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不同推速下综采工作面覆岩裂隙演化特征

2024-06-03 28 上传者：管理员

摘要：为研究综采工作面不同推速下瓦斯运储区的演化特征，利用3DEC模拟软件进行模拟，分析了不同推速下采动覆岩裂隙分形维数演化规律。基于分形维数对卸压瓦斯运储区进行识别和划分，得到不同推速条件下的卸压瓦斯运储区分布及演化规律，并以此为依据优化了现场高位抽采钻孔的布置方式。结果表明，综采工作面覆岩裂隙分形维数整体随推进速度增大呈现出减小趋势，根据研究结果对试验工作面卸压瓦斯抽采钻孔进行优化设计。煤层回采期间，试验工作面高低推速区域抽采钻孔瓦斯体积分数最大均为30%以上，工作面、回风巷、上隅角瓦斯体积分数为0.18%～0.46%、0.2%～0.46%、0.25%～0.84%,均小于1%,表明了该布置方法更具合理性。

关键词：
分形维数
推进速度
瓦斯抽采
综采工作面
采动裂隙
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煤炭是我国主体能源及重要工业原料[1,2],随着矿山机械化水平与生产集约化程度的不断提升，许多矿井在条件允许时通过提高推进速度增加工作面产量[3]。快推速工作面中与煤伴生的瓦斯气体涌出强度及涌出量急剧增大[4,5],覆岩裂隙发育复杂[6],对工作面瓦斯治理造成一定压力。明确不同推进速度下的卸压瓦斯运储区演化规律，准确判别瓦斯抽采重点区域，可实现快推速工作面瓦斯精准治理[7]。

卸压瓦斯运储区形成和演化受控于采场覆岩裂隙分布和运动结构特征。众多学者针对不同推速下卸压瓦斯抽采进行研究。陈龙等[8]研究了不同日推进速度下瓦斯富集区的位置，认为不同推进速度下钻孔优势层位及平距符合一次线性方程，并结合富集区位置对抽采钻孔进行了优化。刘洪永等[9]基于采动裂隙椭抛带理论构建了采动优势瓦斯通道带的理论模型，获得了推进速度对优势瓦斯通道诱导与控制规律。

以黄陵二号煤矿高推速综采工作面为研究对象，结合采动覆岩分形维数演化规律，对不同推进速度下卸压瓦斯运储区进行识别和划分，得到卸压瓦斯运储区演化规律，以此为依据在现场开展高位钻孔卸压瓦斯抽采试验。

1、模拟方案

试验工作面位于陕西省延安市黄陵县，主采2号煤层，煤层厚度2.5～3.8 m, 平均厚度为3.0 m。煤层倾角0°～4°,属近水平煤层。数值模拟软件采用3DEC 7.0,根据现场工作面地质条件，将煤岩层进行适当简化后建立煤矿工作面数值模拟计算模型，模型中煤岩层均水平布置。煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数

在数值模拟中开采速度增加本质为覆岩应力未平衡情况下连续开采，目前数值模拟中表征推进进速度主要有2种方法，一种为固定“单位开采距离”改变计算时步，另一种固定计算时步改变“单位开采距离”。选取改变“单位开采距离”模拟推进速度，各模型均以开挖8 m作为开切眼，开挖步距分别为6 m、8 m、10 m和12 m来表征4个推进速度，模型共开挖200 m, 计算模型尺寸x×y×z为300 m×50 m×150 m, 煤层倾角0°,计算模型如图1所示。

图1 数值模拟计算模型

2、卸压瓦斯运储区识别及划分

2.1 覆岩裂隙分形维数演化推速效应

煤层采动覆岩裂隙在空间上分布呈现出一定的的无规律性，使得对其进行定量分析相对困难，分形维数可对图像表面复杂程度定量描述，定量表现图像的纹理特征，对无规律信息进行很好的定量描述。

分形维数指为以边长为ε的正方形格子将整体图像分割成N个区域，含有裂隙的区域数为N(ε),当ε接近无穷小或所取阈值时，N(ε)与ε双对数直线拟合的斜率即为所研究对象的计盒分形维数，分形维数计算公式[10]为

计算分形维数利用Matlab软件内置图像处理插件对模拟结果覆岩裂隙照片进行二值化处理，之后导入FractalFox软件中计算分形维数。回采完成时各推进速度下分形维数Df如图2所示。

