采空区上覆覆岩裂隙发育规律及瓦斯流动规律研究

采空区上覆覆岩裂隙发育规律及瓦斯流动规律研究

1高修正率下的钻井效果的影响因素1.1顶板裂隙发育程度不同高孔固井的形成对高密度孔固井的形成影响较大。煤层顶板在工作面回采过程中,受采动影响,采空区上覆岩层自下而上形成“竖三带”,即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带,因此顶板岩层的岩性不同,裂隙发育程度不同。若顶板裂隙发育,则高位钻孔与顶板裂隙沟通容易,瓦斯抽采效果较好。不同的岩性的岩层其裂隙发育不同,影响高位钻孔终孔的控制,若高位钻孔的终孔层位控制不准,则影响高位钻孔的抽采效果。1.2使瓦斯活跃区域高位钻孔的抽采空间应分布于瓦斯来源多且释放充分的区域。但是这样的区域的分布受到多种因素的制约,其中,“O”形圈的存在和U型通风的作用,使瓦斯活跃区域位于风巷侧的裂隙发育区域。高位钻孔的控制范围包括高位钻孔抽采带垂向上的上下限、走向上的抽采界限和倾向上的分布范围。高位钻孔的抽采下限应位于冒落带的上部即冒落拱的上方,上限位于裂隙带的下部,能够取得较好的抽采效果;沿工作面走向上的抽采界限在工作面的前方几米范围内有效;由于采空区“O”形圈、顶板岩层倾向垮落角的存在和U型通风对采空区瓦斯分布的影响,需要考虑高位钻孔在倾向上的分布范围。1.3老顶周期来压步距变长在工作面按一定速度推进过程中,老顶按照一定的步距垮落,但是在工作面速度推进较快的情况下,老顶的周期来压步距变长,上覆岩层的裂隙发育滞后,冒落拱距离工作面采线的距离变长,冒落拱与工作面之间的顶板裂隙未充分发育。若按照岩层充分发育设计的钻孔处于裂隙未充分发育区,高位钻孔与采空区的裂隙通道阻力较大,瓦斯抽采效果差。1.4严格高位钻孔压茬距离高位钻孔具有一定的倾斜角度,随着工作面的推进,高位钻孔处于顶板岩层的冒落带范围内时,高位钻孔对采空区瓦斯的抽采就基本失去了作用,因此,为确保工作面的安全开采,钻场间的高位钻孔需要一定的压茬距离来保证高位钻孔抽采的连续性。同时,上覆岩层的破断是一个周期过程,因此,在设计高位钻孔钻场之间的压茬时,需要综合考虑钻孔的角度、垮落角、高位钻孔终孔至破断面的距离以及老顶的悬臂梁长度等情况。1.5钻孔产生负压通风系统在工作面产生一定的负压,使采空区产生漏风流,采空区存在着通风负压,永久抽采系统或移动泵在高位钻孔孔口产生一定的抽采负压,而钻孔孔径较小,产生的阻力较大,达到钻孔的进气点时,钻孔抽采负压大大减低,因此,如果钻孔的进气点负压小于漏风流负压,那么采空区的瓦斯流场就不能发生变化,钻孔也不能保证一定的抽采量,会造成工作面及上隅角瓦斯超限。1.6工钻孔角度和方位控制过难高位钻孔较长,一般在100m左右,长距离施工钻孔,其角度和方位的控制较难,不可避免地发生偏移,达不到设计的标准,影响高位钻孔的抽采效果。同时封孔质量的好坏也影响高位钻孔的抽采效果。2采空区粘弹性岩梁体断裂过程工作面推过后,采空区上覆岩层失去了支撑力而产生裂隙,上覆岩层裂隙发育过程与时间有关,开始时变化较小,然后逐渐增大,最后逐渐衰弱,直到岩层达到稳定平衡。