型，应用 数值模拟软件研究卸压瓦斯储运区形态特征，
4、以期为卸压瓦斯防治工作提供基础依据。工程背景 地质概况黄陵二号煤矿位于黄陵矿区西北部，主采 号煤层，工作面位于二盘区的西南部，煤层厚度，平均厚度；煤层倾角，平均，属于近水平煤层。工作面走向长度，倾向长度为，埋藏深度。煤层直接顶板为细粒砂岩，岩层厚度 ，基本顶为粉砂岩、砂质泥岩，厚度 。号煤层（组）位于延安组第一段下部，主要分布于矿井二盘区，一般厚度，为局部分布的可采煤层，距 号煤层，平均，煤层结构较为复杂，含夹矸 层。瓦斯赋存及涌出情况根据目前矿井生产活动范围内瓦斯揭露情况，矿井受煤层埋藏深度、顶底板含气层、地质构造等因素影响，瓦斯含量分布呈现出明显的非均匀性。总体来讲，二盘区 号煤层局部瓦斯
5、较大，煤层原始瓦斯含量 ，赋存瓦斯含量约为 亿。号煤层瓦斯含量整体较高，为 ，赋存瓦斯含量约为 亿。由于 号煤层底板属软弱岩层，受工作面采动影响，软弱岩层产生竖向张裂隙、层向裂隙、剪切裂隙，易导致工作面底板及采空区涌出大量瓦斯，影响工作面安全回采。数值模拟方案 模型建立 数值计算模型以陕西黄陵二号煤矿 DOI:10.13487/ki.imce.022907工作面为工程背景，根据工作面综合柱状图建立数值模型，煤层走向为 轴，煤层倾向为 轴，垂直方向为 轴，考虑边界效应同时为了保证运算速度，模型尺寸设定为，建立的数值计算模型如图 所示。图 数值模型建立模拟计算的块体本构模型选用了 准则，节理采用库
6、伦滑移破坏准则。结合黄陵二号煤矿地质资料，设定本模拟涉及的煤岩体力学参数见表。表 黄陵二号煤矿 工作面围岩力学参数序号 岩层名称体积模量 剪切模量 内聚力 抗拉强度 内摩擦角 容重 泥岩煤层细粒砂岩粉砂岩煤细粒砂岩粉砂岩细粒砂岩粉砂岩细粒砂岩粉砂岩细粒砂岩粉砂岩细粒砂岩粉砂岩细粒砂岩粉砂岩中粒砂岩 边界条件固定模型下部边界，约束模型四周侧向位移，顶部为自由边界。模型中未模拟的部分岩层以顶部施加均布载荷替代：（）式（）中，为上覆岩层压力，；为上覆岩层平均密度，取 ；为上覆岩层平均厚度，取；为重力加速度，取 。通过计算，应在模型上部施加 压力替代未模拟岩层。模型建立完毕后，对整体模型进行地应力平衡
7、，收敛比设置为，此步骤完成后，将模型中的位移清零。数值模拟中边界效应可能会影响结果的准确性，分别在工作面四周预留 煤柱。模拟结果分析 采动覆岩移动规律在工作面持续推进过程中，采空区上覆岩层各岩层间剪切错动产生离层裂隙，在 模拟中，竖直方向的位移（方向）可较为准确地反映由岩层位移下沉产生的离层裂隙情况。为了更加直观地反映位移情况，对模拟结果的走向、倾向、亚关键层及主关键层剖面处理，得到 工作面位移云图，如图 所示。图 位移分布云图由图 可知，随着工作面不断开采，采空区逐渐扩大，覆岩下沉量在采空区中部达到最大值，并自下而上逐渐减少。随着层位的增加，下沉量的变化梯度也逐渐减少。同时可发现，在采空区边
8、缘处，关键层位移存在一段突变，由岩层破断结构分析可得，此处岩层破断边缘发生回转而非整体垮落。通常情况下，认为该段位移突变为裂隙区，宽度约为。而在采空区中部岩层破断后整体下沉，下沉量变化较为缓慢，此区域为压实区，在裂隙区布置瓦斯抽采钻孔，可以高效抽采瓦斯。工作面采动覆岩应力特征模型地应力计算收敛后（最大不平衡率小于），煤层与覆岩基本处于平衡状态，煤层开挖后会引起围岩应力的重新分布，应力分布规律会随着工作面宽度的变化及开采不断变化，应力如图 所示。图 工作面宽度 应力分布云图 从图 可以看出，当煤岩层开挖后，沿煤层走向采空区上方覆岩出现充分卸压区，开切眼后方及工作面前方出现应力集中，在煤层开采过程