图2 不同推进速度下覆岩裂隙分形维数分布

由图2可知，推进速度为6 m/d时，煤层以上0～10 m 区域分形维数最大值达1.7以上，整体均为1.4以上；随着推速增加，该区域分形维数逐渐减小，呈现出一定的周期性分布。推速增加到12 m/d时，该区域分形维数只有切眼及停采线周围达到1.6左右，其余降至1.3～1.4,裂隙发育程度降低，覆岩碎胀效果减弱。各推速下采空区两侧分形维数为1.2～1.4,该区域分形维数随推速增加呈现出减小趋势。推进速度为6 m/d时，煤层以上10～35 m岩层两侧分形维数最大值均在1.3以上，随着推进速度增加至12 m/d, 仅有10～32 m岩层两侧分形维数最大值达到1.3以上，降低约30%。

分形维数最大值均出现在切眼侧，该处分形维数随着工作面推进速度增加呈现减小趋势。采空区中部覆岩整体分形维数较小，该区域总体裂隙发育形态保持稳定，覆岩分形维数从左至右整体依次为大-小-大的变化趋势，其中煤层底板以上0～10 m覆岩分形维数整体处于同阶段最大水平，裂隙发育较为充分。模型70 m以上为少量离层裂隙，分形维数较小。

2.2 不同推速下卸压瓦斯运储区识别及划分

覆岩分形维数大小表征了瓦斯在该区域运移能力的强弱，分形维数越大，裂隙发育越充分，瓦斯运移能力越强。

卸压瓦斯运储区域划分首先应结合采动裂隙特征，结合上述分析，砌体梁结构以下岩层垮落后部分呈破碎状态，其中采空区中部由于上方载荷作用导致部分破碎岩石之间空洞裂隙被不完全压实，但采空区两侧垮落岩石由于砌体梁结构的支撑作用仍保持原始破碎状态，裂隙充分发育，结合瓦斯升浮扩散效应及风流影响，瓦斯在此区域几乎无法储集，因此该区域为卸压瓦斯运移优势区；砌体梁结构上方岩层均形成了稳定铰接结构，破断裂隙与离层裂隙稳定存在，具有一定的运移和储集能力，卸压瓦斯在此区域内升浮效应减弱，运移能力略微降低，该区域为卸压瓦斯运-储优势区；当岩层不能满足发生破断条件时，即该岩层悬空距小于其极限破断距或该岩层达到极限破断距最大弯曲下沉量大于岩层下方自由空间高度时，岩石呈现弯曲或不完全破断状态，不存在破断裂隙提供卸压瓦斯运移，瓦斯仅能依靠原岩裂隙或岩石自身孔隙率进行渗流，大部分会聚集在此区域水平扩散，该区域为卸压瓦斯储集优势区；在采空区中部，随着老顶的周期来压，破断裂隙和层间离层逐渐闭合，裂隙率大幅减小，卸压瓦斯在此区域内运动能力大幅减弱，瓦斯运移大部分仅能依靠微小裂隙及岩石孔隙进行渗流，该区域为卸压瓦斯微渗区，以分形维数分布规律为基础，对覆岩裂隙发育形态进行分区，共分为5个区域，瓦斯运储区域划分示意如图3所示，划分条件见表2。

图3 瓦斯运储区域划分示意

根据所提的划分条件，结合不同推进速度下的数值模拟结果，以分形维数为基础，对开采完成时各模型进行卸压瓦斯运储区的识别及划分，划分结果如图4所示。

表2 覆岩裂隙发育形态区域划分

由图4可知，推进速度加快，卸压瓦斯储集优势区最大高度及最大宽度降低，推进速度小于8 m/d时，卸压瓦斯运-储优势区宽度随推速增加而变大，高度降低。推速大于8 m/d后整体宽度趋于稳定，降低趋势减小。推进速度由6 m/d增加至12 m/d, 运-储优势区高度由66 m降低至61 m, 不同推进速度下卸压瓦斯微渗区区域高度及宽度减小，卸压瓦斯运移优势区高度未发生明显变化，区域内分形维数分布特征改变，呈现出明显的周期性波动，不同推进速度区域关键位置参数变化趋势如图5所示。

图4 不同推进速度下卸压瓦斯运储区划分结果

由图5可知，推进速度对采动覆岩影响主要表现为非线性而不是线性，即推进速度对采动覆岩的影响随着速度增大而逐渐减弱。对于卸压瓦斯储集优势区，推进速度增加会使得该区域最大长度及高度逐渐减小，根据拟合方程可得推进速度增加到一定程度时，对该区域参数影响将无限接近于0,即时储集优势区形态及大小将保持稳定不变；对于卸压瓦斯运-储优势区，推进速度在一定范围内增加时，该区域的最大宽度及最小宽度均保持增长，距临近侧煤柱距离逐渐增大，即该区域位置整体向采空区中部发生偏移。根据拟合方程得，推进速度增加至一定程度时，运-储优势区的宽度及位置将不再发生改变。现场中对于不同推进速度下卸压瓦斯抽采应考虑推进速度对运-储优势区位置的影响，若推进速度增大，应适当的降低抽采钻孔高度并增加抽采钻孔的平距保证抽采效果。

