曹建軍

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

隨著我國煤礦開采深度的增加，深部煤層透氣性進(jìn)一步降低[1，2]，嚴(yán)重影響了深部煤巷條帶瓦斯抽采，出現(xiàn)瓦斯抽采難度大、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長、抽采效率低等問題[3-5]。為此，國內(nèi)外研究先后提出了水力沖孔、水力壓裂、水力割縫、預(yù)裂爆破、聚能爆破、CO2預(yù)裂爆破等增透技術(shù)，這些增透技術(shù)可增加煤層透氣性，但仍存在一定的不足[6-10]，比如，深孔松動(dòng)爆破存在工藝復(fù)雜，水力壓裂存在容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，水力割縫存在卸壓范圍較小等[11-16]。因此，對深部高地應(yīng)力低透氣性煤層卸壓增透研究，是實(shí)現(xiàn)煤層高效抽采、有效防突的迫切需要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對深部開挖圍巖破壞特征進(jìn)行了大量研究[17-20]，發(fā)現(xiàn)深部巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)分區(qū)破裂化現(xiàn)象[21，22]，且研究表明深部巷道圍巖分區(qū)破裂的破壞范圍遠(yuǎn)大于淺部。從巷道圍巖控制的角度應(yīng)盡量降低圍巖破壞變形，而從深部煤層增透的角度，深部圍巖的分區(qū)破裂化特征，不僅降低了煤巖層的地應(yīng)力，而且增大了煤層的透氣性。因此，筆者提出利用深部巷道圍巖的分區(qū)破裂現(xiàn)象，將待掘煤巷布置在底板巖巷分區(qū)破裂的卸壓影響范圍內(nèi)，提前對上覆煤巖層地應(yīng)力進(jìn)行卸壓，降低地應(yīng)力、增加煤層透氣性，如果有部分區(qū)域卸壓增透效果不佳，補(bǔ)充采用水力化技術(shù)，使煤層中的煤體在高壓水作用下得以破裂、產(chǎn)生瓦斯通道，從而實(shí)現(xiàn)提高煤層的透氣性、增加抽采效果的目的。

1 深部巷道圍巖卸壓增透機(jī)制分析

1.1 含瓦斯煤卸荷滲流實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法測試長方體標(biāo)準(zhǔn)型煤試件(100mm×100mm×200mm)的卸荷與滲透率的變化規(guī)律，其測試瓦斯壓力為恒定值1.5MPa、圍壓為變化量(分別為σ2=σ3=4MPa、5MPa、6MPa、7MPa)。實(shí)驗(yàn)采用0.01N/s持續(xù)施加軸壓至煤樣抗壓強(qiáng)度的80%，再以0.01N/s卸荷軸壓直至煤體發(fā)生破壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，圍壓由4MPa增大至7MPa時(shí)，軸向應(yīng)力卸荷過程中滲透率K由1.93×10-15m2增加至2.51×10-15m2，增加幅度為30.05%。實(shí)驗(yàn)表明，隨著圍壓的增加，軸壓卸荷滲透率均明顯增加，揭示了卸荷可有效提高煤樣的滲透率的本質(zhì)規(guī)律。

圖1 不同圍壓試件軸壓卸荷力學(xué)與滲透性特性曲線

1.2 深部巷道開挖圍巖卸壓增透場分布特征

研究表明深部巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)分區(qū)破裂現(xiàn)象，其破裂區(qū)范圍明顯大于淺部[21，22]。另外，傳統(tǒng)底板巖巷通常內(nèi)外錯(cuò)布置在待掘煤巷下方20～30m(內(nèi)外錯(cuò)平距一般為15～25m)，不能對上覆煤層形成卸壓增透效果，而將底板巖巷布置在待掘煤巷正下方可對上覆煤層起到卸壓增透效果；再者，研究表明底板巖巷圍巖應(yīng)力降幅大于5%的區(qū)域卸壓效果顯著，其卸壓影響范圍一般為巷道直徑的2～6倍[23]。因此，筆者提出將底板巖巷布置在待掘煤巷正下方對上覆煤層的卸壓增透，并將底板巖巷圍巖應(yīng)力降幅大于5%的區(qū)域稱為底板巖巷圍巖卸壓場，將底板巖巷對上覆煤層形成的卸壓增透影響區(qū)域稱為煤層卸壓增透場。以期利用底板巖巷卸壓場對煤巷條帶區(qū)域煤層起到卸壓增透的目的，為煤層增透提供新方法。

2 深部煤巖層底板巷卸壓增透規(guī)律研究

2.1 試驗(yàn)背景及方案

試驗(yàn)以曲江煤礦213底板巖巷為工程背景，巷道埋深980m，煤層傾角0°，平均煤厚2.86m，煤層頂板巖性主要為細(xì)砂巖、中砂巖。采用FLAC3D數(shù)值模擬及力學(xué)計(jì)算分析相結(jié)合的方法，具體方案見表1。

