基于顶板冒落规律的高位钻孔法距参数研究

基于顶板冒落规律的高位钻孔法距参数研究陈奇伟，李增华，赵长闯，马新青，王亚丽，杨玉静，彭英健（中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221116）E-mail：[e-mail]摘要：为了有效地提高高位钻孔瓦斯抽采效果，本文利用RFPA2D软件和相似材料模拟试验，分析了祁南煤矿714工作面顶板冒落规律和采动裂隙发育情况，确定了采空区上覆岩层冒落带、裂隙带和弯曲下沉带的高度，最终将高位钻孔法距参数控制在19m~35m之间。在考虑上邻近层62煤、63煤对714工作面瓦斯涌出量的影响后，高位钻孔在钻场内分4排布置，上两排钻孔抽采62煤、63煤的卸压瓦斯，下两排钻孔以高低位方式布置抽采7煤瓦斯。在抽采效果分析中，发现高位钻孔法距参数施工在20m~35m之间时，钻孔瓦斯抽采浓度都在30%以上。在实施高位钻孔抽采技术后，714工作面瓦斯抽采率达到58.6%，上隅角瓦斯浓度控制在0.87%以下，防止了瓦斯超限，保证了矿井安全生产。关键词：高位钻孔瓦斯抽采裂隙带相似材料模拟试验顶板冒落中图分类号：TD712.611.引言随着我国煤矿安全生产形势的好转，瓦斯抽采已成为煤矿瓦斯灾害治理和瓦斯利用的重要手段。其中，高位钻孔抽采采空区瓦斯是一种经济可行的瓦斯抽采新技术[1]，其原理是以回采工作面采动压力形成的顶板采动裂隙作为通道抽采瓦斯，有效地拦截上邻近煤层涌入回采工作面的卸压瓦斯，同时利用钻孔的负压作用改变采空区气体流场分布，抽采积聚在采空区内的瓦斯，减少采空区瓦斯向工作面的涌出量和上隅角瓦斯积聚量[2-3]。同时，高位钻孔还可以实现超前抽放[4]，即回采工作面离孔口还有一段距离时，就能抽出高浓度瓦斯。目前，由于高位钻孔瓦斯抽采流量大、抽采瓦斯浓度高、工艺简单、工程量小，逐渐发展成为采煤工作面最常用、最有效的瓦斯抽采技术之一[5]。但是通过现场抽放实践发现，高位钻孔抽采技术存在诸多不足：抽放钻孔层位定位不准[2]；瓦斯抽放效果不稳定；有效抽放钻孔长度短，钻孔利用率低；钻孔终孔距离回风巷平距过小时，容易导致钻孔通过裂隙与回风巷贯通[6]；钻场内各钻孔开孔间距太小，施工时容易出现钻孔连通现象；过钻场时工作面及上隅角瓦斯超限时有发生。因此，需要完善和优化高位钻孔抽采参数。高位钻孔法距参数是影响高位钻孔抽采效果的主要因素[6]之一，一般将高位钻孔终孔布置在煤层上覆岩层“裂隙带”的中下部，抽采效果最佳，即“裂隙带”高度决定高位钻孔法距参数。根据以往的研究，文献[7]采用经验公式计算裂隙带高度，但是每个矿区的地质条1件、采矿条件、采煤方法都不同，所以经验公式得到的结果仅作为参考数据，需结合其他方法来综合判定；文献[8]介绍了几种现场测定裂隙带高度的方法，如注水试验法、高密度电阻率法、超声成像法和声波CT层析成像法，由于现场测定投入的成本高、施工困难和测定环境复杂，造成现场测定的方法可行性较差、准确度不高。因此，必须针对具体的采煤工作面，分析其煤层顶板冒落规律，才能准确地确定煤层上覆岩层“裂隙带”的高度。本文以淮北矿业集团祁南煤矿714工作面为工程背景，采用RFPA2D软件和相似材料模拟试验，分析顶板冒落规律，最终确定煤层上覆岩层“竖三带”的高度，从而合理设计高位钻孔的法距参数。2.祁南煤矿714工作面概括图1714工作面综合岩层柱状图Fig.1Geologicrockcolumnarsectionofthe714workingface祁南煤矿位于安徽省宿州市，且为煤与瓦斯突出矿井。714工作面标高为-445.8～-516.9m，平均开采深度500m左右，走向长865m，倾斜宽145m，煤层倾角5～16°。其中，71煤层平均厚度为1.5m，72煤层平均厚度为2.5m，两煤层中介夹有一层平均厚度为1.0m的泥岩，开采总厚为5.0m。