頂板來壓規律對高位鉆孔瓦斯抽采濃度的影響及抽采鉆孔參數優化

李曉疆，王 震，婁 芳，賈永勇

(1.新疆維吾爾自治區煤炭科學研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆煤與煤層氣工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830091)

綜放工作面包括采煤機割煤及放煤等環節，煤炭產量高、開采強度大，易導致工作面瓦斯涌出量增加，從而引起工作面上隅角瓦斯超限。高位鉆孔瓦斯抽采技術由于成本低、效果好、施工簡單的特點，在許多礦區得到了良好應用[1-7]。高位鉆孔抽采效果與鉆場位置、鉆孔層位、壓茬距、鉆孔孔徑等參數密切相關，鉆孔參數初始設計時，往往采用經驗值、理論計算等手段，存在一定程度的偏差，后期根據工作面開采實際情況及鉆孔瓦斯抽采濃度變化特點及時調整鉆孔參數，是提高鉆孔抽采效率的重要手段[3-6]。本文針對新疆某礦12B801綜放工作面原始抽采鉆孔設計不合理、瓦斯超限時有發生的問題，在充分掌握了12B801工作面頂板大周期、小周期來壓規律的基礎上，分析了其對原始高位鉆孔瓦斯抽采濃度變化的影響，并基于此優化了鉆孔參數，進一步降低了工作面上隅角瓦斯濃度，保障了工作面安全高效回采。

1 礦井概況

12B801綜放工作面位于該礦二采區，主采B8煤層，煤層傾向在北東15～20°之間，傾角24～28°，工作面內無褶皺和斷裂構造。B8煤層為一結構較簡單的厚煤層，厚度在0.84～9.10 m之間，平均為5.23 m，煤層綜合柱狀圖見圖1。12B801綜放工作面走向長度1 900 m，傾斜長為120 m，采放比1∶1.7。B8煤層平均瓦斯含量8.62 m3/t，工作面回采前，設計了高位抽采鉆孔來解決瓦斯超限問題。

圖1 煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam

2 高位鉆孔原始設計

瓦斯抽采鉆場布置在工作面回風巷實體煤一側，沿巷幫起坡40°角掘進至直接頂巖層，鉆場長3.5 m，寬3.0 m，高2.5 m，各鉆場間距65 m。鉆場內施工8個鉆孔，分上下兩排，每排4個鉆孔，鉆孔直徑120 mm。鉆孔抽采負壓采用經驗值20 kPa，初步設計時采用經驗公式計算冒落帶Hm及裂隙帶HL高度，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：M為煤層采高，5.23 m；k為垮落巖層碎脹系數，1.25；θ為煤層傾角，24°。

經計算得出冒落帶最大高度24.8 m，裂隙帶最大高度51.3 m。因此將上、下兩排鉆孔終孔層位設為距離煤層冒落帶與裂隙帶之間，各鉆孔參數見表1。高位鉆孔的抽采作用使工作面上隅角瓦斯濃度基本降到0.6%～0.8%，但工作面仍時有瓦斯超限現象，鉆孔參數仍需進一步優化。

3 頂板來壓規律及其對鉆孔抽采濃度的影響

3.1 工作面頂板來壓規律

3.1.1 頂板來壓實測

工作面回采過程對液壓支架工作阻力進行了實時監測，后期通過對監測數據梳理，得到頂板來壓變化特點，見圖2。2016年10月1日～15日，頂板共產生3次來壓，來壓步距分別為14.8 m、25.0 m及16.5 m；2016年10月17日工作面頂板再次來壓，這次工作面支架工作阻力明顯比前3次來壓增加顯著，10月18日夜班工作面發生壓架事故。正常生產后，繼續監測支架工作阻力，發現每經歷3～4次頂板小周期來壓(來壓平均步距15.5 m)，產生一次大周期來壓(來壓平均步距60 m)。

3.1.2 頂板來壓規律理論分析

工作面頂板周期來壓是由于頂板硬巖周期性破斷失穩而引起的，當覆巖中存在多層堅硬巖層時，對采場來壓產生的影響可能不只是鄰近煤層的第1層堅硬巖層，上覆第2層、第3層硬巖的破斷也會影響采場來壓，這就會導致頂板來壓步距及來壓強度并不是每次都相等[8-10]。由圖1綜合柱狀圖可知,距離煤層高度7 m的老頂為細砂巖與粉砂巖互層的中硬巖層，厚度14.5 m，該巖層也是亞關鍵層；距離煤層高度40 m有一層粗砂巖，厚度38 m，為主關鍵層。根據工作面來壓步距計算公式[9]，可以計算主關鍵層、亞關鍵層的破斷步距L，見式(3)。