9、中切眼附近岩层四周为固支边界，工作面附近岩层三面固支、一面简支，导致走向垂直应力呈非对称分布；沿煤层倾向，采空区上方覆岩也出现充分卸压区，垂直应力基本呈对称分布。工作面卸压瓦斯储运区形态特征可通过塑性破坏区域分析判断工作面煤层回采之后覆岩裂隙发育情况，图 为覆岩塑性破坏区域分布情况。图中，代表单元未发生拉剪破坏，代表单元曾发生过剪切破坏，表示单元正在发生剪切破坏，表示单元曾发生拉剪破坏，表示单元正在发生拉剪破坏。岩层塑性破坏特征不同，可进一步判定采空区覆岩所处区域的裂隙特征。低位岩层（直接顶）主要发生拉伸破坏，随着层位的增加，拉伸破坏逐渐减少，岩层的破坏状态逐渐转换为剪切破坏，主关键层以上未发
10、生破坏。由此可知，煤层顶板自上而下依次为拉伸破坏区域、剪切破坏区域及未破坏区域。在采动裂隙边缘处，受到边界煤柱的作用，覆岩处于拉压应力区，此处裂隙发育较为充分，塑性区域发育至最高，约为，形成了两端高凸、中间低凹的马鞍状形态分布。亚关键层结构在工作面后方和切眼前方也存在一定差异：切眼附近的亚关键层结构存在部分未发生破坏的区域，该区域为亚关键层的“砌体梁”结构，此结构岩层完整性较好，承受一定程度的压力，可为储集区的形成创造条件。图 塑性破坏分布图在设计卸压瓦斯抽采系统时，塑性破坏区域的走向长度与倾向宽度是影响布置参数的关键所在，走向延伸长度影响卸压瓦斯抽采钻场的间距。一般情况下，钻场间距是该区域长
11、度的 倍，走向长度的减少需要缩短钻场间距。倾向宽度影响抽采钻孔终孔位置的水平距离，倾向宽度的增加需要将钻孔终孔的水平距离增大至瓦斯储运区的边界处，从而提高钻孔的抽采浓度。卸压瓦斯储运区的面积则是代表了该区域储集瓦斯的能力，在生产过程中，需要结合抽采系统的能力，选择合适的抽采方法，该区域面积较大时可选择高抽巷、大直径定向长钻孔的方法进行抽采，面积适中则可以选择常规高位钻孔的方式抽采。现场应用根据 工作面采动覆岩裂隙形态参数特征，结合现场情况，设计高位钻孔布置，如图 所示。（）钻孔平面布置图（）钻孔剖面布置图图 高位钻孔布置图 通过对 工作面回风巷抽采参数进行监测，得到工作面推进各个位置时瓦斯抽采
12、钻孔浓度，如图 所示。（）钻孔（）钻孔图 工作面高位钻孔抽采效果由图 可知，钻场开始抽采后，在距 工作面 之前，瓦斯抽采浓度整体较小，表明此时采动覆岩裂隙在钻孔终孔位置未发育。随着工作面持续推进，钻场进入工作面超前 范围内，终孔位置处于裂隙区，瓦斯抽采浓度大幅提升，最大可达，抽采效果良好。结论 随着工作面的不断开采，采空区逐渐扩大，覆岩下沉量在采空区中部达到最大值，并且自下而上逐渐减少。分析得到覆岩走向垂直应力呈非对称分布，倾向垂直应力基本呈对称分布。低位岩层（直接顶）主要发生拉伸破坏，随着层位的增加，拉伸破坏逐渐减少，岩层的破坏状态逐渐转换为剪切破坏。塑性区域最高为，呈两端高凸、中间低凹的马
13、鞍状形态分布。依据采动覆岩裂隙形态特征，设计高位钻孔布置参数，现场抽采效果良好，实现了 工作面安全回采。参考文献：丁洋，宜艳，林海飞，等高强开采综放工作面瓦斯浓度空间分布规律研究采矿与安全工程学报，（）：李景润，马志飞，葛普，等文家坡煤矿 综放工作面上隅角瓦斯防治技术陕西煤炭，（）：宋爽，张天军，李树刚，等采空区卸压瓦斯抽采评判系统设计与实现矿业安全与环保，（）：林海飞，杨二豪，夏保庆，等高瓦斯综采工作面定向钻孔代替尾巷抽采瓦斯技术煤炭科学技术，（）：丁勇，李绍泉，李树清近距离煤层群二次卸压开采瓦斯富集区分布研究煤炭技术，（）：连晓阳近距离煤层群开采卸压瓦斯富集规律研究煤，（）：丁洋，朱冰，李
14、树刚，等高突矿井采空区卸压瓦斯精准辨识及高效抽采煤炭学报，（）：赵艳军高瓦斯矿井动压巷道水力切顶卸压技术研究山东煤炭科技，（）：魏启磊松软低透煤层掘进工作面聚能爆注定向卸压一体化技术研究煤，（）：张亚潮，杨乐乐，窦成义，等高瓦斯工作面定向长钻孔以孔代巷瓦斯抽采技术陕西煤炭，（）：雷照源，高小虎，肖曲黄陵矿区立体抽采技术实践应用陕西煤炭，（）：陈龙，龚选平，白廷海，等考虑推进速度效应的高位定向钻孔优势布置与效果分析煤矿安全，（）：郝长胜，王浩天，贾廷贵寺河矿顶板走向长钻孔瓦斯抽采参数优化模拟研究矿业安全与环保，（）：作者简介：高海东（），男，陕西清涧县人，本科，工程师，研究方向：矿井通风与安全。