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摘要：煤是我国主要的能源来源之一，煤的多孔介质，导致煤层内通常富含瓦斯。我国90%左右的煤矿都属于高瓦斯矿井，瓦斯浓度高会严重威胁井下工作人员的生命安全，制约煤矿产业的发展。近年来，我国采煤能力不断加强，采煤深度不断加深，地质条件越来越复杂，瓦斯治理难度显著增大。煤矿进入深部开采后，高瓦斯、低透气性突出煤层瓦斯灾害防治难度进一步加大，现有的卸压增透技术在一定地质条件下能够取得较好应用效果。对煤层煤巷条带超前于措施钻孔的区域卸压增透技术尚不成熟，而受采掘影响，采空区煤层顶板上覆岩层产生大量裂隙，使岩层透气性增大，瓦斯通过率明显增强。上覆岩裂隙形成的“瓦斯通道”使瓦斯沿裂隙移动并形瓦斯富集区。项目通过理论分析，数值模拟，对围岩裂隙演化特征和上行开采层间覆岩的应力分布规律，裂隙瓦斯钻孔抽采和煤层覆岩卸压机理，巷道围岩卸压机理展开研究，为煤层群上行开采层间裂隙演化特征及卸压时空效应提供理论依据。

关键词：煤层群；上行开采层；裂隙演化；卸压时空；理论分析

1引言

在全球范围内，煤炭仍是主要的化石能源，煤炭的稳定供应是保障国家能源安全的基石，煤炭资源的安全高效开采是实现煤炭工业可持续发展的关键。煤层开采产生的瓦斯是一种灾害性气体，威胁煤矿安全生产，同时瓦斯又是一种不可再生的高效、清洁能源，其燃烧后产物不会对环境造成污染。因此开发利用瓦斯，既可以提高煤矿经济效益，改善矿井安全生产条件，又可以充分利用地下资源，缓解常规油气供应压力，对保护环境、减少温室气体排放，实现国民经济可持续发展等均具有十分重要的意义。我国是全球最大的煤炭生产和消费国之一，尽管在“双碳”形势下，煤炭占我国能源消费比重将逐步下降，但在我国实现碳达峰之前，煤炭作为兜底保障能源的地位难以替代[1]。自2013年以来，中国煤矿查明自然资源储备不断增加，2018年达到17085.73亿吨，同比增长2.5%，为中国煤炭开发提供了有力支撑。因此，煤矿作为煤炭摇篮，其安全、高效、绿色生产直接关乎国民经济可持续及工业化推进。国内煤矿居多者以井下开采为主，然与采掘伴生的瓦斯灾害始终掣肘我国煤炭摇篮的稳定性及可持续性运转。

煤层群的开采，煤与覆岩裂隙演化及渗流特征对矿井瓦斯高效抽采至关重要。而在井下煤炭资源的开采阶段，瓦斯抽采钻孔孔径对高瓦斯低透气煤层卸压增透效果不佳，存在矿井瓦斯抽采率低、钻孔预抽浓度不达标、抽采周期长等难题，进而造成工作面接替紧张。项目聚焦于瓦斯安全高效抽采和煤层卸压机理，基于理论分析进行覆岩裂隙特征与卸压效应的研究。

2. 开采层间裂隙演化特征

2.1围岩裂隙演化规律分析

研究表明，当围岩中存在的原生裂隙在应力环境发生改变时，所受应力超过其起裂强度时会发生扩展，裂隙间的相互沟通形成围岩破裂区，进而影响开采层围岩的稳定性。在采煤工作开始之前，地层中煤岩体的原生裂隙处于稳定状态。受采动影响，打破了原有的应力平衡，从而导致裂隙的发育与扩张，产生次生裂隙，形成微观的裂隙[2]。多煤层重复开采后，距离较近的采空区覆岩受下部煤层开采干扰发生塌陷、 垮落、变形破坏等，距离较远的覆岩层则发生弯折沉降现象，并伴随裂隙生成。根据刘院士的“上三带”理论模型，以煤层采空塌陷区为例，可将它分为3个带：垮落带：煤层采空上部岩层出现坍落；断裂带：冒落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，因而岩体出现大量裂隙，岩石的整体性受到破坏；弯曲带：裂隙带以上直到地面，在自重应力作用

