大孔徑高位鉆孔抽采瓦斯技術研究

張飛燕，韓 穎,，曹文濤

(1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000)

沙曲礦是山西焦煤集團華晉焦煤有限責任公司在離柳礦區建設的第一對礦井，位于呂梁山脈中段西部，河東煤田中部，行政區劃屬山西省呂梁市柳林縣管轄。井田大致呈北西-南東向弧形，長約22km，寬4.5～8km，面積138.3535km2，主采3、4號煤層，設計生產能力為3.0Mt/a。該礦于2004年11月建成投產，于2005年被鑒定為煤與瓦斯突出礦井，4號煤層為突出煤層。

近年來，隨礦井開采深度的增加及生產強度的加大，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量及瓦斯涌出量逐漸增加，瓦斯治理難度日益增大。2008年，礦井相對瓦斯涌出量為79.06m3/t，絕對瓦斯涌出量為421.92m3/min，經礦井瓦斯來源及涌出構成分析可知，采空區瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60％以上[1]。針對此情況，沙曲礦采用傾斜高抽巷抽采采空區瓦斯，取得了一定效果[2]；但是，因開掘傾斜高抽巷資金投入大、工程量大，致使瓦斯治理工程進展緩慢，礦井采掘接替緊張。如何有效提高瓦斯治理效果，成為礦方亟待解決的問題。基于此，本文以24207工作面為對象，開展了大孔徑高位鉆孔抽采瓦斯技術研究。

1 研究區概況

24207工作面走向長1608m，傾向長284m，面積為528547m2，煤層傾角為5°，為3、4號煤層合并開采，煤層平均厚度4.17m，開采煤層有益厚度3.82m。該工作面總體上呈單斜構造，傾向西，傾角5°。井下揭露在24207膠帶巷365m處，標高在+435m附近發現一陷落柱，其長軸44.12m，短軸31m，面積為1061m2；在24207軌道巷391m處，標高在+430m附近發現一陷落柱，其長軸37.31m，短軸27.74m，面積為835m2，未見斷層和褶皺。

24207工作面采用傾斜長壁后退式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板；通風系統為“U+L”型，即膠帶巷、材料巷進風，專用排瓦斯尾巷回風，通風方式為機械抽出式。在工作面回采過程中，絕對瓦斯涌出量為21～59m3/min。

2 裂隙帶邊界的理論確定

眾所周知，采用全部垮落法管理采空區情況下，根據采空區覆巖移動破壞程度，沿豎直方向可以分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶[3]。高位鉆孔應布置在巖體較完整且裂隙發育的區域，同時應避開因空隙過大而漏入大量空氣的區域，這樣才能保證鉆孔有效地抽出高濃度瓦斯；若鉆孔布置在冒落帶內，其將隨頂板巖體冒落而被破壞，過早失去抽采作用；若鉆孔布置在彎曲下沉帶內，其將因該帶內無貫通裂隙而導致無法有效抽采。因此，裂隙帶邊界的準確確定，是高位鉆孔合理布置的先決條件，將直接影響高位鉆孔抽采瓦斯效果。

2.1 裂隙帶上邊界確定

目前，國內普遍采用經驗公式預計冒落帶、裂隙帶的高度[4]，但其僅適用于煤層厚度小于3 m的情況[5]。24207工作面綜合柱狀圖如圖1所示，其煤層厚度為4.17m，不宜采用。

本文采用基于關鍵層理論的判別方法[5]確定裂隙帶邊界，具體步驟如下所示。

1) 確定關鍵層。根據關鍵層判別方法[6]，得出煤層上方有三層關鍵層：煤層上方第四層(4.5m中砂巖)為第一亞關鍵層，第九層(7.3m中砂巖)為第二亞關鍵層，第十七層(8.3m中砂巖)為主關鍵層。

2) 確定裂隙帶臨界高度HL。HL一般取煤層厚度的7～10倍[7]，則24207工作面HL=29.19～41.7m。

3) 計算各關鍵層距煤層頂板的高度hi。由圖1可知：h1=6.59m；h2=17.56m；h3=46.24m。

4) 判別各關鍵層的破斷裂隙是否貫通，進而確定裂隙帶高度。因h1和h2均小于臨界高度HL，所以破斷裂隙貫通這兩層關鍵層及其所控制的上覆巖層；而主關鍵層h3>HL，則裂隙延伸至主關鍵層下部邊界，但并不貫通主關鍵層。因此，裂隙帶高度為煤層頂部到主關鍵層下部邊界的高度，即46.24m。

2.2 裂隙帶下邊界確定

研究表明：當煤層直接頂厚度小于2～3倍采高時，直接頂冒落后不能充滿采空區空間，此時直接頂巖層與其上部的基本頂巖層之間存在一定的自由空間，基本頂是否處于裂隙帶尚需進一步判別[8]。

由圖1可以看出，24207工作面采高為4.17m，煤層上方直接頂厚度為6.59m，小于采高的2～3倍，故需對基本頂是否處于裂隙帶進行判別，理論判別公式[3,9]如下

式中，li為基本頂斷裂巖塊長度，m；hi為自下而上第i層基本頂的分層厚度，m；M為煤層采高，m；ki為基本頂及其上覆巖層的碎脹系數，ki=1.15～1.33；∑h為直接頂厚度，m；kz為直接頂巖層碎脹系數，kz=1.33～1.50。

