连晓阳

(山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司，山西 太原 030053)

近距离煤层群下煤层卸压开采时，具有瓦斯涌出量较大、不稳定、瓦斯突出等缺点，当卸压开始时，裂隙发育、瓦斯通道打开，瓦斯会顺着裂隙通道进入到采煤工作面，形成瓦斯富集区，对瓦斯的防治工作产生较大的影响。因此，探明近距离煤层群开采卸压瓦斯富集规律对于瓦斯的防治及抽采具有重要的意义[1-3]。

1 工程概况

杜儿坪矿68304工作面，走向1 000 m，倾向200 m，煤厚3.58 m，平均倾角5°.2号煤与3号煤层间距9 m，3号煤与8号煤层间距68 m，8号煤与9号煤层间距9 m.2号煤平均厚度2.86 m，瓦斯含量5.66 m3/t，3号煤平均厚度2.61 m，瓦斯含量7.1 m3/t，8号煤平均厚度3.58 m，瓦斯含量9.77 m3/t，9号煤平均厚度3.51 m，瓦斯含量9.30 m3/t.

2 数值模拟模型建立

本模型选择以杜儿坪煤矿68304工作面为原型，平行煤层回采方向为x轴，垂直煤层回采方向为y轴，铅直方向即重力方向为z轴，向上为正。根据这一坐标系规定，模拟的煤层3.58 m，煤层倾角5°，模型尺寸为600 m×400 m×150 m，z轴方向补偿450 m的上覆岩层载荷。在z=0处即模型的低面设定x、y、z方向上的位移和速度均为0，z=150这个面为自由面和加载面，z=150和z=0这两个面按z=150到z=0加载重力渐变应力场，在x=0、x=600、y=0和y=400这4个面设定重力渐变应力约束。

3 顶板岩层卸压瓦斯运移富集规律

3.1 顶板横向离层裂隙发育区

当工作面向前推进时，采空区不断扩大，工作面采空区上覆岩层将发生沉降纵向位移，离层裂隙不断发育。整理数值模拟结果可知：

1) 当距离工作面切眼50 m时，采空区上覆岩层呈现了不同程度的沉降，累计进尺10 m、50 m、200 m时该切面上竖向位移最大值分别为3.52 mm、27.47 mm和147.48 mm.随着工作面的不断推进，顶板岩层发生竖向位移的同时也伴随着横向裂隙不断发育，因此在竖直方向上出现了不均匀沉降。顶板岩层竖向位移随着推进距离的增大不断增大，顶板岩层竖向位移随着距离工作面高度的增加而有所减小。因此，工作面顶板岩层裂隙的发育程度与工作面推进距离及距离工作面竖向距离具有较大的关系。

2) 工作面顶板以上不同倍数采高岩层竖向位移随工作面推进距离的变化规律工作面推进10 m时，距离工作面顶板5～15倍采高处沉降比较均匀，几条测线几乎重合为一条，沉降也较小，岩层离层裂隙发育程度较低；工作面推进30 m时，不同采高倍数处的岩层呈现不均匀沉降。随着工作面推进，5、7倍采高处岩层下沉曲线趋于一致，均位于所有测线下方，10倍采高处岩层下沉曲线位于所有测线中部，而13、15倍采高处岩层下沉曲线趋于一致，均位于所有测线上方。可以得到距离工作面顶板10倍采高处岩层离层裂隙发育程度最大。当工作面过切面后，顶板上方不同采高倍数岩层下沉开始呈现不均匀特性，是由于采空区垮落后被压实采动应力重新分布导致。

3.2 顶板纵向裂隙发育区

工作面煤层采出后，顶板岩层上方卸压区岩体主要受拉应力影响，超过极限抗拉强度时，将会出现纵向裂隙。因此当顶板岩层周期性断裂时，工作面煤壁后方顶板岩层产生开口向下的纵向裂隙，煤壁前方顶板岩层产生开口向上的纵向裂隙。顶板上方不同采高倍数岩层水平应力随工作面推进距离变化规律如图1所示。