表1 試驗(yàn)研究方案

根據(jù)工程背景建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。底板巖巷斷面形狀為直墻半圓拱，巷道寬4.0m、直墻高1.0m、圓拱半徑2.0m。煤巷斷面為矩形，寬×高=4.0m×3.0m，煤層埋深為1000m、厚度3m。模型傾向長度(X方向)、走向(Y方向)長度為均100m，網(wǎng)格為等間距劃分，大小為5.0m×5.0m×3.0m，煤巷位于模型中部，兩側(cè)煤體寬度為48m，底板巖巷與煤層間距為Δh。模型頂部為自由邊界、其余各邊均為約束邊界(即底部垂直方向和水平方向均零位移)；模型頂部為應(yīng)力邊界，模型上部巖層自重采用均布載荷加載。模型中煤巖層物理力學(xué)特性參數(shù)均為曲江煤礦實(shí)測參數(shù)，見表2。

圖2 三維計(jì)算模型

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

模擬分析底板巖巷位于煤層底板7.0m、11.2m、15.2m、20.2m時(shí)，底板巖巷上覆煤巖層的垂直應(yīng)力變化規(guī)律。

2.2 底板巖巷卸壓場

2.2.1 底板巖巷卸壓特征

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，繪制底板巖巷上覆煤層及后方巖層的垂直應(yīng)力變化曲線如圖3所示。由圖3(a)可知，底板巖巷位于煤層底板7.0m、11.2m、15.2m、20.2m時(shí)，上覆煤層的垂直應(yīng)力逐漸降低，降幅大于5%的范圍分別為待掘煤巷兩側(cè)4.8m、5.4m、3.0m、0m。由圖3(b)可知，底板巖巷后方上覆4m、6m、8m、10m、12m圍巖垂直應(yīng)力降幅均大于5%，降幅隨著掘進(jìn)距離的增大逐漸減小，掘進(jìn)后方25m(巷道直徑的5.25倍)及以遠(yuǎn)區(qū)域垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圖3 不同位置煤、巖層垂直應(yīng)力變化幅度

2.2.2 底板巖巷的穩(wěn)定性分析

煤巷掘進(jìn)會(huì)對底板巖巷產(chǎn)生二次擾動(dòng)影響，如果底板巖巷距離煤層太近，底板巖巷存在垮塌、大量瓦斯涌入的風(fēng)險(xiǎn)，因此對底板巖巷的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

底板巖巷與煤巷的間距為7m、11.2m時(shí)底板巖巷、煤巷先后開挖后巖柱的垂直應(yīng)力變化幅度如圖4所示。對比圖4(a)和圖4(b)可知，底板巖巷掘進(jìn)后，層間距Δh=7m時(shí)同一相對位置的垂直應(yīng)力降幅明顯大于Δh=11.2m時(shí)；煤巷掘進(jìn)后，垂直應(yīng)力降幅分別呈現(xiàn)以3m、5m為中心對稱分布的規(guī)律，但Δh=7m時(shí)的垂直應(yīng)力降幅明顯大于Δh=11.2m時(shí)。進(jìn)一步分析表明，層間距Δh=7m時(shí)，底板巖巷、煤巷先后掘進(jìn)完成后巖柱均發(fā)生塑性破壞，不能維護(hù)自身的穩(wěn)定性；層間距Δh=11.2m時(shí)(巷道直徑2.8倍)，底板巖巷、煤巷先后開挖后，仍有一定厚度的巖柱未發(fā)生塑性破壞，保持了較好的完整性。

圖4 巖柱垂直應(yīng)力變化幅度

2.3 煤層卸壓增透場

基于前述上覆煤層垂直應(yīng)力降幅規(guī)律研究，底板巷開挖經(jīng)過力學(xué)作用后，可將上覆煤層劃分為卸壓破壞區(qū)、彈塑性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。卸壓破壞區(qū)垂直應(yīng)力明顯降低，該區(qū)內(nèi)煤體裂隙發(fā)育、煤層透氣性系數(shù)顯著提高，稱為顯著增透區(qū)X1。彈塑性區(qū)的煤體裂隙較小、煤層透氣性系數(shù)有所增大，稱為一般增透區(qū)X0，如圖5所示。

圖5 煤層卸壓增透分區(qū)模型

根據(jù)圍壓4MPa、氣壓1.5MPa條件下含瓦斯煤樣的軸向應(yīng)力卸荷實(shí)驗(yàn)，得出瓦斯?jié)B透率K與σ1-σ3的擬合公式，如式(1)所示。

K=A1·eB1(σ1-σ3)

(1)