若同時滿足上述兩個條件，則基本頂巖層處于裂隙帶；若不滿足，則基本頂巖層處于冒落帶。

24207工作面基本頂為厚4.5m的中砂巖，將基本頂整層看做一個分層，則i=1，M=4.17m，∑h=6.59m，kz=1.33，ki=1.15，將上述參數代入式(2)，得：h1=4.5>1.5[4.17-6.59(1.33-1)]=2.99，滿足式(2)；經計算，l1=14.12m，可以得出：l1=14.12>2hi=2×4.5=9m，滿足式(1)。由此可以判定，基本頂巖層處于裂隙帶，裂隙帶下邊界為煤層上方6.59m處。

綜上所述，裂隙帶處于煤層上方6.59～46.24m，其厚度為39.65m。

圖1 24207工作面綜合柱狀圖

3 裂隙帶邊界的數值模擬研究

3.1 模型建立

本次模擬使用UDEC4.0進行，采用摩爾-庫侖模型，分別建立傾向模型和走向模型，模型的左右邊界均定義為單約束邊界，固定x方向位移，y方向自由；定義下部邊界x和y方向為全約束邊界；上部邊界為自由邊界，不予約束。在模型上邊界施加均布載荷，以模擬其上方頂板巖層的自重應力。為減小邊界對開采區的影響，傾向模型兩側各留75m煤柱，分四步開挖，分別開挖25m、50m、75m、150m；走向模型兩側各留65m煤柱，開挖220m。

3.2 模擬結果分析

傾向模型模擬結果如圖2所示。

圖2(a)為煤層開挖25m時，其上方直接頂已冒落，而直接頂上方的基本頂，由于其強度大，暫時未垮落，此時采空區上方裂隙不發育，冒落帶高度為直接頂厚度6.59m。

圖2(b)為煤層開挖50m時，采空區上部基本頂巖層發生剪切破壞，基本頂已初次破斷，但因其已形成“砌體梁”結構，并未完全垮落，仍支承著上覆巖層，此時冒落帶高度仍為6.59m。基本頂所控巖層出現很大位移，并與第二亞關鍵層產生離層，且裂隙發育充分，裂隙發育高度達17.66m左右。

圖2(c)為煤層開挖75m時，第二亞關鍵層已經破斷，基本頂巖層經幾次周期垮落后在其兩端部位仍保持“砌體梁”結構；而在基本頂巖層中部，各周期破斷后的塊體由于水平方向上存在擠壓力，并未完全冒落，此時冒落帶高度仍為直接頂厚度6.59m。而由圖中可明顯看出，裂隙已穿過第二亞關鍵層發育到主關鍵層下部，而主關鍵層僅出現輕微下沉，仍保持完整性；主關鍵層之上裂隙幾乎不發育，此時裂隙帶高度已達46.24m。

圖2(d)為煤層開挖150m時，采空區之上兩端裂隙發育充分，但其中部裂隙已經閉合，說明此時其中部已趨于壓實狀態；而裂隙帶高度仍保持在主關鍵層之下，并未再向上發展，且裂隙充分發育區分布在采空區之上兩端部，冒落帶高度一直穩定在6.59m。

綜上所述，裂隙帶上下邊界分別為煤層上方46.24m和6.59m。數值模擬結論與理論分析結論一致。

圖2 傾向模型開挖后冒落及裂隙分布圖

走向模型模擬結果如圖3所示。模型開挖220m，運算45681步達到平衡，由圖中可以看出，采空區上部兩側0～50m范圍內裂隙發育，為瓦斯抽采的最佳區域。

圖3 沿走向方向裂隙分布圖

4 大孔徑高位鉆孔抽采瓦斯技術研究

4.1 鉆孔布置

在24207工作面尾巷施工9個鉆場，每個鉆場內采用德國ADR-250鉆機施工5個直徑為250mm的高位鉆孔。為保證鉆孔處于裂隙發育區，以高效抽采瓦斯，鉆孔終孔位置處于煤層上方45m左右，工作面水平投影為25m。高位鉆孔布置如圖4所示，參數見表1。

表1 大孔徑高位鉆孔布置參數表

4.2 抽采效果分析

布置于1#、2#鉆場內的高位鉆孔抽采效果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，高位鉆孔抽采瓦斯分為三個階段：初抽階段、高濃階段，衰減階段。當鉆孔進入工作面應力增高區時，煤層及頂板受壓，產生微小裂隙，瓦斯在負壓作用下進入抽采鉆孔，此時抽采濃度高，但抽采純量較低，抽采效果不明顯；當鉆孔處于工作面及采空區卸壓區時，裂隙發育充分，平均抽采濃度達37.3％，平均瓦斯抽采純量達11.58m3/min；當工作面推過鉆場一段距離后，鉆孔逐漸遠離采空區瓦斯積聚區，瓦斯抽采濃度逐漸降低。

通過上述分析可以看出，大孔徑高位鉆孔抽采效果良好，工作面回采期間瓦斯超限問題得以有效解決。同時，大孔徑高位鉆孔施工費用低，工程量小，且不用考慮傾斜高抽巷施工中的局部通風問題，大大降低了瓦斯抽采成本。

圖4 高位鉆孔布置示意圖

圖5 1#鉆場內高位鉆孔抽采效果圖

圖6 2#鉆場內高位鉆孔抽采效果圖

5 結論

1) 采用基于關鍵層理論的判別方法，確定了裂隙帶邊界為煤層上方6.59～46.24m。

2) 采用UDEC4.0，選用摩爾-庫侖模型，建立了傾向模型和走向模型，對裂隙帶邊界進行了數值模擬研究。研究結論與理論分析結果一致。

3) 現場試驗表明：大孔徑高位鉆孔抽采效果良好，高濃期時平均抽采濃度達37.3％，平均瓦斯抽采純量達11.58m3/min；同時，解決了工作面回采期間瓦斯超限問題。

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