采空區(qū)上覆覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律及瓦斯流動規(guī)律研究

采空區(qū)上覆覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律及瓦斯流動規(guī)律研究

1高修正率下的鉆井效果的影響因素1.1頂板裂隙發(fā)育程度不同高孔固井的形成對高密度孔固井的形成影響較大。煤層頂板在工作面回采過程中,受采動影響,采空區(qū)上覆巖層自下而上形成“豎三帶”,即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,因此頂板巖層的巖性不同,裂隙發(fā)育程度不同。若頂板裂隙發(fā)育,則高位鉆孔與頂板裂隙溝通容易,瓦斯抽采效果較好。不同的巖性的巖層其裂隙發(fā)育不同,影響高位鉆孔終孔的控制,若高位鉆孔的終孔層位控制不準(zhǔn),則影響高位鉆孔的抽采效果。1.2使瓦斯活躍區(qū)域高位鉆孔的抽采空間應(yīng)分布于瓦斯來源多且釋放充分的區(qū)域。但是這樣的區(qū)域的分布受到多種因素的制約,其中,“O”形圈的存在和U型通風(fēng)的作用,使瓦斯活躍區(qū)域位于風(fēng)巷側(cè)的裂隙發(fā)育區(qū)域。高位鉆孔的控制范圍包括高位鉆孔抽采帶垂向上的上下限、走向上的抽采界限和傾向上的分布范圍。高位鉆孔的抽采下限應(yīng)位于冒落帶的上部即冒落拱的上方,上限位于裂隙帶的下部,能夠取得較好的抽采效果;沿工作面走向上的抽采界限在工作面的前方幾米范圍內(nèi)有效;由于采空區(qū)“O”形圈、頂板巖層傾向垮落角的存在和U型通風(fēng)對采空區(qū)瓦斯分布的影響,需要考慮高位鉆孔在傾向上的分布范圍。1.3老頂周期來壓步距變長在工作面按一定速度推進(jìn)過程中,老頂按照一定的步距垮落,但是在工作面速度推進(jìn)較快的情況下,老頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘧冮L,上覆巖層的裂隙發(fā)育滯后,冒落拱距離工作面采線的距離變長,冒落拱與工作面之間的頂板裂隙未充分發(fā)育。若按照巖層充分發(fā)育設(shè)計(jì)的鉆孔處于裂隙未充分發(fā)育區(qū),高位鉆孔與采空區(qū)的裂隙通道阻力較大,瓦斯抽采效果差。1.4嚴(yán)格高位鉆孔壓茬距離高位鉆孔具有一定的傾斜角度,隨著工作面的推進(jìn),高位鉆孔處于頂板巖層的冒落帶范圍內(nèi)時,高位鉆孔對采空區(qū)瓦斯的抽采就基本失去了作用,因此,為確保工作面的安全開采,鉆場間的高位鉆孔需要一定的壓茬距離來保證高位鉆孔抽采的連續(xù)性。同時,上覆巖層的破斷是一個周期過程,因此,在設(shè)計(jì)高位鉆孔鉆場之間的壓茬時,需要綜合考慮鉆孔的角度、垮落角、高位鉆孔終孔至破斷面的距離以及老頂?shù)膽冶哿洪L度等情況。1.5鉆孔產(chǎn)生負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)在工作面產(chǎn)生一定的負(fù)壓,使采空區(qū)產(chǎn)生漏風(fēng)流,采空區(qū)存在著通風(fēng)負(fù)壓,永久抽采系統(tǒng)或移動泵在高位鉆孔孔口產(chǎn)生一定的抽采負(fù)壓,而鉆孔孔徑較小,產(chǎn)生的阻力較大,達(dá)到鉆孔的進(jìn)氣點(diǎn)時,鉆孔抽采負(fù)壓大大減低,因此,如果鉆孔的進(jìn)氣點(diǎn)負(fù)壓小于漏風(fēng)流負(fù)壓,那么采空區(qū)的瓦斯流場就不能發(fā)生變化,鉆孔也不能保證一定的抽采量,會造成工作面及上隅角瓦斯超限。