式中，K為滲透率，10-15m2；A1、B1為與煤體及應(yīng)力、瓦斯相關(guān)的參數(shù)，無量綱；σ1、σ3分別為加載的軸壓和圍壓，MPa。

依據(jù)文獻(xiàn)[24]，極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系間應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

由圍巖應(yīng)力分析可知，當(dāng)xh時(shí)，第一主應(yīng)力為σy，第三主應(yīng)力為σx。因此，滲透率K和σ1-σ3的公式可整理為：

煤層的透氣性通常用煤層透氣性系數(shù)表示，煤層透氣性系數(shù)與承壓煤樣滲透率的關(guān)系為[25]：

式中，λ為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；ρ為瓦斯(CH4)的絕對粘度，取1.08×10-8N·s/cm2；Pn為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取0.1013MPa。

將式(3)代入式(4)，可得出煤層透氣性系數(shù)與應(yīng)力條件變化的關(guān)系為：

將曲江煤礦213底板巖巷的相關(guān)參數(shù)代入式(5)，可得底板巖巷與上覆煤層的不同層間距Δh時(shí)煤層卸壓增透表征參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，見表3。由表3可得，隨著底板巖巷與煤層距離的增大，顯著增透區(qū)、一般增透區(qū)的寬度和增透倍數(shù)均逐漸減??；當(dāng)層間距為7m時(shí)，顯著增透區(qū)、一般增透區(qū)的最大寬度分別為巷道直徑的1.1倍、3.0倍，最大增透倍數(shù)分別為原始煤層的239.3倍、11.1倍；當(dāng)層間距為18m時(shí)，上覆煤層基本無增透效果。

表3 不同位置底板巖巷上覆煤層的卸壓增透表征參數(shù)

3 深部煤巷條帶底板巷卸壓增透模型構(gòu)建

3.1 模型概況

基于深部煤巖層卸壓增透場特征研究，豎直方向上將底板巖巷布置在待掘煤巷正下方，二者層間距Δh一般為巷道直徑R的2～6倍，具體位置需計(jì)算確定；水平方向上將上覆煤層劃分為顯著增透壓區(qū)、一般增透區(qū)和原始煤層區(qū)，針對一般增透區(qū)、原始煤層區(qū)，采用水力化技術(shù)使煤層破壞、產(chǎn)生裂隙通道，進(jìn)一步提高透氣性，其中軟煤區(qū)域(煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5)采用水力擴(kuò)孔技術(shù)、硬煤區(qū)域(煤的堅(jiān)固性系數(shù)f>0.5)采用水力割縫技術(shù)[26]，如圖6所示。

圖6 深部煤巷條帶卸壓增透模型

3.2 模型參數(shù)確定

3.2.1 底板巖巷位置

底板巖巷和煤巷均掘進(jìn)后二者之間巖柱塑性區(qū)計(jì)算模型如圖7所示，由圖7可得，底板巖巷與煤層的合理距離為：

圖7 圍巖塑性區(qū)計(jì)算模型

Δh≥hy+hm

(6)

式中，Δh為巷道與上覆煤層垂距；m；hy、hm分別為底板巖巷和煤巷先后掘進(jìn)后的巖體的破壞深度，m。

將直角半圓拱巷道等價(jià)為圓形巷道[24]，同時(shí)考慮二次開挖卸壓影響效應(yīng)，其計(jì)算公式變化為：

式中，δ為二次卸壓效果疊加系數(shù)，可通過現(xiàn)場監(jiān)測統(tǒng)計(jì)分析或模擬計(jì)算，無量綱；Ry為底板巖巷的塑性區(qū)半徑，m；Rm為煤巷的塑性區(qū)半徑，m；M、H分別為矩形巷道高度、直角半圓形巷道墻高，m。

結(jié)合式(6)、式(7)，可得底板巖巷與煤層合理距離的判別準(zhǔn)則為：

3.2.2 增透區(qū)參數(shù)

底板巖巷開挖后，巷道圍巖可分為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，如圖8所示。

圖8 底板巖巷卸壓分區(qū)模型

假設(shè)卸壓場半徑為r′(即應(yīng)力降低不小于5%區(qū)域的半徑)，由圖8可知，r′位于彈性區(qū)內(nèi)，在極坐標(biāo)下，圍巖的垂直應(yīng)力及卸壓場半徑為：

式中，σr為極坐標(biāo)下垂直應(yīng)力，MPa；Rp為塑性區(qū)半徑，m；r′為有效卸壓區(qū)半徑，m。

結(jié)合應(yīng)力計(jì)算公式及幾何關(guān)系，其直角坐標(biāo)系下垂直應(yīng)力計(jì)算公式為：

底板巷道開挖后，上部煤層內(nèi)吸附瓦斯變?yōu)橛坞x瓦斯，煤層內(nèi)的瓦斯應(yīng)力增大，根據(jù)煤樣卸荷實(shí)驗(yàn)可知，隨著煤體瓦斯含量的增高，其單軸抗壓強(qiáng)度將降低，其關(guān)系符合下式關(guān)系：