产生弯曲变形而未破裂。

煤层开采后顶板上方覆岩层发生会自下而上的移动破坏，并影响至关键层下部区域，当下沉的变形量不一致时，上覆岩层开始发育离层裂隙。而关键层下部的离层裂隙随着工作面的掘进距离增加而增大，若此时的岩层破坏距离小于工作面掘进距离，则覆岩层会发生纵向穿层裂隙，结合覆岩离层裂隙，使得瓦斯抽采通道难以形成[3]。

根据岩层控制关键层理论，当开采煤层上部顶板有多层变形岩层时，最下部岩层即为关键层，因岩层形变小于第层，所以第岩层不承担第岩层及上部岩层的载荷，则作为关键层的第岩层需符合刚度判别条件：

式中 为计算至第岩层最下部关键层所承受的载荷，MPa；为计算至第岩层最下部关键层所承受的载荷，MPa

当岩层满足刚度条件后，即为关键层，要确定第岩层作为关键层还需要满足载荷的强度条件：

式中：为第岩层的抗拉强度，Mpa；为第岩层承受的载荷，Mpa；为第岩层的厚度，m；为第层关键层的破断距，m。

通过以上关键层理论计算确定工作面覆岩采动裂隙演化规律，总结瓦斯富集规律，以便进行定位钻孔抽采的钻孔层位选取提供理论依据。

2.2 上行开采裂隙场演化规律分析

上行开采重复采动覆岩裂隙的裂隙熵（Kf）和裂隙率（Rf）具有相同的变化趋势，而分形维数（Df）经历了先减小后增加的变化过程。上行开采时重复采动导致覆岩裂隙的熵增加，裂隙的方向分布逐渐向无序化发展，上行开采重复采动导致的覆岩裂隙演化呈阶段性变化特征。在工作面开采到距离开切眼 120 m位置前，重复采动导致的覆岩裂隙的Df下降，而Kf和Rf增加，裂隙以贯通和闭合为主。上行开采重复采动过程中，覆岩裂隙的Kf 和Rf具有相同的变化趋势，而下行开采重复采动覆岩裂隙的Df和Rf具有相同的递增趋势，上行开采初期裂隙以贯通和闭合为主，后期以扩张、压实和新裂隙的产生为主。裂隙演化形态为锥形-平行四边形-前高后低的驼峰状-前后持平的梯形-前低后高的驼峰状，具有高度非对称性，顶板岩层以弯拉变形为主，底板无明显裂隙[6]。

在煤层开采过程中，无论是单一的采动还是重复采动，都会对围岩产生一定的破坏，从而形成采动裂隙场，而这些采动裂隙的分布及裂隙所涉及岩体运动形态不仅是地下水、瓦斯气体运移的通道，并且对巷道围岩稳定性有极大的影响。当下煤层开采时，对关键层造成了损伤， 关键层出现了非贯通的倾斜裂隙，降低了关键层的抗拉强度。关键层由于受到首采层开采的破坏损伤，力学性能弱化，尤其表现在损伤裂隙处，上煤层采动时，关键层优先于裂隙面处破断， 损伤裂隙的不均匀性导致了二次采动关键层断裂的不均匀性。下部煤层开采对上覆岩层造成损伤，故上煤层开采时顶板的裂隙更为集中、更为发育，岩层断裂往往是已有裂隙的扩展，其断裂的块体长度明显小于开采下部煤层时的块体断裂长度，且块体长度不均匀。