1.6工鉆孔角度和方位控制過難高位鉆孔較長,一般在100m左右,長距離施工鉆孔,其角度和方位的控制較難,不可避免地發(fā)生偏移,達(dá)不到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn),影響高位鉆孔的抽采效果。同時封孔質(zhì)量的好壞也影響高位鉆孔的抽采效果。2采空區(qū)粘彈性巖梁體斷裂過程工作面推過后,采空區(qū)上覆巖層失去了支撐力而產(chǎn)生裂隙,上覆巖層裂隙發(fā)育過程與時間有關(guān),開始時變化較小,然后逐漸增大,最后逐漸衰弱,直到巖層達(dá)到穩(wěn)定平衡。把上覆巖層看成粘彈性梁體,根據(jù)流變力學(xué)的理論及J體模型,得出本構(gòu)方程為:E1+E2E1ηz?3W?x2?t+E2z?2W?x2=ηE1σ˙+σE1+E2E1ηz?3W?x2?t+E2z?2W?x2=ηE1σ˙+σ(1)式中:ε——粘彈性梁體縱向應(yīng)變;W——粘彈性梁彎曲下沉量;z——為中性軸與計(jì)算點(diǎn)之間的距離。將(1)式的兩邊同乘zdA(dA為粘彈性梁體的微面積),并積分得:E1+E2E1ηI?3W?x2?t+E2I?2W?x2=ηE1M˙+ME1+E2E1ηΙ?3W?x2?t+E2Ι?2W?x2=ηE1Μ˙+Μ(2)式中:M——粘彈性梁體的橫截面積所受的力矩,M=∫AσzdAΜ=∫AσzdA;I——粘彈性梁體截面對其中性軸線的慣性距,I=∫Az2dAΙ=∫Az2dA。力矩M對粘彈性梁體所受載荷的影響方程為:式中:p,q——粘彈性梁體所受的均勻載荷;σc——下層梁對粘彈性梁體的支承反力。假設(shè)下位巖層也屬于J體模型,于是支撐反力σc滿足下列公式:?2M?x2+ηcE1c?2M˙?x2=p?(σc+ηcE1cσ˙c)?2Μ?x2+ηcE1c?2Μ˙?x2=p-(σc+ηcE1cσ˙c)(4)假設(shè):η/E1=ηc/E1c=k1;E1/E2=E1c/E2c=k2(5)把式(2)代入式(3)得:?2M?x2+ηE1?2M˙?x2=p?k1(E1c+E2c)ε˙?E2cεc?2Μ?x2+ηE1?2Μ˙?x2=p-k1(E1c+E2c)ε˙-E2cεc(6)同步移動區(qū)粘彈性巖梁體下沉的偏微分方程為:k1(E1+E2)I?5W?x4?t+E2I?4W?x4+k1(E1c+E2c)Hc?W?t+E2cHcW=p(7)k1(E1+E2)Ι?5W?x4?t+E2Ι?4W?x4+k1(E1c+E2c)Ηc?W?t+E2cΗcW=p(7)求解得到:W1(x,t)=eαx(A1cosαx+A2sinαx)(1?ξe?ωt)W1(x,t)=eαx(A1cosαx+A2sinαx)(1-ξe-ωt)(8)依據(jù)邊界條件算出積分常數(shù)。x=0時,粘彈性梁體的彎曲下沉量為:如圖1所示,隨著巖層下層被開挖后時間的增加,巖層的彎曲下沉量逐漸增大,并趨向于某一定值。因此,上覆巖層的斷裂過程及其對采空區(qū)的壓實(shí)過程都是時間過程。這為煤層開采速度較快的情況下,高位鉆孔的終孔層位應(yīng)降低提供了理論基礎(chǔ)。