導水裂隙帶高度數值模擬與應用

姜偉

山西省煤炭地質勘查研究院，山西太原 030006

摘要：導水裂隙帶發育高度研究對指導卸壓瓦斯抽采具有重要意義，為研究導水裂隙帶發育特征，基于RFPA-2D（巖石破裂過程分析系統）軟件平臺，以晉城礦區寺河礦4301工作面為研究對象，對回采過程中上覆巖層的變形和垮落情況進行了模擬，模擬結果顯示工作面回采后導水裂隙帶發育高度為75m。根據4301工作面導水裂隙帶模擬結果，指導鄰近的3313工作面L型采動水平井水平段布置在煤層頂板以上40～60m導水裂隙帶范圍內。L型采動水平井運行后，井下風排甲烷純量、采空區抽排甲烷純量、高位鉆孔抽排甲烷純量均明顯降低，說明RFPA-2D數值模擬預測導水裂隙帶結果高度可信，可用于指導卸壓瓦斯抽采。

關鍵詞：導水裂隙帶；發育高度；RFPA-2D數值模擬；L型采動水平井

一、引言

隨著煤層的開采，采場內的巖體會發生變形、破斷和移動（李樹剛等，2002），在上覆巖層中形成導水裂隙帶，并對煤體及圍巖產生“卸壓增透”效應，透氣性增加后，卸壓瓦斯會在壓力梯度和濃度梯度作用下在導水裂隙帶頂部富集（俞啟香等，2004；葛春貴等，2010），因此導水裂隙帶發育特征對卸壓瓦斯抽采具有指導意義。導水裂隙帶發育高度的研究方法主要有經驗公式、數值模擬、相似材料模擬、現場實測等（龍天文，2019）。垮落帶和導水裂隙帶高度可以通過經驗公式計算，但適用條件是厚煤層分層開采，單層厚度1～3m，總厚度不超過15m，綜采條件下計算的結果往往偏小（滕永海，2011）；相似材料模擬可直接觀察開采過程中上覆巖層垮落過程及裂隙發展，但缺點是工程量大、實驗時間長、材料配比難以確定；現場實測結果最接近實際，但缺點是工程量大、成本高；數值模擬具有成本低、易于分析、可根據需要隨時調整參數等優點，成為導水裂隙帶研究中應用最為廣泛的一種技術手段（衛勇鋒，2019）。本文基于RFPA-2D軟件平臺，以晉城礦區寺河礦4301工作面為研究對象，對回采過程中上覆巖層的變形和垮落情況進行模擬，確定導水裂隙帶發育高度，為地面L型水平井抽采卸壓瓦斯提供理論依據。

二、模型建立

RFPA-2D（巖石破裂過程分析系統）軟件能夠模擬巖石從裂紋萌生、擴展直至斷裂的全過程，基于連續介質力學和損傷介質力學原理，具有應力分析和破壞分析兩方面的功能（黃明利等，2009）。寺河礦4301工作面主采煤層為山西組3#煤，煤層平均厚度6.4m，煤層底板標高488～624m，煤層傾角1°～14°，平均傾角5°，采煤工藝為長壁式一次采全高。RFPA模型沿工作面走向建立，水平方向取200m，垂直方向取150m，煤層厚度6.4m，采用平面應變模型，水平方向位移約束，可垂直移動。為簡化模型，我們將性質相近巖層進行合并，劃分為12層。每米劃分一個單元，模型水平長200m，劃分為200個單元，垂直長150m，劃分為150個單元，整個模型劃分為30000（200×150）個單元。模擬過程中，巖體破壞用Mohr-Coulomb屈服準則判斷（馬海濤，2007）：

式中：σ₁為最大主應力，σ₃為最小主應力，c為黏結力，φ為摩擦角，當f_s＞0時，判斷材料發生剪切破壞。

開挖步長5m，執行分步開挖功能，每開挖5m步長，用RFPA-2D軟件進行一次解算，并將單元破壞、移動過程以彈性模量圖形式顯示。數值模擬結果是否符合實際，取決于參數選取的準確性，煤巖層物理力學參數使用鉆孔巖芯實測資料（如表1所示）。

表1 煤巖物理力學參數表

續表

三、結果分析

數值模擬的目的是分析工作面推進過程中頂板巖層的破壞特征，從RFPA彈性模量圖中（如圖1～圖5所示）可以很直觀地判斷出巖層的破斷、垮落情況。巖層尚未破斷時，彈性模量一般較大。當受到采動影響，巖層發生破斷、垮落時，RFPA軟件設置的垮落后的巖層彈性模量較小，從而使前后彈性模量大小對比性很強，對比彈性模量圖，對分析覆巖破斷、垮落的過程具有較強的說明性。

隨著工作面的推進，煤層頂板破壞過程逐漸發展。從彈性模量特征圖可以看出，在工作面推進至20m時，直接頂第一次發生垮落，受下部巖層冒落拉應力的影響，靠近切眼處形成少量離層裂隙（如圖1所示）。在老頂的跨度達到其極限跨度前，老頂以“假塑性梁”的形式承載著其上部載荷，隨著采空區的范圍擴大，老頂最終失穩垮落（楊玉靜等，2010）。工作面繼續推進到40m時，老頂初次垮落，表現為巖層整體性破壞，垮落后仍有較好的完整性，破壞高度30m左右（如圖2所示）。