同时在距71煤层顶板上方45.3m、33.9m处赋存着62煤、63煤，62煤厚度为0.9~1.3m，平均厚度1.1m；63煤厚度为0~1.1m，平均厚度0.5m，63煤在部分开采段缺失。7煤层顶底板以泥岩、粉砂岩为主，岩层的弹性模量、抗压强度较小，易冒落，工作面综合岩层柱状图如图1所示。714工作面采用大支架一次采全高的综采工艺，直接冒落法管理顶板。3.数值模拟煤层顶板冒落过程3.1模型建立RFPA2D软件是由东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的岩石破裂全过程分析系统。RFPA2D软件是一种能模拟岩石从裂纹萌生、扩展直至断裂全过程的数值分析软件，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[9]。本次模拟采用平面应变模型，模拟祁南矿714工作面开采过程中引起71煤层上覆岩层冒落的全过程。模型尺寸为沿水平方向上取250m，沿垂直方向上取120m，模型中71煤层距模型顶部100m，整个模型共划分为500×250=125000个细观单元。由于省略了模型顶部400m厚的岩层，必须在模型顶部施加7.9MPa的等效载荷（与实际中400m岩层自重相似），2实际采用分步开挖的方式模拟采煤，每步开挖7.5m，且模型两端各留50m的保护煤柱，消除边界效应。边界条件为：两端水平约束，垂直方向顶部产生滑动的固定边界，底端固定。(a)推进30m(b)推进37.5m(c)推进45m(d)推进60m(e)推进75m(f)推进105m图2顶板岩层变形、破断和移动过程的数值模拟（弹性模量图）Fig.2Numericalsimulationontheprocessofdeformation,ruptureandmovementofroofstrata(elasticmodulusgraphs)3.2分析数值模拟结果（1）如图2a所示，由于直接顶受重力和其上位岩层载荷的作用，以及暴露在采空区的范围增大和失去煤层的支撑作用，直接顶逐渐出现了离层、弯曲、触矸等现象，最终垮落。并且，离层裂隙沿岩层层面逐步生成，由下向上发育；破断裂隙在岩层靠近切眼、工作面两侧生成、发育，逐步沿纵向贯通岩层。（2）随着工作面继续推进，直接顶随采随冒，老顶悬露的跨度达到其极限跨度后，其上位岩层随老顶协同弯曲下沉，岩层之间形成较大的离层裂隙，如图2b所示。此时，老顶3以“假塑性梁”的形式承受其上位岩层的载荷，局部控制着顶板岩层的变形、破坏情况。此后，老顶变形剧烈，由于其弯曲下沉超过最大挠度，在靠近切眼、工作面的两端受到拉剪破坏后，老顶失稳垮落，由图2c所示。同时采空区形成较大的顶板冒落空间，为采空区瓦斯积聚提供有利条件。（3）老顶垮落后，形成砌体梁结构支撑着其上位岩层，煤层顶板出现了“稳定-失稳-稳定”的周期性冒落现象。如图2d所示，工作面经历了一次周期来压后，煤层顶板处于稳定状态，离层裂隙由下向上发育逐渐成熟，破断裂隙进一步发育，并贯穿于岩层中。此时，采动裂隙发育为瓦斯抽采提供有利条件，破断裂隙为瓦斯运移提供通道，离层裂隙为瓦斯积聚提供空间。如图2e所示，煤层顶板周期来压，顶板岩层处于失稳状态，并开始垮落。（4）从图2f观察，采空区中部已冒落的岩层逐渐被压实，原有的采动裂隙已闭合，只是采空区上部的离层裂隙发育缓慢，上覆岩层“竖三带”的分布范围清晰，其高度划分见表1所示。冒落带破断裂隙非常发育，在工作面推过后，冒落带内岩层破断后呈不规则垮落，裂隙带上部以离层裂隙发育为主，下部则以破断裂隙发育为主，而弯曲下沉带裂隙不发育[10]。因此，将高位钻孔的终孔选择布置在距71煤层顶板19.0m~34m的岩层区域，预计瓦斯抽采效果最佳。表1“竖向三带”高度参数Table1theheightparameterof“theverticalthreezone”名称高度（距71煤层顶板）冒落带0m~19.0m裂隙带19.0m~47.6m弯曲下沉带47.6m至地表4.