沙曲礦隨掘隨抽鉆孔布置參數優化

袁勝軍

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003）

沙曲礦隨掘隨抽鉆孔布置參數優化

袁勝軍

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003）

文章在FLAC軟件數值模擬的基礎上，對沙曲礦掘進巷道隨掘隨抽方案鉆孔參數進行了合理調整，經實踐監測提高了鉆孔瓦斯抽采的效果，降低了煤層突出威脅，加快了巷道掘進，具有重要的工程實踐意義。

瓦斯；抽采鉆孔；突出

高瓦斯突出煤層巷道的掘進由于受到高地壓、高瓦斯壓力等因素的影響,掘進工作面瓦斯涌出量大、瓦斯濃度、突出危險性高,導致掘進進尺慢,影響正常采掘銜接。當前技術條件下,通過瓦斯抽采鉆孔隨掘隨抽是抽采瓦斯資源、降低工作面瓦斯涌出量、降低突出危險的主要方法之一[1][2]。合理的鉆孔布置參數可以有效降低煤體地壓集中度、擴大巷道圍巖（煤）應力降低區域[3]、增強煤體滲透性、提高瓦斯抽采率[4],對于消除掘進工作面威脅因素、增強掘進工作安全水平、提高礦井資源利用效益有重要意義。

1 問題的提出

沙曲礦4#煤層具有高瓦斯壓力、高地應力、高瓦斯含量的“三高”煤層特征,煤巷掘進工作面由于瓦斯濃度指標、突出預測指標超限,致使掘進機組停機（均1.2次/h）、停工（均3.6次/月）情況頻發,月進度為80～100m,嚴重影響采掘銜接。礦方已采用鉆孔抽采掘進巷道兩側煤體內瓦斯,但工作面上述情況并無明顯改觀,鉆孔布置參數有待調整,以提高掘進工作面進度和作業安全,促進礦井抽采、掘進、回采的有序銜接。

2 鉆孔布置參數的確定

以有限元分析軟件FLAC5.0對掘進巷道周圍煤體的應力分布狀況的數值模擬結果作為鉆孔布置參數調整和優化的技術依據,通過合理布置鉆孔參數,提高隨掘隨抽技術措施的瓦斯抽采和預防突出效果。

2.1 計算模型

沙曲礦4#煤層為近水平煤層,均厚2.5 m；FLAC計算模型簡化為水平模型,頂板及上覆巖層30m；底板20m；模型空間尺寸為135m×50m× 50m；掘進巷道為矩形,寬4.2m,高2.4 m；巖層力學參數和巷道支護均采用現場實測數據；圍巖本構關系為摩爾-庫侖準則。

2.2 單元劃分

有限元模型計算單元的劃分綜合考慮掘進煤巷巖層應力和位移變化的特征,沿巷道軸線方向煤巖層可認為均質同性,均勻劃分網格單元；在垂直巷道軸線的平面內,靠近巷道的煤巖體力學參數變化顯著,單元的劃分細密,計算模型共劃分為140× 90×260個長方體單元和3 346 821個結點,見圖1。

2.3 邊界條件

計算模型邊界條件如下：

1）上部邊界施加大小為實測原巖應力的載荷,即σy＝H＝6Mpa；

圖1 有限元網格劃分/m

2）下部邊界（底板）為全約束邊界,即節點水平位移u=0,垂直位移均v=0；

3）左、右側邊界（煤壁）為單約束邊界,邊界節點可發生垂直位移,水平位移u=0。

2.4 運算求解

計算只將巷道所占單元“去活”,代替實體開挖,保證結構單元的規則性,提高求解的可靠性。

經過計算,不平衡力均值為不平衡力最大的1/10000[5],模型達到平衡狀態,得到巷道前方、兩側圍巖應力重新分布狀況以及巷道兩幫圍巖破壞情況,見圖2,圖3,圖4。

圖2 前方圍巖應力分布/Pa/m

圖3 兩側圍巖應力分布/Pa/m

圖4 兩側圍巖破壞范圍/mm

對以上結果分析可得出如下結論：

1）巷道兩側煤體受到掘進影響,多為剪切破壞,破壞范圍最大深度3.8m,卸壓范圍平均深度8m；

2）上部圍巖最大破壞高度為2.8m,下部圍巖最大破壞深度為1.8m,破壞形式以壓破壞為主；

3）掘進面前方煤體應力重新分布：卸壓區域深度0～8m,應力升高區域深度8～16m,深度＞16m的區域應力大小無顯著變化。

3 參數優化

根據掘進巷道應力重新分布及圍巖破壞狀況對沙曲礦隨掘隨抽方案做如下調整,見圖5。

1）兩側鉆場由原來邁步式布置改為對齊布置,鉆孔長度由80 m提高到120 m；

2）3＃，4＃鉆孔原與巷道中心線平行,改為向外偏轉2°,4＃鉆孔孔底與巷道輪廓線的垂距為9m；

3）鉆孔封孔長度由6m增加到8m。

圖5 鉆場鉆孔布置圖

4 結論

通過對沙曲礦4#煤層5個煤巷掘進工作面的連續監測數據分析可以得出：

1）外側鉆孔角度調整后,抽采區域范圍擴大35％；抽采區域瓦斯抽采率由36％提高到48％；單孔瓦斯抽采量平均提高33％。說明鉆孔參數調整后,充分利用了煤體受掘進影響而產生的卸壓增流效應,提高了鉆孔抽采效果。

2）突出指標超限臨界次數平均減少70％,緩解了工作面的突出威脅頻發的狀況,工作面停工次數減少了65％,提高了掘進工作的安全性。

3）掘進工作面周圍煤體瓦斯壓力和瓦斯壓力降低,綜掘機組因瓦斯超限停機次數減少了37％,掘進平均速度由115m/月提高到了172m/月。

[1]郭德勇,鄭茂杰,郭超.煤與瓦斯突出預測可拓聚類方法及應用[J].煤炭學報,2009,34（6）：783-787.

[2]李曉泉,尹光志.含瓦斯煤的有效體積應力與滲透率關系[J].重慶大學學報,2010,34（8）：103-108.

[3]袁亮.瓦斯治理理念和煤與瓦斯共采技術[J].中國煤炭,2010,48（6）：5-12.

[4]楊天鴻,陳仕闊,朱萬成.煤層瓦斯卸壓抽放動態過程的氣-固耦合模型研究[J].巖石力學與工程學報,2010,31（7）：2247-2252.

[5]胡斌,張倬元,黃潤秋.FLAC3D前處理程序的開發及仿真效果檢驗[J].巖石力學與工程學報,2002,21（9）：1387-1391.

〔責任編輯 石白云〕

The Optim ization of G as E xtraction D rillings Synchronizing D rifting in Shaqu Mine

YUAN Sheng-jun
（School of Coal Engineering,ShanxiDatong University,Datong Shanxi，037003）

This paper，on the basis of FLAC numerical simulation，adjusts the drilling parameters of synchronizing drifting of Shaqu mine.The experiment proves that the efficiency of the gas extraction is raised，the threat of coal outburst is reduced and the drilling is accelerated.The study is of great importance.

gas；drillings；coal and gas outburst

TD713.37

A

2013－03－08

袁勝軍（1979－），男，山西大同人，碩士，助教，研究方向：煤礦安全工程。

1674－0874（2013）05－0075－03