(3)

式中：H為關鍵層的厚度；σ為關鍵層抗拉強度；q為單位長度關鍵層的載荷。

14.5 m厚的亞關鍵層(老頂)的抗拉強度為1.5 MPa，其單位長度載荷為0.39 MPa；38 m厚的主關鍵層的抗拉強度為4.9 MPa，其單位長度載荷為0.81 MPa。經計算得出老頂的破斷步距為16 m，主關鍵層的破斷步距為54 m。理論計算與現場實測大、小周期平均來壓步距基本相符。

圖2 工作面頂板來壓實測Fig.2 Roof pressure measurement at working face

3.2 頂板來壓規律對原鉆孔抽采濃度的影響

結合表1原鉆孔參數，對2016年10月1日至20日的大、小周期來壓期間典型鉆孔瓦斯抽采濃度監測數據進行了分析。圖3為大、小周期來壓期間下排1#孔、3#孔及上排7#孔、8#孔抽采濃度變化曲線。

表1 原高位鉆孔參數Table 1 Original high drilling parameters

圖3 典型鉆孔抽采濃度變化Fig.3 Variation in extraction concentration oftypical boreholes

由圖3可知，在頂板10月17日大周期來壓前，這4個鉆孔的抽采濃度均穩步上升。上排7#孔、8#孔在頂板大周期來壓前瓦斯抽采濃度達到峰值，分別為51%和43%；下排孔由于層位較低抽采瓦斯含有大量空氣，因此下排孔抽采濃度相對小于上排孔，下排1#孔、3#孔在頂板大周期來壓前瓦斯抽采濃度峰值僅為17.5%、19%。頂板大周期來壓后，上排孔瓦斯濃度迅速下降，而下排孔瓦斯濃度卻不斷上升，最高達到25%，甚至超過了上排孔瓦斯抽采濃度。鉆孔抽采濃度呈現如此變化的原因是：①老頂的周期性垮斷(小周期來壓)與主關鍵層形成越來越大的離層空間，為瓦斯聚集提供了有利場所，所以上排鉆孔抽采濃度表現迅猛增長趨勢；②當關鍵層懸頂距離足夠大時發生破斷(大周期來壓)，破斷的關鍵層及其控制的上位巖層急劇下沉，下位巖層離層裂隙被壓實，瓦斯向上運移聚集過程受阻，導致上排孔抽采濃度銳減，此時瓦斯在下排孔的抽采負壓作用下在采空區下部聚集，下排孔抽采濃度增幅顯著。大周期來壓造成瓦斯在采空區下部聚集，極易引起工作面上隅角瓦斯超限。

4 鉆孔參數優化分析

由于主關鍵層的影響，采空區頂板覆巖的離層裂隙區主要集中在老頂及主關鍵層之間的范圍；頂板的每個大、小周期循環中，小周期來壓促使主關鍵層與老頂之間離層裂隙發展，而大周期來壓則使其閉合。因此，合理的抽采鉆孔設計應保證：①鉆孔的終孔層位應在主關鍵層之下；②鉆孔沿工作面走向的有效抽采長度應覆蓋大周期來壓步距；③下排孔抽采層位不易過高，以便在大周期來壓瓦斯上移通道被壓實后，實現其對采空區下部瓦斯的有效抽采。而從表1和圖4可知，原始上排孔鉆孔位置均超過關鍵層高度，且兩排孔沿工作面走向的長度未覆蓋大周期來壓步距，從而導致鉆孔的有效抽采長度基本在36 m以下，這是影響鉆孔抽采效果的主要原因。

根據以上分析，優化后的上排孔抽采上限調整為主關鍵層底部，下限調整為老頂頂部；下排孔層位略微降低，其抽采下限調整為直接頂頂部；兩排鉆孔沿工作面走向的長度完全覆蓋大周期來壓步距，見圖4。優化后的鉆孔參數見表2，從表2可看出，優化后，鉆孔有效抽采長度基本達到60 m，可以大大提高瓦斯抽采效率。

