基于采動裂隙場高位鉆孔抽采研究及應用

白慶華

(大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000)

瓦斯作為煤礦開采過程中的重大危險因素之一，必須加以重視并進行有效治理，以確保煤礦安全生產(chǎn)。隨著煤炭開采的不斷延伸，我國大多數(shù)煤礦的瓦斯治理已不能僅僅通過通風方式來得到解決，因此瓦斯抽采技術應用而生。尤其嚴重的是，采動誘導的覆巖層卸壓瓦斯會大量涌入采場空間，引起工作面瓦斯頻繁超限，給礦井的安全生產(chǎn)造成嚴重威脅[1-3]。研究表明高效抽采覆巖裂隙帶瓦斯是回采工作面瓦斯治理的關鍵。以南莊煤礦4611工作面為工程背景，通過理論分析、數(shù)值模擬的方式，對上覆采動裂隙場演化規(guī)律進行了深入研究，并基于此提出了在尾巷實施高位鉆孔的瓦斯抽采方案，通過抽采效果對比分析，以期為現(xiàn)場瓦斯治理提供技術參考。

1 工作面地質(zhì)條件

目前，南莊煤礦主采12#、15#煤層，開拓方式為斜井盤區(qū)式，12#煤層采用走向長壁高檔機械化采煤工藝。頂板支護采用梯形木棚、鐵棚、錨桿、錨索等，頂板管理為全部跨落法。12#煤層頂板為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，厚度8.36 m，底板為砂質(zhì)泥巖、中細砂巖和泥巖，厚度5.87 m，見圖1。老頂初次來壓步距36.6 m，周期來壓步距7.9 m。采區(qū)實行“兩進一回”通風，即采區(qū)軌道運輸大巷和皮帶運輸大巷進風，一條專用回風大巷回風，回采工作面采用“一進兩回”布置，即一條皮帶運輸巷進風，軌道運輸巷及瓦斯抽采巷回風。

圖1 12#煤層綜合柱狀[4]Fig.1 Comprehensive column map of No.12 coal seam

2 采動裂隙發(fā)育范圍計算

眾所周知，隨著煤炭的開采，上覆巖層將會發(fā)生移動和破壞。錢鳴高、劉天泉院士[5-8]提出的采動覆巖層裂隙帶分帶理論及采空區(qū)裂隙分布“O”型圈理論均認為，隨著煤炭的采出，采場覆巖層會自下而上依次形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶范圍內(nèi)的瓦斯由于裂隙的貫通，流速比較大；裂隙帶位于冒落帶之上，縱橫裂隙比較發(fā)達，與采空區(qū)連通性好；彎曲下沉帶則多為離層裂隙，縱向裂隙不發(fā)育，瓦斯難以逾越。所以，由于瓦斯上浮及裂隙貫通作用，大部分瓦斯都聚集在裂隙區(qū)，此區(qū)域為工作面瓦斯防治和高效利用的重點區(qū)域。

采動裂隙“豎三帶”計算公式：

冒落帶最大發(fā)育高度：

(1)

裂隙帶最大發(fā)育高度：

(2)

式中：M為煤層采高，m。

通過計算可知：12#煤層工作面回采后冒落帶最大發(fā)育高度為10 m左右，裂隙帶最大發(fā)育高度為40 m～46.9 m。位于冒落帶和裂隙帶內(nèi)的煤層有9#、10#、11#煤層，8#煤層則位于裂隙帶與彎曲下沉帶的過渡區(qū)內(nèi)。12#煤層底板受采動影響不大，裂隙不發(fā)育。綜上所述，12#煤層回采過程中，上鄰近層8#、9#、10#和11#煤層對工作面的瓦斯涌出影響較大，其下鄰近層13#煤層的卸壓瓦斯對工作面瓦斯涌出影響不大。

3 覆巖層采動裂隙演化規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 模型建立

通過UDEC離散元數(shù)值計算軟件，以南煤集團南莊礦的地質(zhì)條件為原型，模擬12#煤層回采工作面沿走向方向上覆煤巖層位移場與采動裂隙場的分布規(guī)律，以及各上鄰近煤層的應力變化情況。

模型高度為90 m(Y方向)，長度為240 m(X方向)；上部垂直均布載荷為7.45 MPa；模型的兩側邊界在Y方向上可以發(fā)生移動變形，在X方向上為固定鉸支座，取側壓力系數(shù)為0.5，即作用在模型兩側邊界的水平均布載荷為3.73 MPa；下部為位移邊界；本構模型為Mobr-Coulumb模型。

3.2 模擬結果分析

圖2為工作面回采過程中12#煤層上覆煤巖層下沉等值線云圖。從圖中可以看出，在回采初期，直接頂出現(xiàn)明顯的下沉，為0.8 m左右，但老頂及其上覆巖層并未出現(xiàn)明顯位移。回采后期，沿走向距開切眼0～30 m范圍內(nèi)上覆巖層下沉量逐漸停止變化；沿走向距開切眼45 m至工作面范圍內(nèi)上覆巖層下沉量逐漸減小。由圖3可知，該回采條件下的冒落帶高度在10 m左右，裂隙帶高度在40 m左右。

