煤油氣共生礦井采煤工作面底板卸壓變形規(guī)律研究及應用

李 川

（1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵727307；2.應急管理部煤礦智能化開采技術創(chuàng)新中心，陜西 黃陵727307）

我國煤礦主要為地下開采，絕大多數屬于瓦斯礦井，大多數礦井瓦斯具有低壓力、低滲透率等特性[1]。煤層采動后頂底板應力狀態(tài)發(fā)生改變，其結果可以造成頂底板巖體產生位移、變形、甚至破壞，改變圍巖滲透性。研究煤層底板的卸壓和變形破壞特征，對于確定底板瓦斯抽采層位具有十分重要的意義。黃陵礦區(qū)大地構造位置屬華北地臺鄂爾多斯大型內陸坳陷盆地南部的陜北斜坡帶南緣，礦區(qū)位于黃隴煤田北部[2]。為防治采煤工作面底板卸壓涌出的瓦斯（油型氣），消除油型氣異常涌出的安全隱患，黃陵二號煤礦采用底板下向穿層鉆孔進行底板卸壓瓦斯抽采，取得較好效果，但仍存在瓦斯抽采效率不高，鉆孔工程量浪費等情況[3-5]。為實現(xiàn)采煤工作面底板瓦斯抽采高效性和經濟性，做到鉆孔布置合理、瓦斯抽采達標，黃陵二號煤礦采用鉆孔觀測法進行采煤工作面底板卸壓過程觀測分析，為優(yōu)化底板穿層瓦斯（油型氣）抽采鉆孔設計提供依據[6-8]。

1 研究區(qū)地質概況

黃陵二號煤礦203 工作面位于二盤區(qū)的西南。東北部、西北部為未采區(qū)，西南緊鄰201 采空區(qū)，東北部緊鄰205 工作面，工作面走向方位為339°。工作面長度為260 m，留保護煤柱為150 m，可采長度3 000 m。

2 號煤層平均厚度3.2 m，煤層結構簡單，賦存穩(wěn)定。其物理性質為：黑色、塊狀，以半亮型至半暗型煤為主，夾有薄層暗煤，條痕褐黑色，瀝青狀光澤，階梯狀斷口，條帶狀結構，塊狀構造，內生裂隙較發(fā)育。2 號煤層直接頂為灰色至深灰色細粒砂巖,含少量暗色礦物，含植物莖稈化石，含黃鐵礦結核，波狀層理，泥鈣質膠結，厚度3.4～26 m；直接底板為灰色至灰黑色細粒砂巖、粉砂巖，含植物化石碎片及炭屑，泥質膠結，波狀層理，厚度1.0～8.8 m；2 號煤層底板以下發(fā)育有3 號煤層，其煤層厚度在0.8～2.0 m 之間，平均煤厚1.6 m。

2 采煤工作面底板卸壓變形規(guī)律研究

隨著回采工作面推進，煤層底板巖層在橫向上劃分為原巖應力區(qū)、超前壓力壓縮區(qū)、采動礦壓直接破壞區(qū)和底板巖體應力恢復區(qū)，煤層底板巖體的滲透性隨著煤炭開采底板巖體變形破壞而呈規(guī)律性變化[9-12]。為了搞清黃陵礦區(qū)底板卸壓變形規(guī)律，以便有針對性地采取技術措施防治底板瓦斯（油型氣）異常涌出，采用鉆孔觀測法觀測底板變形情況，觀測地點選擇在黃陵二號煤礦203 采煤工作面。