圖4 鉆孔優化前后層位示意圖Fig.4 Horizon map before and after drilling optimization

表2 優化后高位鉆孔參數Table 2 Optimized drilling parameters after optimization

5 Fluent數值模擬分析

5.1 模型參數

煤層開采后覆巖垮落破斷呈現圓矩梯臺狀，利用Fluent數值模擬軟件模擬時可以將圓矩梯臺簡化為矩形梯臺體[11]，建立工作面、采空區及高位鉆孔模型，模型分為采空區多孔介質流動區域及工作面自由空間湍流部分，依據工作面實際開采參數及采動覆巖裂隙，確定模型尺寸及邊界條件。工作面風量采用實際風量1 165 m3/s，抽采負壓設為10 kPa、20 kPa(原設計負壓)、25 kPa及30 kPa。鉆孔直徑120 mm，按照表2布置鉆孔參數。

5.2 模擬結果分析

如圖5(a)～(d)所示，在10 kPa的抽采負下，采空區中的瓦斯流場發生了顯著變化，但由于負壓較小，上隅角瓦斯濃度仍高達1.2%；負壓20 kPa，上隅角瓦斯濃度降低到0.41%，比原抽采方案的上隅角瓦斯濃度降低了近45%，表明優化方案的合理性；負壓30 kPa，上隅角瓦斯濃度進一步降低到0.33%；負壓40 kPa，上隅角瓦斯濃度降低到0.27%。可見，隨著負壓的增加，鉆孔抽采濃度越來越高，但當負壓增加到一定程度，鉆孔抽采濃度的變化幅度不再明顯，但加大抽采負壓，不僅是漏風流場向采空區深部擴散，而且加寬了回風側自燃帶范圍，為防火帶來壓力，綜合考慮，鉆孔抽采負壓應控制在25 kPa左右為宜。

圖5 不同抽采負壓下采空區瓦斯濃度Fig.5 Gas concentration in goaf under differentpumping negative pressure

6 瓦斯治理效果

高位鉆孔優化前：上排5#～8#孔最大抽采濃度為57%，平均抽采濃度在22.5%～26.8%之間，瓦斯高濃度抽采段(抽采濃度大于20%)長度在14.5～18.8 m之間；下排1#～4#孔最大抽采濃度為25.5%，平均抽采濃度在10.73%～16.25%之間，瓦斯高濃度抽采段(抽采濃度大于10%)在15.0～22.2之間。鉆孔優化后：上排5#～8#孔最大抽采濃度為69.5%，平均抽采濃度在38.1%～45.5%之間，瓦斯高濃度抽采段(抽采濃度大于20%)長度在30.0～41.5 m之間；下排1#～4#孔最大抽采濃度為41.25%，平均抽采濃度在18.3%～27.5%之間，瓦斯高濃度抽采段(抽采濃度大于10%)在36.6～54.0 m之間。優化后，12B801綜放工作面上隅角瓦斯最大濃度降到0.24%，回風巷瓦斯最大濃度降為0.21%，比原方案降低了50%左右，見圖6。

圖6 上隅角及回風巷瓦斯濃度變化Fig.6 Change of gas concentration in upper cornerand return air lane

可見，優化后的鉆孔抽采層位沿工作面頂板方向上基本覆蓋了主要裂隙區，沿工作面走向方向基本覆蓋了大周期來壓步距，從而對大、小周期來壓期間采空區不同層位的瓦斯實現了有效抽采，也證明利用大、小周期來壓規律確定高位鉆孔參數的合理性。

7 結 論

1) 通過對工作面支架工作阻力及高位鉆孔瓦斯抽采濃度分析，得出頂板來壓呈現大、小周期變化規律，小周期平均來壓步距約15.5 m，大周期平均來壓步距約60.0 m，大、小周期來壓直接影響著高位鉆孔瓦斯抽采濃度。

2) 利用大、小周期來壓規律，對原設計抽采鉆孔參數進行了優化。Fluent模擬結果表明，在原設計抽采負壓20 kPa下優化后的鉆孔可將工作面上隅角瓦斯濃度比原方案降低近45%，隨著負壓增加上隅角瓦斯不斷減小，考慮到采空區漏風因素，合理負壓為25 kPa左右。

3) 優化后的高位鉆孔施工后，抽采效率顯著提高，各鉆孔瓦斯平均抽采濃度比原方案提高近1倍，上隅角、回風巷瓦斯濃度比原方案降低了50%左右，為工作面安全高效生產提供了更好的保障。