相似材料模拟试验在RFPA2D软件数值模拟的基础上，为了更能真实地体现现场煤层开采情况，本文又采用了相似材料模拟试验[11]，研究714工作面顶板岩层冒落规律和“竖三带”分布情况。4.1试验条件（1）本试验采用平面应变模型进行模拟，根据祁南煤矿714工作面的综合岩层柱状图和相似原理与量纲分析，确定相似材料模型几何相似常数100=lα，容重相似常数1.6rα=，应力相似常数160=σα，时间相似常数10==ltαα。（2）模型尺寸：长×宽×高为2.5m×0.2m×1.10m，实际模拟的深度为110m，模型中底部到72煤层底板9.2m，顶部到71煤层顶板96.1m，其余上部岩层不铺设，以外力补偿法来实现。（3）边界条件：底边界、两侧边界及前后边界均为法向固定约束。4（4）模拟材料：采用河沙为骨料，碳酸钙、石膏为胶结料，作为相似材料模拟7煤顶底板岩层；煤层模拟在上述相似材料中加一定比例的粉煤灰，采用云母粉来模拟岩层的层面、节理和裂隙等弱面。(a)开采40m(b)开采56m(d)开采102m(c)开采82m图3随工作面推进顶板岩层垮落过程Fig.3Theruptureprocessofroofstratawiththeadvancingofworkingface4.2试验结果与分析在相似材料模拟试验中，离层裂隙、破断裂隙生成、发育过程以及岩层离层、变形、破断和失稳垮落过程，见图3所示。（1）工作面推进距切眼一定距离后，直接顶先出现离层、变形、破断，然后失稳垮落。直接顶垮落后，老顶在工作面推进一段距离后，由于老顶靠近切眼和工作面侧的端头受拉剪应力的破坏而失稳垮落，由图3a所示，工作面开采距切眼40m时，老顶出现初次来压现象，垮落破碎成几块岩块，垮落岩层厚度达5.4m，工作面侧岩层破断角约56°。（2）老顶初次来压后，工作面采场压力重新分布，顶板岩层离层、变形、破断和垮落，致使工作面顶板出现周期性垮落。由图3b所示，离层裂隙和破断裂隙逐渐发育成熟，当工作面推进至56m时，处于亚关键层[12]粉砂岩下位的岩层基本垮落，并破碎成不规则的岩块，充填了大部分采空空间，离层裂隙发育到粉砂岩上位的泥岩层，离层高度为27m，此时工作面侧岩层破断角为54°。5（3）在工作面推进至82m时，如图3c所示，已破断的粉砂岩形成了稳定的砌体梁结构，支撑着上位岩层。由于在水平方向承受挤压力的作用，其中部的破断裂隙已经闭合，有效地阻碍采空区瓦斯向上运输，十分有利于工作面初采期瓦斯抽采。同时，离层空间沿工作面走向扩大，并且继续向上发育。此时，工作面出现第六次周期来压，周期来压步距为9m，工作面顶板侧破断角为61°。（4）工作面推进至102m时，如图3d所示，厚度为5.9m的细砂岩（亚关键层）破断后，其上位的软岩层协同破断垮落。同时，63煤层、62煤层都已破断、下沉，其卸压瓦斯必将通过采动裂隙涌入714工作面采空区，威胁工作面的安全生产。同时714工作面顶板第八次周期来压，工作面侧岩层破断角为65°，上覆岩层离层高度达到距71煤顶板48m，冒落高度达到距71煤顶板21m。由于受厚度达11.55m的细砂岩（主关键层[12]）的控制作用，沿竖向方向工作面上覆岩层离层、垮落范围趋于稳定；采动裂隙在采空区中部已经压实，主关键层与已破断的岩层之间形成了很大的离层空间，而靠近切眼和工作面侧的破断裂隙发育最成熟，并与采空区顶部的离层空间连通，为瓦斯运移、积聚提供了良好的通道和贮存空间。根据相似材料模拟试验的分析结果，“竖三带”的高度划分如下所述，距71煤层顶板上方0m~21.0m的岩层区域为冒落带，21.0m~48.0m的岩层区域为裂隙带，超过48m到地表的岩层区域为弯曲下沉带。结合RFPA2D数值模拟的结果，最终高位钻孔的终孔选择布置在距71煤层顶板上方19m~35m的岩层区域内。4.3确定高位钻孔法距参数考虑714工作面瓦斯涌出量部分来源于上邻近层62煤、63煤，确定