2.1 底板卸壓變形觀測方案

1）觀測目的。通過工作面底板不同深度鉆孔圍巖變形觀測，了解工作面底板采動過程圍巖體卸壓變化過程和深度，為底板瓦斯油型氣抽采技術參數設計提供參考。

2）卸壓觀測內容。鉆孔套管前端3 m 觀測段采動過程的鉆孔壁的變形、觀測段鉆孔內滲漏水等礦壓顯現(xiàn)。

3）觀測鉆孔要求。采煤工作面內20～40 m 底板下實施卸壓觀測鉆孔，在觀測鉆孔內下套管，注漿固管后，套管內二次鉆進超過套管長度3 m，形成鉆孔套管前端3 m 觀測段。鉆孔施工采用ZDY-4200S鉆機。先施工φ94 mm 鉆孔，再擴孔至φ113 mm。鉆孔內下外徑φ89 mm 水煤管。鉆孔施工后及時下外徑φ89 mm 水煤管，孔口段5 m 套管采用聚胺酯和525 水泥及外加劑進行封孔固定，管內壓力灌注水泥漿，注漿壓力不小于5 MPa。待水泥固化7 d 后，采用φ65 mm 鉆頭及配套鉆桿在套管內二次鉆進，鉆進超過套管前端3 m 進入底板煤巖石區(qū)段，形成卸壓觀測鉆孔。

4）觀測方法。煤巖體結構觀察與測試的方法有很多。在煤巖體被揭露的地方，其結構暴露出來，可以通過肉眼直接進行觀察和描述。對于沒有被工程揭露的煤巖體，要想了解煤巖體結構，就應在煤巖體中打鉆孔[13-15]。采用鉆孔窺視儀進行鉆孔孔壁變化情況觀測，鉆孔窺視法具備直觀省力的優(yōu)點[16-18]。

5）觀測點布置。工作面前方150 m 外布2 組底板鉆孔，每組4 個鉆孔，鉆孔間距6 m，2 組間距30 m，每組鉆孔深度分別為底板下10、20、30、40 m，鉆孔與工作面150 斜交，觀測點布置平面圖如圖1。

圖1 觀測點布置平面圖

2.2 底板卸壓變形觀測結果

1 號測點、2 號測點分別實施4 個觀測鉆孔，各鉆孔觀測情況統(tǒng)計見表1、表2。測點位置為與回采工作面的距離，以測點位置為0 點，工作面未推過測點時距離為正值，工作面推過測點后距離為負值（即測點處于采空區(qū)范圍內）。

由表1 可知，鉆孔位于工作面前方10 m 時，底板下-10 m 處已出現(xiàn)鉆孔變形，在鉆孔位于工作面至采空區(qū)120 m 期間，底板下-10～-40 m 變形量和變形速度急劇增加，至工作面采空區(qū)120 m 后，底板下-40 m 進入流變松散膨脹變形階段。

由表2 可知，鉆孔位于工作面前方10 m 時，底板下-10 m 處已出現(xiàn)鉆孔變形，在鉆孔位于工作面下方至采空區(qū)60～100 m 期間，底板下-10～-40 m變形量和變形速度急劇增加，至工作面采空區(qū)100 m 后，底板下-40 m 進入流變松散膨脹變形階段。

3 底板鉆孔瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測及瓦斯壓力測定

在底板鉆孔變形觀測期間，開展了鉆孔瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測和瓦斯壓力測定工作，測點1 鉆孔瓦斯?jié)舛取⑼咚箟毫﹄S工作面距離變化曲線如圖2、圖3。由圖2 分析，鉆孔處在工作面前方20～10 m，鉆孔瓦斯油型氣濃度由1%左右逐漸上升至50～80%，在鉆孔處于工作面下方，上升90～100%，后處于高濃度持續(xù)階段，當處于工作面采空區(qū)后方40～80 m，瓦斯?jié)舛戎饾u下降，處于80 m 以后，濃度逐漸衰竭。

表1 測點1 各鉆孔觀測情況統(tǒng)計

表2 測點2 各鉆孔觀測情況統(tǒng)計

圖2 測點1 鉆孔瓦斯?jié)舛入S工作面距離變化曲線

圖3 測點1 鉆孔瓦斯壓力隨工作面距離變化曲線

由圖3 分析，鉆孔處在工作面前方20～10 m，鉆孔瓦斯壓力由0 MPa 逐漸上升至0.2 MPa，在鉆孔處于工作面下方，上升1 MPa 左右，處于采空區(qū)10～30 m 期間壓力上升到最高，處于工作面采空區(qū)后方30～60 m，壓力快速下降，處于60 m 以后，瓦斯壓力衰竭。