图5 区域参数特征示意

3、工程实践

该工作面里段(切眼至2 000 m处)由于煤层原始瓦斯含量较高，工作面实际推进速度为8 m/d从而减少绝对瓦斯涌出量；工作面外段(停采线至2 000 m处)原始瓦斯含量较低，因此实际最大推进速度为12 m/d。

工程应用中，卸压瓦斯抽采钻孔布置区域主要为卸压瓦斯运-储优势区附近，为实现精准抽采，还应结合该区域内分形维数分布特征布置钻孔。由研究结果可知，推进速度由8 m/d增加至12 m/d, 卸压瓦斯运-储优势区高度由64 m降低至61 m, 距离煤柱最小距离由7.7 m增加至8.3 m, 位置向采空区中部集中，区域最大宽度及最小宽度分别增加了0.9 m和1 m, 抽采区域更大，因此抽采钻孔在工作面外段应降低钻孔垂距并增加平距从而保证抽采效果。推进速度为8 m/d时，运-储优势区中10～35 m 区段分形维数较大，均为1.3以上，推进速度为12 m/d时该区段降低至10～32 m, 因此在该区段适当增大钻孔密度，该区段以上钻孔密度适当减小。以低推速区域钻孔位置为基础，将高推速区域抽采钻孔垂直距离降低3 m, 水平距离增加1 m, 经过优化设计，在高低推速区域各设计7个高位抽采钻孔，各区域高位抽采钻孔布置如图6所示，参数见表3。

图6 高位钻孔布置示意

表3 高位钻孔布置参数

对试验工作面典型层位高位钻孔进行瓦斯体积分数监测，即2#高层位钻孔、3#中层位钻孔。高低推速区域各层位抽采钻孔瓦斯体积分数随工作面推进变化趋势如图7、图8所示。

通过对比高低推速区域抽采钻孔瓦斯体积分数可知，低推速区域抽采钻孔瓦斯体积分数随着层位的增大大幅提高，最大达38%。但钻孔层位超过35 m 后瓦斯体积分数略有降低，最大约27%,与判定结果符合。

高推速区域抽采钻孔最大体积分数达31%,但钻孔层位超过32 m后瓦斯体积分数略有降低，最大达21%,相比低推速区域最大抽采体积分数降低约18%。通过研究结果可知降低钻孔垂直层位和增加钻孔平距虽能有效抽采瓦斯，但高推速下覆岩损伤较小，裂隙发育不充分，瓦斯运移通道减少，相同层位抽采钻孔在高推速阶段抽采效果略微减弱。

图7 低推速区域抽采钻孔瓦斯体积分数

图8 高推速区域抽采钻孔瓦斯体积分数

图9为工作面回采期间回风巷、上隅角瓦斯体积分数变化情况。图中红线为《煤矿安全规程》规定的各区域瓦斯体积分数上限(1%)。回采期间工作面、回风巷、上隅角瓦斯体积分数为0.18%～0.46%、0.2%～0.46%、0.25%～0.84%,均小于1%,从瓦斯治理的角度保障了工作面的安全高效生产。

图9 工作面瓦斯体积分数变化情况

4、结论

(1)以黄陵二号煤矿高推速综采工作面为背景，研究了不同推进速度下采动覆岩裂隙分形维数演化规律，探讨了卸压瓦斯运储区分布及演化的规律，发现不同推速下采动覆岩裂隙区别较大，结合覆岩分形维数将将卸压瓦斯运储区划分为卸压瓦斯运移优势区、储集优势区、微渗区、运-储优势区4个区域。

(2)随着推进速度加快，卸压瓦斯储集优势区高度降低，分形维数降低。运-储优势区宽度随推速增加而变大，推速大于8 m/d后整体宽度稳定，增长幅度减小，距临近侧煤柱更远，整体区域位置向采空区中部集中。微渗区高度及宽度减小，分形维数保持稳定。卸压瓦斯运移优势区其高度及宽度未发生明显变化，区域内分形维数分布特征改变，转变为周期性分布。

(3)根据研究结果优化试验工作面抽采钻孔布置，降低高推速区域钻孔高度及增大平距。抽采钻孔瓦斯体积分数最大均为30%以上，抽采效果良好。回采期间工作面、回风巷、上隅角瓦斯体积分数为0.18%～0.46%、0.2%～0.46%、0.25%～0.84%,从瓦斯治理角度保障了工作面安全生产。

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