由图1可知，顶板上方7～10倍采高区域，随着工作面推进距离增大，水平应力由负变正，这是由于此区域岩层由原始的受压状态变为采动后的受拉状态，最大拉应力为3.80 Pa×106Pa，此区域内岩层抗拉强度极限最大为1.8 Pa×106Pa，因此岩层会出现纵向裂隙。13～15倍采高处岩层，受采动影响前后均保持受压状态，未产生纵向裂隙。因此，顶板上方7倍到10倍采高岩层处于纵向裂隙最发育区。此区域内，裂隙相互导通，为瓦斯富集区域，抽采裂隙带卸压瓦斯的高位钻孔布置在此区域附近，可以达到较好的开采层采煤工作面采动卸压瓦斯的抽采效果。

由于采场上覆岩层在采空区中部逐步压实及采空区四周边界条件的不同，采空区顶板高瓦斯富集区在水平面上分布是不均匀的。不仅要确定顶板高瓦斯富集区高度，还需开展采空区顶板水平面上高瓦斯富集规律研究。

3.3 高位环形裂隙体

68304工作面顶板竖向应力在走向和倾向上的变化规律可知：工作面走向上，竖向应力呈现增加、降低、恢复、稳定4个阶段，卸压范围在工作面后方150～200 m范围，超前支承压力影响范围约300 m；工作面倾向上，外侧支承压力影响范围同样约300 m，工作面中部随着采空区垮落逐渐恢复应力，但两侧仍保持一定得卸压区域。

4 工程实践

4.1 高位钻孔布置方式

杜儿坪矿68304工作面布置4个高位钻场，垂直风巷施工一条上山进入8号煤顶板岩层中，距离8号煤层法距6 m，钻场规格为6 m ×4 m，每个钻场布置10个钻孔，分两排布置，开孔间距0.5 m，钻孔倾角为5～11°，孔孔径为D91 mm，终孔层位控制在煤层顶板之上16～50 m处。在3号钻场设施工3个考察孔，同时兼作抽采孔，如图2所示，具体参数如表1所示。

图2 考察孔布置平面图

表1 1号钻场高位钻孔参数

4.2 抽采瓦斯效果考察

3个试验钻孔内抽采瓦斯体积分数随工作面推进距离变化曲线如图3所示，工作面推进距离L为207～217 m时，体积分数升高CH4体积分数为9%～30%，稳定抽采段(L为217～247 m) 和体积分数降低段(CH4体积分数:47%～3%，L为247～285 m)。分析可知可以将体积分数小于5%时的钻孔段所处高度认定为垮落带高度，而把稳定抽采区域的钻孔段所处位置作为裂隙带高度。

图3 1号、2号、3号 钻孔法距、抽采体积分数随工作面进度变化曲线

由图3可知，抽采体积分数变化区段钻孔距离煤层顶板距离为23.1～37.4 m，得出顶板裂隙带高度为23.1～37.4 m(即采高的6.5～10.4倍)，垮落带高度为23.1 m(采高的6.5倍)，此结论和数值模拟结论比较吻合。

这说明，实际考察结果基本上和数值模拟结论接近，表明该数值模拟方法可以指导高位钻孔设置区域，即高位钻孔高度应大于垮落带高度，小于裂隙带高度，此区域可以大幅度提高瓦斯抽采效果。

5 结 语

通过对杜儿坪矿68304工作面进行FLAC3D建模进行数值模拟分析，分析了顶板横向离层裂隙发育区、顶板纵向裂隙发育区、高位环形裂隙体，得到了如下结论：

1) 工作面顶板10倍采高处，岩层裂隙发育程度较高，属于瓦斯富集区域；

2) 在工作面推进方向及倾向上，其中超前支承压力及工作面外侧支承压力的影响范围达300 m；卸压范围在工作面后方150～200 m以内；

3) 通过工程实践，杜儿坪矿68304工作面布置4个高位钻场进行瓦斯抽采，抽采体积分数发生变化区段的钻孔距煤层顶板法距为23.1～37.4 m，此结论和数值模拟结论比较吻合。可见本数值模拟研究成果可指导工程实践钻孔设计。