2.3 覆岩裂隙钻孔抽采方法原理分析

基于覆岩裂隙带存在，在开采过程中经常会发生瓦斯泄露，因此为了防治瓦斯泄漏过量而造成瓦斯事故，常见的措施是覆岩裂隙钻孔抽采技术。在开采过程中由于受到多方重力因素，从而在垂直方向上出现“三带”分别是垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。因瓦斯密度比空气密度低，采动后的瓦斯向上流动。在弯曲下沉带，由于岩层未生长出较多裂隙，内部附着瓦斯较少，因此大部分瓦斯将聚集在弯曲下沉带与裂隙带的交界处，但受底层应力影响，此处抽采效率较低，而冒落带到裂隙带裂隙发展充分，瓦斯分布均匀，是瓦斯抽采的核心区域，同时水平方向上也形成了“三区”即煤壁支撑区、离层区、重新压实区[3]。当煤层挖掘完毕时，回采过程中工作面上方顶板因失去下方煤层支撑力，导致上方的工作面会出现坍塌或是裂隙，外加采动应力影响将会产生采动裂隙带，利用采动裂隙带作为瓦斯的抽采通道[4]。

采空区瓦斯的高位钻孔抽采方法，要结合回采工作面产生的采动裂隙带来布置钻场，通常在回采工作面前方布置钻场，采用大倾角上仰开孔，向煤层顶板施工钻孔一组，从而使钻孔轨迹能够在回采后的采空区中呈“O”型圈断裂带内延伸，在最大限度上实现采空区与钻孔的高效协作[5]。在布置钻孔的时候，应仔细勘察区域实际情况，准确把握岩层性质，对成孔特性进行合理预判，并将其作为确定钻孔位置的依据，从而确保能够钻进稳定岩层中。充分考虑瓦斯抽采要求、地层条件、施工设备、现场勘查结果等因素，确定钻孔深度、直径等参数。进而确保钻孔深度完整覆盖工作面，以确保瓦斯抽采安全和抽采效果。

3 上行开采层间卸压时空效应理论分析

3.1上行开采层覆岩应力分布

对于底板应力分布。在煤层回采过程中，本处于平衡状态的原岩应力在采动影响下，各种空间关系被破坏导致工作面周边围岩应力不断重新分布变化，最终形成新的围岩应力。这种围岩应力分布对于整个煤层群中下煤层的回采空间及其边界安全保护煤柱都会产生不同范围和不同程度的应力集中，并进一步传递至煤层底板的深部岩层。

在煤层群开采过程中，先采上部煤层后采下部煤层，两层煤间距较大时，上部煤层开采后形成的采空区对下部煤层开采影响较小，与单一煤层开采时矿压规律相同。当上下两层煤间距较小时，两层煤之间的开采会相互影响，随着两层煤间距的减小，影响越来越大。下部煤层在上部煤层的采空区下进行开采，开采前上覆岩层已经发生不同程度的破坏，局部岩层发生大面积的破碎，尤其上煤层开采后残留的区段煤柱导致底板应力集中程度高，而下煤层开采时顶板结构以及围岩应力分布已经发生变化。煤层群上行及下行开采具有相似的应力演化规律，即应力随煤层一次开采后的“叠加”效应以及随着纵向上远离开采影响区域的应力“均化” 效应。上行及下行开采方式过程中应力裂隙场均具有局部缓慢积累到整体突变再到周期性变化直至最终稳定的演化过程，但上行较下行累积突变程度更为强烈，造成上覆岩层变形及破坏程度更高。

3.2 上行开采煤层覆岩卸压机理

随着煤层开采的深度加深，围岩应力水平不断增大，含瓦斯煤加载力学及渗流特性试验表明，加载阶段（轴压增大）煤层渗透率快速下降，在峰值强度前达到最小值而后出现回升，且最小渗透率随着围压的增大呈先迅速降低而后缓慢降低的负指数关系。由于受高应力的作用，钻孔周围的煤体会产生裂缝并发生破裂，进而引起远离钻孔的煤体破裂和松动，在煤体中形成比钻孔直径大的塌孔区和塑性区，应力峰值位置向下层转移，极限平衡区煤体应力明显降低，破坏发生冲击地压的应力条件，且卸压后的煤体对工作面动力显现及煤体具有吸能作用，降低了深部煤岩体失稳对工作面巷道的影响，也起到防治冲击地压发生的作用。