4 底板卸壓變形規(guī)律和瓦斯涌出分析

黃陵二號煤礦203 采煤工作面底板卸壓變形觀測結果表明，總體上，采煤工作面推進至距底板鉆孔約10 m 時，底板卸壓并開始發(fā)育裂隙，隨著采煤工作面推進至底板鉆孔后，逐漸遠離底板鉆孔，底板卸壓范圍逐漸向底板深部擴大，底板鉆孔（測點）位置鉆孔變形和破壞越來越嚴重。

底板觀測鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚箟毫y定結果表明，采煤工作面推進至據底板鉆孔約10 m 時，鉆孔瓦斯?jié)舛乳_始增大，采煤工作面推過測點后約10 m時，瓦斯?jié)舛冗_到峰值，后進入高濃度階段，約遠離測點40 m 后，瓦斯?jié)舛戎饾u下降。底板鉆孔瓦斯壓力在采煤工作面推進至0～-30 m 時，瓦斯壓力迅速增大，期間最大瓦斯壓力達到1 MPa。

綜合分析可知，采空區(qū)后方10～30 m 范圍內，工作面底板下10～30 m，出現(xiàn)最大卸壓變形以及瓦斯（油型氣）的大量涌出。為取得底板鉆孔瓦斯抽采效果的最大化，應優(yōu)先在此區(qū)域進行底板卸壓瓦斯的攔截抽采，鉆孔終孔垂直深度應控制在底板下30 m 范圍內。

5 工作面底板瓦斯（油型氣）抽采技術

根據203 采煤工作面底板卸壓變形規(guī)律的分析結果，對205 采煤工作面底板瓦斯（油型氣）抽采鉆孔進行優(yōu)化設計。

205 工作面底板鉆孔鉆孔終孔于煤層下15 m，鉆場間距60 m，每個鉆場布置4 個鉆孔，鉆孔間距15 m，鉆孔孔底間距37 m，鉆孔直徑φ97 mm。

底板鉆孔瓦斯抽采效果考察期間，監(jiān)測了工作面回風巷風排瓦斯?jié)舛龋?0 個月內，回風巷瓦斯?jié)舛葹?.30%～0.61%，均未超過黃陵礦業(yè)公司規(guī)定的回風瓦斯?jié)舛劝?.80%管理的界限。可見，考察期內，通過對底板煤層和油氣層卸壓瓦斯及油型氣的抽采，滿足了采煤工作面瓦斯治理的要求。

6 結 語

在黃陵二號煤礦203 采煤工作面實施底板鉆孔，并采用鉆孔窺視儀進行底板卸壓和鉆孔孔壁變形情況觀測，期間對鉆孔內瓦斯?jié)舛群屯咚箟毫ψ兓闆r進行檢測。結果表明，采煤工作面推進至距底板鉆孔約10 m 時，底板卸壓并開始發(fā)育裂隙，隨著采煤工作面推進至底板鉆孔后，逐漸遠離底板鉆孔，底板卸壓范圍逐漸向底板深部擴大，底板鉆孔（測點）位置鉆孔變形和破壞越來越嚴重。采空區(qū)后方10～30 m 范圍內，工作面底板下10～30 m，出現(xiàn)最大卸壓變形以及瓦斯（油型氣）的大量涌出。將203采煤工作面煤層底板煤巖體卸壓變形特征的觀測結果，用于指導205 采煤工作面底板煤層及油氣層卸壓瓦斯及油型氣的攔截抽采，結果表明，基于對采煤工作面底板卸壓變形規(guī)律的認識而采取的底板卸壓抽采技術措施是有效的，能夠保障煤油氣共生礦井采煤工作面的安全生產。