3斷裂帶的發(fā)育和分布特征3.1工作面裂隙發(fā)育程度不同如圖2所示,在工作面推進(jìn)方向,上覆巖層經(jīng)歷了煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū),采空區(qū)上覆巖層由下而上分為冒落帶、裂隙帶和完全下沉帶。其中,冒落帶是由煤層的直接頂垮落形成的,巖層呈不規(guī)則狀排列,高度取決于工作面的開采厚度和巖體的膨脹性。在工作面推進(jìn)速度較快的情況下,冒落拱距離工作面較遠(yuǎn),冒落拱與工作面之間的冒落帶的高度隨工作面推進(jìn)距離的增加而增加。裂隙帶是受采動影響破斷但排列整齊的巖層區(qū)域?！柏Q三帶”的裂隙發(fā)育程度不同,造成瓦斯氣體在“豎三帶”的分布程度不同,冒落帶瓦斯氣體的濃度較低;裂隙帶上部聚集的瓦斯較少,大量瓦斯氣體聚集于裂隙帶下部;彎曲下沉帶裂隙不發(fā)育,只有少量的瓦斯聚集于此。因此,設(shè)計(jì)高位鉆孔時,把高位鉆孔布置在裂隙帶的下部與冒落拱的上部,抽采采空區(qū)和上鄰近層的瓦斯,能夠取得較好的抽采效果。3.2采空區(qū)“o”形圈的發(fā)育煤層在開采以后,冒落帶的頂板巖層經(jīng)歷破碎、冒落、受壓至壓實(shí)等過程;在裂隙帶,巖體裂隙經(jīng)歷產(chǎn)生、大量產(chǎn)生、逐漸被壓實(shí)而閉合的過程。四周頂板巖層中存在著大量的并能夠在很長時間內(nèi)保持存在的裂隙,這樣采空區(qū)就形成了“O”形圈,“O”形圈傾向的寬度大致在34m左右,且會隨著工作面的不斷推進(jìn)而向前移動,同時隨著裂隙向上發(fā)育而向上變化,如圖3所示。采空區(qū)“O”形圈的形成為采空區(qū)瓦斯聚集提供了場所,特別是在U形通風(fēng)條件下,采空區(qū)深部的瓦斯在通風(fēng)負(fù)壓作用下大量聚集在風(fēng)巷側(cè)“O”形圈內(nèi),造成工作面或上隅角瓦斯超限,造成煤層安全開采極大的隱患。因此,準(zhǔn)確分析出“O”形圈的分布范圍及發(fā)育高度,即冒落拱和裂隙帶的高度,是優(yōu)化高位鉆孔抽采參數(shù)的關(guān)鍵。4在u型通風(fēng)條件下，動脈破裂場的磚瓦流動規(guī)律4.1頂板瓦斯分布煤層回采空間的瓦斯一部分來源于采空區(qū)遺落煤逸出,一部分來源于上下鄰近層卸壓瓦斯的涌入。如圖4所示,祁南煤礦32煤層的鄰近層包括31和33煤層,31煤層下距離32煤層9.5～14.8m,處于32煤層上覆巖層的冒落帶內(nèi),31煤層的卸壓瓦斯在濃度差的作用下涌入32煤層上覆頂板裂隙中;33煤層上距離32煤層3.6～6.3m,處于32煤層底板的破壞帶內(nèi),33煤層的卸壓瓦斯在與周圍氣體的濃度差和密度差作用下上升、漂浮到回采空間及上覆頂板的裂隙中。由于U形通風(fēng)和通風(fēng)負(fù)壓的影響下,采空區(qū)的瓦斯分布被改變,使采空區(qū)深部的瓦斯(32煤層遺煤解吸瓦斯和31、33煤層卸壓瓦斯)涌向通風(fēng)側(cè)的頂板“O”形裂隙圈,從而形成瓦斯聚集區(qū),對工作面的開采造成極大的隱患。因此需要采取高位鉆孔抽采技術(shù)來治理這一隱患,抽采采空區(qū)卸壓瓦斯,改變采空區(qū)的瓦斯流場?；夭晒ぷ髅嬖赨型通風(fēng)條件下,風(fēng)流及瓦斯?jié)舛确植既鐖D5所示,進(jìn)入回采工作面的風(fēng)流被分成兩部分,一部分沿工作面進(jìn)入回風(fēng)巷道,另一部分漏入采空區(qū)(該部分風(fēng)流稱為采空區(qū)漏風(fēng)流)。