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摘要： 导水裂隙带发育高度研究对指导卸压瓦斯抽采具有重要意义，为研究导水裂隙带发育特征，基于RFPA-2D（岩石破裂过程分析系统）软件平台，以晋城矿区寺河矿4301工作面为研究对象，对回采过程中上覆岩层的变形和垮落情况进行了模拟，模拟结果显示工作面回采后导水裂隙带发育高度为75m。根据4301工作面导水裂隙带模拟结果，指导邻近的3313工作面L型采动水平井水平段布置在煤层顶板以上40～60m导水裂隙带范围内。L型采动水平井运行后，井下风排甲烷纯量、采空区抽排甲烷纯量、高位钻孔抽排甲烷纯量均明显降低，说明RFPA-2D数值模拟预测导水裂隙带结果高度可信，可用于指导卸压瓦斯抽采。
关键词： 导水裂隙带；发育高度；RFPA-2D数值模拟；L型采动水平井
随着煤层的开采，采场内的岩体会发生变形、破断和移动（李树刚等，2002），在上覆岩层中形成导水裂隙带，并对煤体及围岩产生“卸压增透”效应，透气性增加后，卸压瓦斯会在压力梯度和浓度梯度作用下在导水裂隙带顶部富集（俞启香等，2004；葛春贵等，2010），因此导水裂隙带发育特征对卸压瓦斯抽采具有指导意义。导水裂隙带发育高度的研究方法主要有经验公式、数值模拟、相似材料模拟、现场实测等（龙天文，2019）。垮落带和导水裂隙带高度可以通过经验公式计算，但适用条件是厚煤层分层开采，单层厚度1～3m，总厚度不超过15m，综采条件下计算的结果往往偏小（滕永海，2011）；相似材料模拟可直接观察开采过程中上覆岩层垮落过程及裂隙发展，但缺点是工程量大、实验时间长、材料配比难以确定；现场实测结果最接近实际，但缺点是工程量大、成本高；数值模拟具有成本低、易于分析、可根据需要随时调整参数等优点，成为导水裂隙带研究中应用最为广泛的一种技术手段（卫勇锋，2019）。本文基于RFPA-2D软件平台，以晋城矿区寺河矿4301工作面为研究对象，对回采过程中上覆岩层的变形和垮落情况进行模拟，确定导水裂隙带发育高度，为地面L型水平井抽采卸压瓦斯提供理论依据。
RFPA-2D（岩石破裂过程分析系统）软件能够模拟岩石从裂纹萌生、扩展直至断裂的全过程，基于连续介质力学和损伤介质力学原理，具有应力分析和破坏分析两方面的功能（黄明利等，2009）。寺河矿4301工作面主采煤层为山西组3 # 煤，煤层平均厚度6.4m，煤层底板标高488～624m，煤层倾角1°～14°，平均倾角5°，采煤工艺为长壁式一次采全高。RFPA模型沿工作面走向建立，水平方向取200m，垂直方向取150m，煤层厚度6.4m，采用平面应变模型，水平方向位移约束，可垂直移动。为简化模型，我们将性质相近岩层进行合并，划分为12层。每米划分一个单元，模型水平长200m，划分为200个单元，垂直长150m，划分为150个单元，整个模型划分为30000（200×150）个单元。模拟过程中，岩体破坏用Mohr-Coulomb屈服准则判断（马海涛，2007）：
式中： σ 1 为最大主应力， σ 3 为最小主应力， c 为黏结力， φ 为摩擦角，当 f s ＞0时，判断材料发生剪切破坏。
开挖步长5m，执行分步开挖功能，每开挖5m步长，用RFPA-2D软件进行一次解算，并将单元破坏、移动过程以弹性模量图形式显示。数值模拟结果是否符合实际，取决于参数选取的准确性，煤岩层物理力学参数使用钻孔岩芯实测资料（如表1所示）。
表1 煤岩物理力学参数表
续表
数值模拟的目的是分析工作面推进过程中顶板岩层的破坏特征，从RFPA弹性模量图中（如图1～图5所示）可以很直观地判断出岩层的破断、垮落情况。岩层尚未破断时，弹性模量一般较大。当受到采动影响，岩层发生破断、垮落时，RFPA软件设置的垮落后的岩层弹性模量较小，从而使前后弹性模量大小对比性很强，对比弹性模量图，对分析覆岩破断、垮落的过程具有较强的说明性。
随着工作面的推进，煤层顶板破坏过程逐渐发展。从弹性模量特征图可以看出，在工作面推进至20m时，直接顶第一次发生垮落，受下部岩层冒落拉应力的影响，靠近切眼处形成少量离层裂隙（如图1所示）。在老顶的跨度达到其极限跨度前，老顶以“假塑性梁”的形式承载着其上部载荷，随着采空区的范围扩大，老顶最终失稳垮落（杨玉静等，2010）。工作面继续推进到40m时，老顶初次垮落，表现为岩层整体性破坏，垮落后仍有较好的完整性，破坏高度30m左右（如图2所示）。
图1 工作面推进20m时，弹性模量分布
图2 工作面推进40m时，弹性模量分布