2-a 回采20 m

2-b 回采62 m

2-c 回采140 m圖2 工作面回采過程中12#煤層上覆煤巖層下沉等值線云圖Fig.2 Contour map of overlying coal seam sinking in No.12 coal seam in the mining process

圖3 工作面回采至50 m處上覆巖層采動裂隙分布情況Fig.3 Fracture zone distribution of overlying strata at 50 meters of working face

4 現(xiàn)場試驗

4.1 試驗設計

4611工作面鉆孔為上鄰近層鉆孔，其中高位瓦斯抽放鉆孔開口設在尾巷，低位鉆場則布置在副巷中。4611工作面副巷和尾巷抽放鉆孔布置,見圖4。

4611工作面尾巷共布置22個上鄰近層抽放鉆孔，其中低位孔1個，即1#孔，高位孔21個。低位鉆孔終孔位置打到11#煤層頂板石灰?guī)r，高位鉆孔達到9#煤層。從距開切眼20 m處開始打1#孔，1#與2#孔孔間距10 m，2#到16#孔孔間距40 m，16#到22#孔孔間距50 m。高、低位鉆孔均為仰角鉆孔。高位鉆孔方位角為90°，低位鉆孔方位角傾向于切眼方向，方位角為104°。

在4611工作面副巷布置39個抽放鉆場，鉆場間距20 m，1#、2#鉆場每個鉆場布置3個鉆孔，其余每個鉆場布置4個鉆孔。鉆孔距底板2 m處開孔，每個鉆場先在設計位置開第一個鉆孔后，依次水平間隔0.5 m開另外的鉆孔。每個鉆場1#～3#鉆孔均穿過11#煤層，4#鉆孔達到灰色細砂巖。鉆孔仰角依鉆孔處煤層傾角、鉆孔深入工作面的距離、開采層距鄰近層的垂高及隔離煤柱寬度確定。

圖4 4611工作面副巷和尾巷抽放鉆孔布置示意圖Fig.4 Boreholes layout in auxiliary roadway and tail roadway in 4611 working face

4.2 效果分析

由4611工作面總瓦斯流量與抽放時間關系曲線圖5可知：尾巷高位鉆孔瓦斯抽放總量前期比較低，但呈快速增加趨勢，60 d后趨于穩(wěn)定，保持在80 m3/min，且最大值達到了110 m3/min；而副巷鉆孔瓦斯流量波動較大，平均為50 m3/min。究其原因，在工作面開采初期，其下位巖層裂隙發(fā)展比較快，而上位巖層受采動影響相對較小。所以，初采期尾巷鉆孔流量要小于副巷的，并隨著裂隙的向上發(fā)育而逐漸增大。而開采后期，由于采動裂隙較發(fā)育，瓦斯得到充分解吸、運移，但由于上位巖層裂隙的發(fā)育特征，保證了終、始孔口的負壓差，有利于提高瓦斯抽采效果。

圖5 總瓦斯流量與抽放時間關系曲線Fig.5 Relationship between total gas flow and drainage time

由4611工作面鉆孔瓦斯?jié)舛扰c抽放時間關系曲線圖6可知：尾巷高位鉆孔抽采濃度呈穩(wěn)定波動狀態(tài)，但基本保持在60%以上。而副巷鉆場鉆孔抽采濃度雖然波動較大，但基本圍繞恒定值上下波動，其抽放濃度不低于30%。與抽采流量相同，這兩類鉆孔在初采期皆因未與12#煤層工作面采空區(qū)充分貫通，鉆孔開孔與終孔的負壓差較大，其濃度較高；后期則因副巷鉆孔所在范圍裂隙與12#煤層工作面采空區(qū)聯(lián)通，造成濃度大幅下降。

綜上所述，在4611工作面覆巖層布置高位鉆孔抽采裂隙帶瓦斯的方案是可行的，可以抽采到穩(wěn)定的高濃度瓦斯，起到了對采動裂隙瓦斯截流的作用，降低了瓦斯涌入工作面的可能性，保證了安全生產(chǎn)。

圖6 鉆孔瓦斯?jié)舛扰c抽放時間關系曲線Fig.6 Relationship between gas concentration and drainage time

5 結論

1)根據(jù)經(jīng)驗公式計算得到該礦地質(zhì)條件下冒落帶的最大發(fā)育高度為9.89 m，裂隙帶的最大發(fā)育高度為46.94 m。數(shù)值模擬得到的冒落帶最大發(fā)育高度為10 m，裂隙帶最大發(fā)育高度為40 m。

2)現(xiàn)場試驗表明尾巷高位鉆孔瓦斯抽采總流量保持在80 m3/min左右，且最大值達到了110 m3/min之大；而副巷則瓦斯流量波動比較大，平均為50 m3/min左右。尾巷高位鉆孔的抽放濃度穩(wěn)定波動在60%以上，而副巷鉆孔則波動在30%左右，高位鉆孔瓦斯抽采效果良好。