看点导读
01 倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术
李树刚，刘李东，赵鹏翔等为了研究倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区演化规律的煤层倾角效应，运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同煤层倾角条件下采动覆岩卸压瓦斯靶向区裂隙演化规律的研究, 得到了靶向区破断裂隙宽度、离层裂隙面积占比以及裂隙分形维数随煤层倾角变化的演化规律，进而建立了靶向区演化煤层倾角效应模型。
试验设计
新疆硫磺沟煤矿 (4–5)06工作面为背景，依托西安科技大学西部煤矿开采及灾害防治重点试验室的二维物理相似模拟试验平台，开展相似比为 1∶100的物理模拟试验，研究不同煤层倾角下倾斜厚煤层采动覆岩裂隙演化规律。试验模型两侧留有宽10cm 煤柱，可减小边界效应。受实验台尺寸影响，工作面开采 宽度为80cm，开采高度为底板以上6cm 的 4–5 煤层。
图1 物理相似模拟试验模型
破断裂隙分布规律
破断裂隙是卸压瓦斯向上升浮、运移的主要途径，是衡量一定区域渗透性的重要特征参数。为方便数据统计与分析，定义以开切眼为原点，工作面所在为水平延展方向，垂直于煤层底板为竖直延展方向，每5m宽度为一个统计单元，同一单元内所有破断裂隙宽度之和与单元宽度的比值作为该区域破断裂隙密度。不同煤层倾角下采动覆岩破断裂隙密度在采空区内分布如图13所示。
图2 不同煤层倾角破断裂隙宽度分布规律
图3 不同煤层倾角离层裂隙面积占比分布规律
靶向区层位判定
破断裂隙为卸压瓦斯主要升浮途径，离层裂隙为卸压瓦斯主要储集空间，裂隙分形维数则表明单位空间内的裂隙复杂程度。因此，以工作面侧瓦斯运移优势通道带内破断裂隙宽度、离层裂隙面积占比、裂隙分形维数距煤层底板距离的变化规律为基础,得到了不同煤层倾角下瓦斯运移优势通道带内裂隙演化规律。
图4 工作面侧瓦斯运移优势通道带裂隙演化规律
图5 倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区分布
指导钻场布置
根据工作面现有瓦斯抽采设备及抽采钻孔布置设计，结合瓦斯涌出量与靶向区范围判定，对其原高位钻场卸压瓦斯抽采钻孔布置参数进行了优化，相对位置关系如图17所示。综合考虑钻孔施工成本与瓦斯抽采效率，将优化后的高位钻孔多布置于中层位靶向区内，且偏向于中下部区域。同时，将其上隅角埋管深度优化至15m，位于低层位靶向区中部区域。
图6 高位钻场布置
02 采动覆岩卸压瓦斯运储通道属性参数拓扑关系研究
赵鹏翔，卓日升，李树刚等通过开展多组二维物理相似模拟试验，探究了不同开采条件下(开采高度、推进速度、关键层层位、煤层倾角)覆岩裂隙网络分布特征及卸压瓦斯运储通道的属性参数,得到了几何参数、裂隙参数的拓扑干系网络。基于复杂网络演化理论可以简化现实干系的拓扑变换，并结合复杂网络特征参数分析运储通道干系结构和因素节点的演化特征，实现了覆岩裂隙网络干系影响因素的定量描述，建立了卸压瓦斯运储通道网络干系结 构矩阵及模型。
试验设计
以山西和顺天池能源有限责任公司 15 号煤层 302 工作面作为试验原型。
图7 工作面煤岩层物理力学性质
图8 试验系统
图9 试验系统拓扑图
通过探究不同影响条件下(采高、推进速度、煤层倾角、关键层位)覆岩裂隙网络分布形态,分析不同影响因素下瓦斯运储通道分布区域位置(图 4),得 到上覆岩层采动裂隙“纵两带”的演化高度及形态。
图10 工作面煤岩层物理力学性质
卸压瓦斯运储通道裂隙网络全域拓扑构架
煤岩体在开采扰动影响下，原始应力重新分布, 导致煤岩体发生弯曲、破裂、垮落、压实等力学行为，煤岩体经历了形变、损伤、破裂的全过程，其中裂隙的发育呈现产生、发育、扩展、贯通、张开及压实的空间演化过程，通过拓扑学的思想将各阶段抽象为节点与线段的连接方式，便形成了煤岩体裂隙拓扑结构。煤、岩中的裂缝网络发育是复杂、无 序的,其拓扑结构亦多样变化，不同的拓扑结构会使裂隙网络系统的连续性、连通性等性能产生较大差异,进而对瓦斯运储产生较大影响。要想比较充分地表征岩石裂缝网络，既要考虑裂隙的几何、裂隙参数，还要掌握裂隙网络的拓扑结构。实现采动覆岩卸压瓦斯运移通道的简化表征，可充分描述煤 岩体内部裂纹、裂隙的位置、形状及发育情况，能够为覆岩裂隙场中的卸压瓦斯运储通道的孪生映射提供基础，大幅提升瓦斯抽采系统布置的透明度。
图11 卸压瓦斯运储通道网络拓扑结构
图12 运储通道高度与影响因素的关系拓扑
图13 通道宽度与开采条件关系拓扑图
图14 破断裂隙密度影响因素拓扑干系图
图15 离层量影响因素拓扑干系图
图16 分形维数与开采条件的关系拓扑图
图17 卸压瓦斯运储通道干系因素拓扑模型
研究发现采高对于高度、离层量以及贯通度影响较大，推速主要影响运储通道的高度、破断裂隙密度，关键层层位主要控制卸压瓦斯运储通道的高度、宽度及贯通度，同时和煤 层倾角共同影响运储通道的宽度发育范围，而不同搭配的开采条件综合影响着卸压瓦斯运储通道分形维数的变化趋势，控制着运储通道网络发育的复杂程度，依此为不同开采条件下卸压瓦斯抽采钻孔的布置及优化提供了一定的理论指导作用。
03 卸压瓦斯研究相关论文推荐
参考文献：
[1] 李树刚, 刘李东, 赵鹏翔, 等. 倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术[J]. 煤炭科学技术, 2023, 51(8): 105-115.
[2] 赵鹏翔, 卓日升, 李树刚, 等. 采动覆岩卸压瓦斯运储通道属性参数拓扑关系研究[J]. 煤炭科学技术, 2024, 52(2): 135-149.
[3] 林海飞, 王旭, 徐培耘, 等. 特厚煤层开采卸压瓦斯储集区演化特征分析及工程应用[J]. 煤炭科学技术, 2023, 51(2): 173-182.
编辑丨湛金飞 重庆大学
审核丨刘苏雨 重庆大学