把上覆岩层看成粘弹性梁体,根据流变力学的理论及J体模型,得出本构方程为:E1+E2E1ηz∂3W∂x2∂t+E2z∂2W∂x2=ηE1σ˙+σE1+E2E1ηz∂3W∂x2∂t+E2z∂2W∂x2=ηE1σ˙+σ(1)式中:ε——粘弹性梁体纵向应变;W——粘弹性梁弯曲下沉量;z——为中性轴与计算点之间的距离。将(1)式的两边同乘zdA(dA为粘弹性梁体的微面积),并积分得:E1+E2E1ηI∂3W∂x2∂t+E2I∂2W∂x2=ηE1M˙+ME1+E2E1ηΙ∂3W∂x2∂t+E2Ι∂2W∂x2=ηE1Μ˙+Μ(2)式中:M——粘弹性梁体的横截面积所受的力矩,M=∫AσzdAΜ=∫AσzdA;I——粘弹性梁体截面对其中性轴线的惯性距,I=∫Az2dAΙ=∫Az2dA。力矩M对粘弹性梁体所受载荷的影响方程为:式中:p,q——粘弹性梁体所受的均匀载荷;σc——下层梁对粘弹性梁体的支承反力。假设下位岩层也属于J体模型,于是支撑反力σc满足下列公式:∂2M∂x2+ηcE1c∂2M˙∂x2=p−(σc+ηcE1cσ˙c)∂2Μ∂x2+ηcE1c∂2Μ˙∂x2=p-(σc+ηcE1cσ˙c)(4)假设: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)同步移动区粘弹性岩梁体下沉的偏微分方程为: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)依据边界条件算出积分常数。x=0时,粘弹性梁体的弯曲下沉量为:如图1所示,随着岩层下层被开挖后时间的增加,岩层的弯曲下沉量逐渐增大,并趋向于某一定值。因此,上覆岩层的断裂过程及其对采空区的压实过程都是时间过程。这为煤层开采速度较快的情况下,高位钻孔的终孔层位应降低提供了理论基础。3断裂带的发育和分布特征3.1工作面裂隙发育程度不同如图2所示,在工作面推进方向,上覆岩层经历了煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区,采空区上覆岩层由下而上分为冒落带、裂隙带和完全下沉带。其中,冒落带是由煤层的直接顶垮落形成的,岩层呈不规则状排列,高度取决于工作面的开采厚度和岩体的膨胀性。在工作面推进速度较快的情况下,冒落拱距离工作面较远,冒落拱与工作面之间的冒落带的高度随工作面推进距离的增加而增加。裂隙带是受采动影响破断但排列整齐的岩层区域。“竖三带”的裂隙发育程度不同,造成瓦斯气体在“竖三带”的分布程度不同,冒落带瓦斯气体的浓度较低;裂隙带上部聚集的瓦斯较少,大量瓦斯气体聚集于裂隙带下部;弯曲下沉带裂隙不发育,只有少量的瓦斯聚集于此。因此,设计高位钻孔时,把高位钻孔布置在裂隙带的下部与冒落拱的上部,抽采采空区和上邻近层的瓦斯,能够取得较好的抽采效果。3.2采空区“o”形圈的发育煤层在开采以后,冒落带的顶板岩层经历破碎、冒落、受压至压实等过程;在裂隙带,岩体裂隙经历产生、大量产生、逐渐被压实而闭合的过程。四周顶板岩层中存在着大量的并能够在很长时间内保持存在的裂隙,这样采空区就形成了“O”形圈,“O”形圈倾向的宽度大致在34m左右,且会随着工作面的不断推进而向前移动,同时随着裂隙向上发育而向上变化,如图3所示。