σc=A2+B2·p

(12)

式中，σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；A2、B2為與煤體相關(guān)的參數(shù)，無量綱；P為瓦斯壓力，MPa。

由統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則可得：

式中，α為巖石的拉壓強(qiáng)度之比，以內(nèi)摩擦角來表示為α=(1-sinφ)/(1+sinφ)，其中，φ為內(nèi)摩擦角，(°)；σz為Z方向上的應(yīng)力，MPa；b為中間主應(yīng)力影響系數(shù)，統(tǒng)一強(qiáng)度理論優(yōu)先選用0.5。

將式(11) 、式 (12)代入式(13)，并代入底板巷布置條件及上覆煤層煤體相關(guān)參數(shù)，即可求得顯著增透區(qū)寬度X1；而一般增透區(qū)寬度X0，即垂直應(yīng)力σy取得最大值時(shí)所對應(yīng)的水平距離，由式(11)即可求得。

4 工程應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)方案

基于上述研究，將213底板巖巷布置在待掘煤巷正下方10m處進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)實(shí)測煤層最大瓦斯壓力為9.0MPa、瓦斯含量為13.0～15.94m3/t、煤層透氣性系數(shù)為0.002m2/(MPa2·d)。試驗(yàn)內(nèi)容為測試213底板巖巷上覆煤巖體上下幫15m范圍內(nèi)巖層的應(yīng)力卸壓效果和煤層增透效果，見表4。每項(xiàng)參數(shù)均布置5個(gè)測試鉆孔，如圖9所示。

表4 試驗(yàn)內(nèi)容及測試方法

圖9 試驗(yàn)方案

4.2 煤巖層卸壓增透效果

213底板巖巷上覆巖層的卸壓效果和煤層的增透效果試驗(yàn)結(jié)果分別如圖10、圖11所示。由圖10(a)可得，巷道圍巖最大位移量為3.6cm，圍巖位移呈現(xiàn)“波峰”“波谷”交替出現(xiàn)的現(xiàn)象；由圖10(b)可得，巷道圍巖出現(xiàn)分區(qū)破裂現(xiàn)象，即巷道由外向內(nèi)出現(xiàn)4個(gè)破裂區(qū)，破裂區(qū)最大影響范圍為5.7m。由圖11(a)可得，卸壓煤層的煤層透氣性系數(shù)較原始煤層增加了7.0～43.2倍(增透效果較好，未采用水力化技術(shù))；由圖11(b)可得，最大單孔日均抽采量為31.1m3/d，較原始煤層(最大為7.7m3/d)增大了3倍。表明213底板巖巷上覆煤巖層卸壓增透效果顯著，試驗(yàn)結(jié)果與前述研究規(guī)律一致，驗(yàn)證了模型卸壓增透可行有效。

圖10 213底板巖巷圍巖卸壓效果

圖11 213底板巖巷上覆煤層增透效果

5 結(jié) 論

1)通過含瓦斯煤卸荷滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)合深部巷道圍巖分區(qū)破裂原理，將底板巖巷圍巖應(yīng)力降幅大于5%的區(qū)域定義為底板巖巷圍巖卸壓場，將上覆煤層形成的卸壓增透影響區(qū)域定義為煤層卸壓增透場，為深部煤巷條帶卸壓增透提供了新方法。

2)數(shù)值分析得出底板巖巷距離22m(巷道直徑的4.5倍)時(shí)上覆煤層垂直應(yīng)力基本穩(wěn)定，后方巖層在底板巖巷掘進(jìn)25m(巷道直徑的5.25倍)后趨于穩(wěn)定，底板巖巷、煤巷的間距為11.2m時(shí)(巷道直徑2.8倍)二者之間的巖柱完整性較好，得出底板巖巷最優(yōu)位置為煤層下方10m處(巷道直徑2.5倍)。

3)通過理論分析表明顯著增透區(qū)、一般增透區(qū)的寬度和增透倍數(shù)，均隨著底板巖巷與上覆煤層間距的增大而逐漸減小，當(dāng)層間距為7m時(shí)，顯著增透區(qū)、一般增透區(qū)的最大寬度分別為巷道直徑的1.1倍和3.0倍、最大增透倍數(shù)分別為原始煤層的239.3倍和11.1倍，當(dāng)層間距達(dá)到18 m時(shí)上覆煤層基本無增透效果。

4)應(yīng)用表明底板巖巷上覆煤巖層卸壓增透效果顯著，底板巖巷圍巖最大位移量為3.6cm、破裂區(qū)最大影響范圍為5.7m、煤層透氣性系數(shù)增加了7.0～43.2倍、最大單孔日均抽采量增大了3倍。