圖1 工作面推進20m時，彈性模量分布

圖2 工作面推進40m時，彈性模量分布

老頂初次垮落后，將發生“穩定—失穩—穩定”的周期性垮落。每一次周期垮落后，上覆巖層進入短暫的穩定期。隨著工作面推進，老頂懸露的面積也在增大，當達到極限跨距時，老頂開始斷裂，繼而再次失穩垮落（韓俊效，2011）。當工作面推進至55m時，老頂形成的相對平衡狀態被打破，發生第一次周期垮落，來壓步距為15m，上覆巖層垮落高度較第一次垮落增加較多（如圖3所示）。當工作面推進至70m時，老頂發生第二次周期性垮落，來壓步距為15m，上覆巖層垮落高度達到煤層頂板以上75m左右（如圖4所示）。當工作面繼續推進至100m時，導水裂隙帶高度沒有繼續擴大，保持在75m左右（如圖5所示）。由此分析，該處巖層達到極限跨距時，下部巖層已經觸矸，所以巖層不會繼續垮落，75m為煤層頂板導水裂隙帶發育的上限高度，上部巖層出現大量離層裂隙，已經進入彎曲下沉帶范圍。

圖3 工作面推進55m時，彈性模量分布

圖4 工作面推進70m時，彈性模量分布

圖5 工作面推進100m時，彈性模量分布

四、工程應用實踐

（一）工程概況

L-01井是一口采動水平井，位于晉城礦區寺河礦3313工作面。3313工作面傾向長度317m，走向長度1233m，從初采到回采結束歷時226天，日進尺5～10m，平均5.45m。L-01井于工作面回采前10日完鉆，井深1272m（其中垂直段102m、造斜段361m，水平段809m）。3313工作面與4301工作面均位于寺河礦東區，地質條件相似，根據4301工作面RFPA-2D的模擬結果，導水裂隙帶發育上限高度為75m，故將L-01井水平段設計在3號煤層頂板以上40～60m巖層中，位于導水裂隙帶范圍內，利用煤層采動期間在導水裂隙帶內形成大量溝通裂縫改善抽采條件，強化抽采效果（如圖6所示）。

圖6 “L”型采動水平井水平段相對位置

（二）數據分析

圖7 工作面回采速度與甲烷純量的關系

從圖7可以看出，瓦斯抽采純量與工作面進尺趨勢相同，且滯后于工作面進尺變化。由此分析認為：“L”型采動水平井與常規水平井不同，不是通過排水降壓，而是利用采動影響區的卸壓增流效應（俞啟香，1992），原來的擠壓應力變成拉張應力，煤巖層松動、破裂，使得煤巖層的大量裂隙張開，地應力大范圍地有效釋放，徹底破壞甲烷的封閉應力，甲烷大量解吸（楊柳，2011）。隨著工作面推進，割煤過程中釋放的甲烷量增加，在濃度差和壓力梯度的作用下進入導水裂隙帶，被“‘L’型采動水平井”負壓抽出，“釋放—擴散—運移”存在時間差，解釋了工作面進尺與抽采純量變化趨勢相同但抽采純量變化滯后于工作面進尺變化的原因。

從圖8可以看出，“L”型采動水平井開始運行之后，井下風排甲烷含量明顯下降，從平均70m3/min下降到平均35m3/min左右。根據工作面回風探頭讀數，甲烷濃度從0.98%～1%逐漸降低，穩定在0.75%左右，說明“L”型井可以起到輔助井下通風的作用。“L”型井的甲烷抽采純量變化趨勢與風排甲烷純量的變化趨勢相同，二者主要受控于井下工作面進尺。“L”型井開始運行后，采空區和高位鉆孔的甲烷抽采純量均大幅降低，高位鉆孔尤其明顯，“L”型井的甲烷抽采純量與采空區和高位鉆孔甲烷抽采純量呈現出負相關的趨勢，并且“L”型井的甲烷抽采純量明顯高于采空區和高位鉆孔的甲烷抽采純量。筆者分析，認為在甲烷總量一定條件下，“L”型井與高位鉆孔和采空區抽排處于競爭狀態，所以存在此消彼長的關系，“L”型井抽采效率高于采空區和高位鉆孔兩種抽采方式。

圖8 地面“L”型井抽放與井下抽放的關系

五、結論與建議

（1）利用RFPA-2D軟件平臺，對寺河礦4301工作面回采過程中上覆巖層的變形和垮落情況進行了模擬，得出4301工作面導水裂隙帶發育高度上限為75m。將導水裂隙帶發育高度模擬結果推廣到相鄰工作面，指導地面“L”型水平井水平段設計，“L”型水平井運行后，有效緩解了井下瓦斯抽放壓力，降低井下通風成本。

（2）“L”型水平井抽采純量與工作面進尺呈正相關關系，與高位鉆孔和采空區抽采純量呈負相關關系，抽采效率優于高位鉆孔和采空區抽采方式。

（3）用RFPA-2D軟件預測回采工作面導水裂隙帶發育高度切實可行，模擬結果可以為卸壓瓦斯抽采提供理論支持。但實際地質條件千差萬別，在應用過程中應該注重巖層實際參數條件，并在地質條件相鄰或相近條件下使用，這樣才能使模擬結果更加符合實際。

參考文獻

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作者簡介：姜偉（1986—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，主要從事頁巖氣、煤層氣、煤炭相關地質研究工作。Tel：0351-5220620；E-mail：46036362@qq.com。