上行开采煤层的过程中，上煤层釆动应力传递多受下位煤开采后的应力扰动影响，裂隙发育高度与深度变化与途径同样也受到影响，共同凸显出局部缓慢演化、突发性蠕变和逐渐趋于稳定的过程，多煤层上行开釆的应力裂隙场演化具有复杂的应力传递过程和突变特征的裂隙发育途径，使得多次多场演化具有明显的叠加性。而随着工作面往断层面推进，断层的顶部比断层底部先受到采动的影响;断层上下盘对煤层采动的反应不“同步”，断层的下盘滑移速率比上盘大，过断层后上下盘的滑移速率减缓，但上盘的滑移速率相对比下盘大。 上煤层开采同一层位覆岩位移下沉大致可分为三阶段，覆岩下沉停滞稳定、覆岩下沉剧烈、覆岩下沉平缓阶段，其位移下沉曲线呈现“瀑布”形状分布，覆岩位移下沉具有一定“时空”效应。

不同孔径下的钻孔增径对煤层卸压增透影响，剖析大直径钻孔卸压力学特征和增透规律，揭示大直径钻孔卸压增透机理。而后通过不同孔间距来分析孔间距对煤层卸压增透影响，以及确定钻孔有效抽采范围决定大直径煤层钻孔布置合理孔间距。瓦斯在煤层中的流动符合达西定律，即瓦斯流量与煤层透气性系数，压力梯度成正比，表达式如下[9]：

式中：q ──比流量，即在断面上1d通过的瓦斯量，单位为立方每平方米； ──煤层透气性系数，单位为平方米每二次方兆帕天；dp/dx──与瓦斯流动一致方向上的压力梯度。

3.3上行开采煤层巷道围岩卸压机理

含瓦斯煤卸载力学及渗流特性试验表明，轴向应力卸载过程中煤体渗透率呈现出缓慢升高一迅速升高一趋于稳定的变化趋势，卸载破坏时渗透率随瓦斯压力或围压的增高呈对数增加规律，且随围压增大煤体破坏时的轴向应力增高，即高围压条件下轴压卸载更易达到破坏。轴压卸载路径能够显著的提高煤层的渗透率，为深部煤巷条带底板巷卸压增透提供了理论依据。

底板巷对上覆煤巷条带瓦斯卸压效果及渗透性变化同样受布置间距及掘进时空影响。深井底板巷覆岩位移、破坏研究结果表明，底板巷上方不同位置围岩位移呈现为波峰和波谷变化特征，围岩内部存在分区破裂现象，围岩变形量和破裂区在巷道中心线处最大、两侧渐小，距掘进面越远、卸压时间越长卸压效果越好，与理论分析得出的底板巷卸压规律一致，巷道卸压效果明显。底板巷对上覆煤层卸压效果，随底板巷布置间距增加，卸压范围增大、卸压程度减小。

4结论

通过对上行开采层间的围岩裂隙及裂隙场的演化规律进行理论分析，总结瓦斯的富集规律，利用裂隙带进行瓦斯高效抽采；结合分析开采层覆岩的应力分布规律，上行开采煤层的覆岩和巷道围岩的卸压机理，得出煤层群上行开采层间裂隙演化规律特征和卸压时空效应，为煤层的稳定性和瓦斯安全高效抽采提供理论依据，从而降低煤矿安全事故的发生率，减少了煤矿资源的浪费。

参考文献

[1]张宏.探索煤炭行业“双碳”战略发展新路径[J].中国煤炭工业，2022（02）：32-35.

[2]皮希宇.煤层群采动卸压煤与覆岩裂隙演化特征及其对瓦斯抽采的影响[D]. 北京科技大学，2021.

作者简历：项铭健（2004.12），男，汉族，贵州省铜仁人，目前正在攻读本科学位，主要从事采矿工程领域的学习和研究。

贵州省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S2024109771693）