采空区“O”形圈的形成为采空区瓦斯聚集提供了场所,特别是在U形通风条件下,采空区深部的瓦斯在通风负压作用下大量聚集在风巷侧“O”形圈内,造成工作面或上隅角瓦斯超限,造成煤层安全开采极大的隐患。因此,准确分析出“O”形圈的分布范围及发育高度,即冒落拱和裂隙带的高度,是优化高位钻孔抽采参数的关键。4在u型通风条件下，动脉破裂场的砖瓦流动规律4.1顶板瓦斯分布煤层回采空间的瓦斯一部分来源于采空区遗落煤逸出,一部分来源于上下邻近层卸压瓦斯的涌入。如图4所示,祁南煤矿32煤层的邻近层包括31和33煤层,31煤层下距离32煤层9.5～14.8m,处于32煤层上覆岩层的冒落带内,31煤层的卸压瓦斯在浓度差的作用下涌入32煤层上覆顶板裂隙中;33煤层上距离32煤层3.6～6.3m,处于32煤层底板的破坏带内,33煤层的卸压瓦斯在与周围气体的浓度差和密度差作用下上升、漂浮到回采空间及上覆顶板的裂隙中。由于U形通风和通风负压的影响下,采空区的瓦斯分布被改变,使采空区深部的瓦斯(32煤层遗煤解吸瓦斯和31、33煤层卸压瓦斯)涌向通风侧的顶板“O”形裂隙圈,从而形成瓦斯聚集区,对工作面的开采造成极大的隐患。因此需要采取高位钻孔抽采技术来治理这一隐患,抽采采空区卸压瓦斯,改变采空区的瓦斯流场。回采工作面在U型通风条件下,风流及瓦斯浓度分布如图5所示,进入回采工作面的风流被分成两部分,一部分沿工作面进入回风巷道,另一部分漏入采空区(该部分风流称为采空区漏风流)。采煤机械对回采工作面顶板控制长度的大小、采煤机械及风帘形成的风阻、冒落岩石被压实的松密程度等影响着进入采空区的漏风量的多少。工作面推进过后,采空区的冒落岩体从工作面开始向采空区深部逐渐被压实,其渗透率逐渐减少;进入采空区的漏风流很大一部分从其下半部流向采空区的靠近工作面的上半部,也只有一小部分流入采空区深部,其流动的路径较长,对采空区的瓦斯分布的影响较小;采空区的瓦斯分布从工作面向采空区深部瓦斯浓度逐渐增加即C1<C2<…<Cn,回风侧的瓦斯浓度要大于机巷侧的浓度。通过以上分析,采空区顶板裂隙的瓦斯分布具有以下特征。(1)由于31煤层和32煤层距离开采煤层32煤层较近,处于采动的直接破坏范围内,邻近煤层的吸附瓦斯大量解吸,这些卸压瓦斯在瓦斯自身的浓度差以及空气对其的浮力作用下,沿采空区裂隙“O”形圈通道上升,聚集在采动顶板裂隙内。(2)在工作面与采空区内部压实处之间的范围内,采空区上覆岩层的裂隙较发育,卸压煤层的瓦斯解吸能力较大,但是由于工作面的漏风流较大,这些瓦斯被稀释到回风巷道中;在采空区深部的压实区,由于冒落岩块被压实,裂隙带的离层和裂隙发生闭合,卸压煤层的吸附瓦斯解吸量减少,但是,由于漏风流的风阻变大,被风流稀释走的瓦斯比例较小。(3)在回采工作面通风压差的作用下,特别是漏风流的影响下,采空区内部风巷侧的瓦斯浓度明显大于机巷侧的瓦斯浓度,一般在采空区内部,在水平距离风巷30m范围内,容易形成瓦斯积聚区。工作面与采空区压实处之间区域是高位钻孔重点抽采的区域,这个区域的上覆岩层的裂隙发育情况也直接影响着高位钻孔的设计,进而影响高位钻孔的抽采效果。4.2高位钻孔的瓦斯抽采量高位钻孔的终孔位置位于冒落拱上部与裂隙带的下部,裂隙较发育,渗透率较高。高位钻孔在负压带动下,通过这些裂隙通道,抽采采空区或者邻近煤层的卸压瓦斯,改变采空区的瓦斯流场。