过断层破碎带瓦斯应力分析及抽放工艺设计_张永刚.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 李村煤矿 1301 工作面为矿井验收试运转工作 面， 据地层资料显示， 该工作面前方存在有 1 条倾角 为 60的正断层 FJ10。 断层破碎带周围形成了高应力 瓦斯积聚区， 严重威胁到工作面的正常回采[1]。因 此， 为确保安全回采， 采用数值模拟的方式判断瓦斯 积聚的应力集中区范围，并通过分析工作面发生瓦 斯异常涌出时的极限距离，设计瓦斯超前应力释放 的最小超前距，并根据实际抽采过程时的应力现 象， 优化抽采工艺， 提高瓦斯抽采的安全系数[2]。 1工程概况 李村煤矿 1301 工作面采用大采高一次采全高 沿空留巷工艺回采。现回采煤层为 3煤层， 工作面 采高为 6 m， 煤层与顶底板参数见表 1。根据地层资 料显示 ， 工作面前方存在 1 个正断层， 走向为 175， 倾向 85， 落差 2 m， 延伸长度为 218 m。 2工作面过断层数值模拟 2．1模型建立与开挖 模拟对象为工作面前方正断层附近的影响岩 层， 通过采用 FLAC3D数值分析中的接触面命令进行 模拟分析， 模型中选取断层倾角 60， 模拟煤层与顶 底板岩性参照表 1 中数据进行参数设置。模型顶部 施加均布载荷 12．7 MPa，模型长宽高为 100 m 80 m 100 m， 数值分析模型如图 1。 当工作面开始回采后， 在断层带影响下， 工作面 围岩内的瓦斯分布状况发生了改变，为确保工作面 在回采过程中的安全性，需对不同回采距离下的采 过断层破碎带瓦斯应力分析及抽放工艺设计 张永刚， 鲍俊睿 （山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司 李村煤矿， 山西 长治 046000） 摘要针对李村煤矿 1301 工作面过断层破碎带瓦斯抽放问题，采用 FLAC3DExtrusion 数值分 析软件模拟工作面过断层模型， 得到了瓦斯应力异常区与覆岩载荷的应力贯通距离为距前方断 层 20 m 处， 应在此范围内进行瓦斯超前预抽放。并针对在瓦斯抽放过程中由于断层破碎带内应 力较大产生的卡钻、 吸钻问题， 提出了空压机 “孔内高压” 抽采工艺， 优化了瓦斯超前预抽采方 案， 提高了瓦斯抽放工效。 关键词 断层破碎带； 泥岩涂抹层； FLAC3D数值模拟； 瓦斯抽放； 最低风压 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020 ） 02－0142-04 Gas Stress Analysis and Design of Drainage Process in Fault Broken Zone ZHANG Yonggang, BAO Junrui （Licun Coal Mine, Shanxi Lu’ an Mining Group Cilinshan Coal Industry Co., Ltd., Changzhi 046000, China） Abstract According to the gas drainage problem of the fault fracture zone in 1301 working face of Licun Coal Mine, the FLAC3D Extrusion numerical analysis software was used to simulate the working face crossing fault model． The stress penetration distance between the gas stress anomaly zone and the overburden load is 20 m away from the front fault． Gas pre-dumping should be carried out within this range． Aiming at the problem of stuck and suction drilled in the gas drainage process due to the large internal stress of the fracture zone, the extraction technology of“high pressure in hole”with air compressor was proposed, and the gas pre-extraction plan was optimized, and the efficiency of gas drainage was improved． Key words fault fracture zone; mudstone smear; FLAC3Dnumerical simulation; gas drainage; minimum wind pressure DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．033 张永刚， 鲍俊睿．过断层破碎带瓦斯应力分析及抽放工艺设计 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 142-145． ZHANG Yonggang, BAO Junrui．