采煤機(jī)械對回采工作面頂板控制長度的大小、采煤機(jī)械及風(fēng)簾形成的風(fēng)阻、冒落巖石被壓實(shí)的松密程度等影響著進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)量的多少。工作面推進(jìn)過后,采空區(qū)的冒落巖體從工作面開始向采空區(qū)深部逐漸被壓實(shí),其滲透率逐漸減少;進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)流很大一部分從其下半部流向采空區(qū)的靠近工作面的上半部,也只有一小部分流入采空區(qū)深部,其流動的路徑較長,對采空區(qū)的瓦斯分布的影響較小;采空區(qū)的瓦斯分布從工作面向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u增加即C1<C2<…<Cn,回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛纫笥跈C(jī)巷側(cè)的濃度。通過以上分析,采空區(qū)頂板裂隙的瓦斯分布具有以下特征。(1)由于31煤層和32煤層距離開采煤層32煤層較近,處于采動的直接破壞范圍內(nèi),鄰近煤層的吸附瓦斯大量解吸,這些卸壓瓦斯在瓦斯自身的濃度差以及空氣對其的浮力作用下,沿采空區(qū)裂隙“O”形圈通道上升,聚集在采動頂板裂隙內(nèi)。(2)在工作面與采空區(qū)內(nèi)部壓實(shí)處之間的范圍內(nèi),采空區(qū)上覆巖層的裂隙較發(fā)育,卸壓煤層的瓦斯解吸能力較大,但是由于工作面的漏風(fēng)流較大,這些瓦斯被稀釋到回風(fēng)巷道中;在采空區(qū)深部的壓實(shí)區(qū),由于冒落巖塊被壓實(shí),裂隙帶的離層和裂隙發(fā)生閉合,卸壓煤層的吸附瓦斯解吸量減少,但是,由于漏風(fēng)流的風(fēng)阻變大,被風(fēng)流稀釋走的瓦斯比例較小。(3)在回采工作面通風(fēng)壓差的作用下,特別是漏風(fēng)流的影響下,采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)巷側(cè)的瓦斯?jié)舛让黠@大于機(jī)巷側(cè)的瓦斯?jié)舛?一般在采空區(qū)內(nèi)部,在水平距離風(fēng)巷30m范圍內(nèi),容易形成瓦斯積聚區(qū)。工作面與采空區(qū)壓實(shí)處之間區(qū)域是高位鉆孔重點(diǎn)抽采的區(qū)域,這個區(qū)域的上覆巖層的裂隙發(fā)育情況也直接影響著高位鉆孔的設(shè)計(jì),進(jìn)而影響高位鉆孔的抽采效果。4.2高位鉆孔的瓦斯抽采量高位鉆孔的終孔位置位于冒落拱上部與裂隙帶的下部,裂隙較發(fā)育,滲透率較高。高位鉆孔在負(fù)壓帶動下,通過這些裂隙通道,抽采采空區(qū)或者鄰近煤層的卸壓瓦斯,改變采空區(qū)的瓦斯流場。本文根據(jù)達(dá)西定律和氣體狀態(tài)方程建立高位鉆孔在裂隙帶中的抽采滲流模型,分析鉆孔半徑及抽采負(fù)壓對高位鉆孔抽采效果的影響。