本文根据达西定律和气体状态方程建立高位钻孔在裂隙带中的抽采渗流模型,分析钻孔半径及抽采负压对高位钻孔抽采效果的影响。采空区上覆岩层裂隙带中任一位置的瓦斯压力公式为:p=pw+p0−pwlnr0rwlnrrwp=pw+p0-pwlnr0rwlnrrw(10)式中:p——采空区上覆岩层裂隙带中任一位置的瓦斯压力,Pa;p0——标准大气压力,即1.01×105Pa;pw——高位钻孔内部的任一点的瓦斯压力,Pa;r0——高位钻孔的瓦斯抽采影响范围,m;rw——高位钻孔的设计半径,m。将(10)式代入达西定律,可以得到高位钻孔的单个钻孔在抽采时单位时间内瓦斯抽采量,即:q=2π⋅rw⋅L⋅Kμ⋅1rw⋅p0−pwlnr0rw=2π⋅L⋅Kμ⋅p负lnr0rw(11)q=2π⋅rw⋅L⋅Κμ⋅1rw⋅p0-pwlnr0rw=2π⋅L⋅Κμ⋅p负lnr0rw(11)式中:L——回采工作面的周期来压步距,m;K——冒落或者垮落岩体的渗透率,K=9.0×10-13m2;μ——瓦斯气体的动力粘度系数,μ=1.08×10-5Pa·s。从式(11)可以看出,高位钻孔的抽采量与岩块的渗透率有关,裂隙带下部区域是裂隙较发育的区域,渗透率较大,因此高位钻孔布置在这个层位能够提高抽采量。高位钻孔在单位时间内的瓦斯抽采量与抽采负压和钻孔半径有关。当钻孔抽采负压为定值时,取回采工作面的周期来压步距L为20m,钻孔抽采影响范围取3m,抽采负压取18kPa,代入公式(11),得出图6。从图6可以看出,随着抽采直径的增加,高位钻孔在单位时间内的瓦斯抽采量呈直线增加。因此,可以通过增加钻孔的直径提高高位钻孔的抽采量。当高位钻孔的钻孔直径为定值时,取钻孔直径为113mm,负压分别取1.0×104Pa,1.5×104Pa,2.0×104Pa,3.0×104Pa。代入公式(11)得到图7。从图7可以看出,高位钻孔的抽采瓦斯量与抽采负压呈线性关系,即随着抽采负压的增大,高位钻孔的抽采瓦斯量增大较快。因此从理论上说,用提高抽采管路的抽采负压提高抽采量是个比较好的办法,但是由于现场的抽采管路规格的限制以及经济的原因,提高负压来提高瓦斯抽采量很困难,在经济允许、设备允许和煤层自燃条件允许的条件下,应尽量提高负压来提高抽采量。5高位钻孔的层位设计(1)影响高位钻孔抽采效果的因素包括煤层顶板岩层性、高位钻孔布置层位、回采工作面的推进速度、高位钻孔的压茬距离、通风负压及抽采负压和钻孔施工及封孔质量等。高位钻孔的抽采在垂向上和走向上存在着理论的界限,在垂向上高位钻孔应布置在冒落拱的上部和裂隙带的下部,在走向上高位钻孔在工作面后方几十米范围内抽采能有效解决工作面上隅角瓦斯超限,因此,分析工作面后方几十米范围内的覆岩裂隙分布是设计高位钻孔的层位的关键。(2)上覆岩层的断裂过程及其压实过程都是时间过程,工作面开采速度较快,在工作面与冒落拱之间的上覆岩层受开采影响的时间较短,在垂向上以及走向上,岩层的移动量较小,裂隙发育程度低。这为煤层开采速度较快的情况下,高位钻孔的终孔层位应降低提供了理论基础。(3)由于“竖三带”裂隙发育程度不同,瓦斯的聚集程度不同,裂隙带的下部是瓦斯气体的大量聚集区。因此,合理的高位钻孔应布置在裂隙带的下部和冒落拱的上部。(4)根据采动裂隙“O