老顶初次垮落后，将发生“稳定—失稳—稳定”的周期性垮落。每一次周期垮落后，上覆岩层进入短暂的稳定期。随着工作面推进，老顶悬露的面积也在增大，当达到极限跨距时，老顶开始断裂，继而再次失稳垮落（韩俊效，2011）。当工作面推进至55m时，老顶形成的相对平衡状态被打破，发生第一次周期垮落，来压步距为15m，上覆岩层垮落高度较第一次垮落增加较多（如图3所示）。当工作面推进至70m时，老顶发生第二次周期性垮落，来压步距为15m，上覆岩层垮落高度达到煤层顶板以上75m左右（如图4所示）。当工作面继续推进至100m时，导水裂隙带高度没有继续扩大，保持在75m左右（如图5所示）。由此分析，该处岩层达到极限跨距时，下部岩层已经触矸，所以岩层不会继续垮落，75m为煤层顶板导水裂隙带发育的上限高度，上部岩层出现大量离层裂隙，已经进入弯曲下沉带范围。
图3 工作面推进55m时，弹性模量分布
图4 工作面推进70m时，弹性模量分布
图5 工作面推进100m时，弹性模量分布
L-01井是一口采动水平井，位于晋城矿区寺河矿3313工作面。3313工作面倾向长度317m，走向长度1233m，从初采到回采结束历时226天，日进尺5～10m，平均5.45m。L-01井于工作面回采前10日完钻，井深1272m（其中垂直段102m、造斜段361m，水平段809m）。3313工作面与4301工作面均位于寺河矿东区，地质条件相似，根据4301工作面RFPA-2D的模拟结果，导水裂隙带发育上限高度为75m，故将L-01井水平段设计在3号煤层顶板以上40～60m岩层中，位于导水裂隙带范围内，利用煤层采动期间在导水裂隙带内形成大量沟通裂缝改善抽采条件，强化抽采效果（如图6所示）。
图6 “L”型采动水平井水平段相对位置
图7 工作面回采速度与甲烷纯量的关系
从图7可以看出，瓦斯抽采纯量与工作面进尺趋势相同，且滞后于工作面进尺变化。由此分析认为：“L”型采动水平井与常规水平井不同，不是通过排水降压，而是利用采动影响区的卸压增流效应（俞启香，1992），原来的挤压应力变成拉张应力，煤岩层松动、破裂，使得煤岩层的大量裂隙张开，地应力大范围地有效释放，彻底破坏甲烷的封闭应力，甲烷大量解吸（杨柳，2011）。随着工作面推进，割煤过程中释放的甲烷量增加，在浓度差和压力梯度的作用下进入导水裂隙带，被“‘L’型采动水平井”负压抽出，“释放—扩散—运移”存在时间差，解释了工作面进尺与抽采纯量变化趋势相同但抽采纯量变化滞后于工作面进尺变化的原因。
从图8可以看出，“L”型采动水平井开始运行之后，井下风排甲烷含量明显下降，从平均70m 3 /min下降到平均35m 3 /min左右。根据工作面回风探头读数，甲烷浓度从0.98%～1%逐渐降低，稳定在0.75%左右，说明“L”型井可以起到辅助井下通风的作用。“L”型井的甲烷抽采纯量变化趋势与风排甲烷纯量的变化趋势相同，二者主要受控于井下工作面进尺。“L”型井开始运行后，采空区和高位钻孔的甲烷抽采纯量均大幅降低，高位钻孔尤其明显，“L”型井的甲烷抽采纯量与采空区和高位钻孔甲烷抽采纯量呈现出负相关的趋势，并且“L”型井的甲烷抽采纯量明显高于采空区和高位钻孔的甲烷抽采纯量。笔者分析，认为在甲烷总量一定条件下，“L”型井与高位钻孔和采空区抽排处于竞争状态，所以存在此消彼长的关系，“L”型井抽采效率高于采空区和高位钻孔两种抽采方式。
图8 地面“L”型井抽放与井下抽放的关系
（1）利用RFPA-2D软件平台，对寺河矿4301工作面回采过程中上覆岩层的变形和垮落情况进行了模拟，得出4301工作面导水裂隙带发育高度上限为75m。将导水裂隙带发育高度模拟结果推广到相邻工作面，指导地面“L”型水平井水平段设计，“L”型水平井运行后，有效缓解了井下瓦斯抽放压力，降低井下通风成本。
（2）“L”型水平井抽采纯量与工作面进尺呈正相关关系，与高位钻孔和采空区抽采纯量呈负相关关系，抽采效率优于高位钻孔和采空区抽采方式。
（3）用RFPA-2D软件预测回采工作面导水裂隙带发育高度切实可行，模拟结果可以为卸压瓦斯抽采提供理论支持。但实际地质条件千差万别，在应用过程中应该注重岩层实际参数条件，并在地质条件相邻或相近条件下使用，这样才能使模拟结果更加符合实际。
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作者简介：姜伟（1986—），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，主要从事页岩气、煤层气、煤炭相关地质研究工作。Tel：0351-5220620；E-mail：46036362@qq.com。