采空區(qū)上覆巖層裂隙帶中任一位置的瓦斯壓力公式為:p=pw+p0?pwlnr0rwlnrrwp=pw+p0-pwlnr0rwlnrrw(10)式中:p——采空區(qū)上覆巖層裂隙帶中任一位置的瓦斯壓力,Pa;p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,即1.01×105Pa;pw——高位鉆孔內(nèi)部的任一點(diǎn)的瓦斯壓力,Pa;r0——高位鉆孔的瓦斯抽采影響范圍,m;rw——高位鉆孔的設(shè)計(jì)半徑,m。將(10)式代入達(dá)西定律,可以得到高位鉆孔的單個鉆孔在抽采時單位時間內(nèi)瓦斯抽采量,即:q=2π?rw?L?Kμ?1rw?p0?pwlnr0rw=2π?L?Kμ?p負(fù)lnr0rw(11)q=2π?rw?L?Κμ?1rw?p0-pwlnr0rw=2π?L?Κμ?p負(fù)lnr0rw(11)式中:L——回采工作面的周期來壓步距,m;K——冒落或者垮落巖體的滲透率,K=9.0×10-13m2;μ——瓦斯氣體的動力粘度系數(shù),μ=1.08×10-5Pa·s。從式(11)可以看出,高位鉆孔的抽采量與巖塊的滲透率有關(guān),裂隙帶下部區(qū)域是裂隙較發(fā)育的區(qū)域,滲透率較大,因此高位鉆孔布置在這個層位能夠提高抽采量。高位鉆孔在單位時間內(nèi)的瓦斯抽采量與抽采負(fù)壓和鉆孔半徑有關(guān)。當(dāng)鉆孔抽采負(fù)壓為定值時,取回采工作面的周期來壓步距L為20m,鉆孔抽采影響范圍取3m,抽采負(fù)壓取18kPa,代入公式(11),得出圖6。從圖6可以看出,隨著抽采直徑的增加,高位鉆孔在單位時間內(nèi)的瓦斯抽采量呈直線增加。因此,可以通過增加鉆孔的直徑提高高位鉆孔的抽采量。當(dāng)高位鉆孔的鉆孔直徑為定值時,取鉆孔直徑為113mm,負(fù)壓分別取1.0×104Pa,1.5×104Pa,2.0×104Pa,3.0×104Pa。代入公式(11)得到圖7。從圖7可以看出,高位鉆孔的抽采瓦斯量與抽采負(fù)壓呈線性關(guān)系,即隨著抽采負(fù)壓的增大,高位鉆孔的抽采瓦斯量增大較快。因此從理論上說,用提高抽采管路的抽采負(fù)壓提高抽采量是個比較好的辦法,但是由于現(xiàn)場的抽采管路規(guī)格的限制以及經(jīng)濟(jì)的原因,提高負(fù)壓來提高瓦斯抽采量很困難,在經(jīng)濟(jì)允許、設(shè)備允許和煤層自燃條件允許的條件下,應(yīng)盡量提高負(fù)壓來提高抽采量。5高位鉆孔的層位設(shè)計(jì)(1)影響高位鉆孔抽采效果的因素包括煤層頂板巖層性、高位鉆孔布置層位、回采工作面的推進(jìn)速度、高位鉆孔的壓茬距離、通風(fēng)負(fù)壓及抽采負(fù)壓和鉆孔施工及封孔質(zhì)量等。高位鉆孔的抽采在垂向上和走向上存在著理論的界限,在垂向上高位鉆孔應(yīng)布置在冒落拱的上部和裂隙帶的下部,在走向上高位鉆孔在工作面后方幾十米范圍內(nèi)抽采能有效解決工作面上隅角瓦斯超限,因此,分析工作面后方幾十米范圍內(nèi)的覆巖裂隙分布是設(shè)計(jì)高位鉆孔的層位的關(guān)鍵。(2)上覆巖層的斷裂過程及其壓實(shí)過程都是時間過程,工作面開采速度較快,在工作面與冒落拱之間的上覆巖層受開采影響的時間較短,在垂向上以及走向上,巖層的移動量較小,裂隙發(fā)育程度低。這為煤層開采速度較快的情況下,高位鉆孔的終孔層位應(yīng)降低提供了理論基礎(chǔ)。(3)由于“豎三帶”裂隙發(fā)育程度不同,瓦斯的聚集程度不同,裂隙帶的下部是瓦斯氣體的大量聚集區(qū)。因此,合理的高位鉆孔應(yīng)布置在裂隙帶的下部和冒落拱的上部。(4)根據(jù)采動裂隙“O