Gas Stress Analysis and Design of Drainage Process in Fault Broken Zone ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 142-145． 应用 实践 142 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 表 1李村煤矿 3 号煤层与顶底板参数 Table 13coal seam and top and bottom plate parameters of Licun Coal Mine 图 1数值分析模型 Fig.1Numerical analysis model 图 2不同回采距离下围岩主应力分布 Fig.2Distribution of principal stress of surrounding rock under different mining distances 场应力分布进行进一步分析。因此，设计了工作面 距断层 40、 30、 20 m 时的开挖分析模型，模拟时采 用弹性材料对模型采空区进行回填处理，对采空区 进行无塑性区处理， 以免影响分析结果[3-4]。 2.2数值模拟结果 工作面进行回采时，断层附近的应力场随采动 应力的不断变化而发生改变，通过对比工作面距断 层 40、 30、 20 m 3 种情形下的应力分布情况， 可以预 测出煤壁发生瓦斯事故的极限危险距离，不同回采 距离下围岩主应力分布如图 2。 对比 3 种回采模型下的主应力分布图可以得 出，随着工作面的推进，在工作面与断层之间的一 定范围内出现了应力增高现象，且其应力峰值随着 推进距离的不断增大而增大。 当工作面距断层 40 m 时，工作面前方出现应力增高现象，且应力峰值约 为 10.5 MPa，断层尾端也同样出现应力集中现象， 且应力峰值为 13.9 MPa，此时 2 个应力区相距较 远， 并未发生应力贯通； 当工作面距断层 30 m 时， 工作面前方的应力区与断层带下侧的应力区范围不 断扩大，并呈现出相互贯通的扩散态势，此时工作 面前方的应力峰值为约 12.5 MPa， 断层尾端的应力 峰值约为 15.7 MPa； 当工作面距离断层 20 m 时， 工 作面前方与断层破碎带的 2 组应力场相互叠加， 形 成贯通，此时两应力区发生能量转移与释放，工作 面前方的应力峰值逐渐减小至 10.5 MPa， 断层尾端 的应力峰值逐渐减小至 13.6 MPa。 为进一步分析应力贯通时的塑性分布状况， 截 取工作面距断层 20 m 时的塑性区分布 （图 3） 。 由图 3 可知，随着工作面与断层距离的不断缩 小，断层上盘受开采扰动影响范围增大。究其原因 是泥岩受剪切破坏严重， 导致孔隙率增大， 为瓦斯的 扩散提供了有利渠道。并且，当工作面推进至距断 层 20 m 处时， 裂隙发生贯通， 瓦斯应力瞬间释放， 此时工作面煤壁在受到高瓦斯应力与地层应力的双 重叠加作用下剥离煤体， 发生大面积片帮， 并向采空 岩石名称 抗拉强度 /MPa 弹性模量 /GPa 泊松比 内摩擦角 / （ ） 黏聚力 /MPa 煤0.103.040.31342.04 泥岩1.5017.800.24321.88 炭质泥岩2.978.550.22193.06 细粒砂岩1.689.700.25224.07 泥岩1.5017.800.24321.87 砂质泥岩1.5112.600.302411.12 粉砂岩4.5624.700.332716.80 泥岩1.5017.800.24321.88 143 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 4测压钻孔布置示意图 Fig．4Schematic diagram of pressure measuring drilling 图 3距离断层 20 m 时塑性区分布 Fig．3Distribution of rock layer plastic zone at 20 m from fault 区侧喷射弹性能， 是发生瓦斯事故的边界距离。 3瓦斯防治措施方案 3．1断层破碎带对钻孔的影响 由于工作面前方存在应力异常区，在打钻过程 中会出现吸钻、 卡钻现象， 不仅会影响抽采进程， 而 且断留在煤壁内的钻杆会对工作面的回采造成安全 隐患。经统计， 在对 1301 工作面 2 个运输巷进行瓦 斯预抽采时， 大多数钻孔不满足成孔要求， 其中 50～ 80 m 长的成孔数量约占 20， 30～50 m 长的成孔数 量约占 22， 30 m 长的成孔数量约占 7．5， 卡钻孔 约占 2．2， 且这些不满足成孔要求的钻孔分布范围 较为集中。由此可知， 此区域内的瓦斯压力较大， 且 与孔内空间形成较大的压力差，严重影响了瓦斯的 抽采效果。究其原因是在进行钻孔抽采时，前方煤 壁为瓦斯应力集中区，当钻孔钻进一段距离后， 会 出现喷孔现象，孔内压力与应力集中区应力梯度较 大，喷孔源头周围的孔壁进入加速变形阶段，瞬间 增大变形量，导致钻孔内壁与钻杆之间的孔隙减 小， 造成排渣困难。并且随着钻孔深度的增大， 钻屑 不断积累并箍紧钻头， 从而出现卡钻现象[5-6]。 3．2“孔内高压” 方案 瓦斯抽采是利用孔内空间与瓦斯积聚区的压力 梯度，实现瓦斯不断由高压侧向低压侧空间运移的 过程[7]。随着钻孔深度的不断增大， 钻孔内壁压力也 逐渐增大， 且呈现为非均匀性分布状态。钻孔越深， 内壁裂隙扩张现象越明显，单位时间的瓦斯释放量 越大。然而， 大量瓦斯释放后， 瓦斯吸附压力发生变 化，这种变化又反作用于钻孔内壁，进一步形成裂 隙的扩张、 延伸， 持续推进瓦斯解吸反应[8-9]。 “孔内高压” 的抽采工艺是通过增大钻孔内的风 压值， 减小钻孔与预抽采区瓦斯压力的梯度差， 从而 减缓空隙内瓦斯的解吸反应，在满足瓦斯抽放的同 时， 避免瓦斯压力瞬间释放时发生吸钻、 卡钻现象； 同时通过增大孔内压力，可以对钻孔内壁施加一定 的支撑力， 保持钻孔内壁的完整性， 避免塌孔现象发 生， 同时也为钻孔形成的煤屑提供了释放空间。 通过空压机施加孔内高压， 可以有效避免因瓦斯 应力迅速变化所造成的钻孔内壁裂隙迅速扩张现象， 可以有效控制单位时间内的瓦斯流量， 提高成孔率。 p△ppapt（1 ） pa△ps＋p0（2 ） 式中 p 为空压机出风口最低风压， MPa； △p 为 风压损失量， MPa； pa为孔底风压， MPa； pt为原始瓦 斯压力； △ps为煤屑克服阻力喷出钻孔的风压， MPa； p0为大气压强。 将煤屑的运动状态近似为理想状态，即将煤屑 看作为粒度一致， 混合均匀， 有效排渣直径稳定恒定 的理想状态[10]， 则有 △psp0（2 △ps0 p0 ＋1） 1 2 -[]1 （3 ） 式中 △ps0为当孔口的气体密度与流速以不可 压缩气体为参照时， 吹出钻渣所造成的阻力损失， Pa。 将风流近似看作为不可压缩流体，结合瓦斯原 始压力 0．25 MPa， 可以得到孔底风压为 0．714 MPa， 考虑到可能存在设备漏风及局部风压损失，最终确 定空压机出口风压不得低于 0．8～0．9 MPa。 对比我国 井下现有空压机的设备性能，可选取 ZDY1900S （MKD-5S） 型钻机进行风压钻孔， 配套的钻杆直径 为 63．5～73 mm。 3．3抽采钻孔参数 为优化 1301 工作面顺层预抽采钻孔布置参数， 确定合理的抽采半径，采用观测法对测压钻孔内的 瓦斯流量进行对比分析。 在运输巷中选取距断层 15 m 与 40 m 2 组瓦斯 流量测点， 每组测点分别布置 4 个间距 2 m、 长 50 m、 孔径 94 mm 的测试孔， 且距 2孔 1 m 处布置预 抽孔， 分析抽采前与抽采 30 min 后的瓦斯流量。测 压钻孔布置示意图如图 4。 144 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 由观测得到， 抽采 30 min 前后， 靠近断层侧的 2孔瓦斯流量增加了 23．7， 3孔瓦斯流量增大了 3．4， 1孔与 4孔变化不明显，可确定靠近断层侧 抽采半径为 1 m； 远离断层侧的 2孔瓦斯流量增大 了 32．6， 3孔瓦斯流量增大了 21．8，3孔瓦斯 流量增大了 6．2， 4孔变化不明显，可确定远离断 层测试抽采半径为 2 m。 但在实际抽采时常布置为多孔密集抽采， 此时会 存在着抽采叠加显现，因此为尽可能减少钻孔数量， 应将远离断层侧的抽采孔间距适当增大至 2．5 m。为 便于钻孔， 选取钻孔高度 1．5 m， 垂直运输巷并向上倾 斜 2进行钻孔， 钻孔全长约 130 m， 孔径 113 mm。 4结论 1 ） 通过模拟工作面过断层数值模型， 可以得出 当工作面距断层 20 m 时，断层带的应力区会与工 作面前方煤壁处的应力区发生贯通，此时在高瓦斯 应力与地层应力的双重作用下，易发生工作面煤壁 片帮以及瓦斯动力灾害。 因此需对超前工作面 20 m 范围内的煤体进行应力释放。 2） 为有效提高成孔率， 改善瓦斯抽采效果， 提出 了采用 ZDY1900S （MKD-5S）型钻机实施 “孔内高 压”的高风压抽采方式，空压机出风口风压不得低 于 0．8～0．9 MPa。 3） 通过观测测压钻孔瓦斯压力变化， 确定靠近 断层侧钻孔最佳布置间距为 1 m，远离断层侧钻孔 最佳布置间距为 2．5 m， 钻孔高取 1．5 m， 钻孔全长 取 130 m， 孔径取 113 mm， 钻孔倾角为垂直运输巷 并向上倾斜 2。 4） 采用此工艺进行瓦斯预抽采， 能够有效降低 瓦斯积聚区的安全隐患，并减少打钻时的卡钻、 吸 钻、 塌孔现象， 提高瓦斯抽采效率。 参考文献 ［1］ 蔡胜海．FLAC3D断层模拟中接触面法与弱化法的研究 及应用 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2016． ［2］ 鲁义， 申宏敏， 秦波涛， 等．顺层钻孔瓦斯抽采半径及 布孔间距研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2015 （1） 156－162． ［3］ 肖峻峰， 陈洋洋， 李平， 等．深井高瓦斯工作面 “一巷多 用” 瓦斯治理新模式 ［J］ ．煤炭学报， 2015， 40 （10） 2414． ［4］ 边小峰， 毕建乙， 张辉， 等．基于 COMSOL 的顺层钻孔 瓦斯抽采半径技术研究 ［J］ ．煤炭与化工， 2018， 41 （5） 92－97． ［5］ 李胜．采煤工作面煤与瓦斯突出危险性智能判识技术 ［J］ ．中国安全科学学报， 2016， 26 （10） 76－81． ［6］ 祁和刚．深部高应力巷道综合卸压技术研究与实践 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （6） 1023－1029． ［7］ 魏宗勇， 李莉， 李树刚， 等．覆岩采动裂隙中瓦斯运移 三维实验台的研制与应用 ［J］ ．煤矿安全， 2015， 46 （7） 5－8． ［8］ 周波， 程建圣．低透气性突出煤层群瓦斯综合治理技 术 ［J］ ．煤炭工程， 2017， 49 （9） 87－90． ［9］ 周西华， 王鹏辉， 门金龙， 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