下分層抽采長鉆孔終孔位置合理確定

劉增亮

(山西馬堡煤業有限公司，山西 長治 046300)

瓦斯含量超標是導致煤礦事故高發的因素之一。在礦井生產過程中,瓦斯抽采是實現礦井瓦斯災害治理及綠色開采的重要手段[1]。特厚煤層高瓦斯工作面使用分層開采技術時,其下分層的瓦斯卸壓后,通過穿層裂縫裂隙逸散到上分層采空區中,在工作面中引起瓦斯超限,而普通鉆孔難以抽采到下分層中的已卸壓瓦斯[2]。因此,特厚煤層高瓦斯工作面中的瓦斯抽采工作面臨著嚴峻的挑戰。

目前國內主要采用尾巷、高位抽放巷、底板巖巷上向網格式鉆孔、地面鉆孔和高位鉆孔等抽采工藝治理特厚煤層高瓦斯工作面[3-5],然而由于這些方法難以定向和長期抽采已卸壓的下分層瓦斯,且經濟成本較高,抽采效果不佳,很難削弱已卸壓下分層瓦斯對工作面產生的影響。本文以某礦205工作面為研究對象,以治理下分層卸壓瓦斯為目的,綜合研究工作面瓦斯來源、已卸壓下分層瓦斯運移規律和底板破壞機理[6],通過理論計算和數值模擬得到千米鉆孔在工作面下分層中的合理終孔位置,并通過對比分析現場實測數據,為特厚煤層高瓦斯工作面的瓦斯治理提供參考。

1 下分層煤體卸壓及瓦斯運移規律

特厚煤層高瓦斯工作面使用分層開采方法時,采動的作用將直接影響到下分層。上分層的煤體發生上鼓作用,破裂斷開產生穿層裂縫裂隙,形成上、下分層間的瓦斯運移通道[7-9];下部少量煤體、底板巖層因上鼓量不同,大量的順層裂隙發生在層間薄弱面上,導致卸壓瓦斯通過交叉裂隙和離層裂隙流至相互貫通的裂縫裂隙中,最后運移到工作面采空區;因煤層中產生大量的交叉裂隙、穿層裂隙和順層裂隙,導致煤層的透氣性系數增大數倍[9-10]。伴隨著工作面采空區面積的增大,垮落下來的覆巖逐步被壓緊,應力開始恢復,使得下分層煤體的透氣性減小,但仍然很難達到原始狀態,煤層透氣性減小受限。在卸壓恢復這一過程中,打破了下分層原始的瓦斯賦存平衡條件,造成絕大多數的吸附態瓦斯向游離態瓦斯轉化,為下分層煤體使用千米鉆孔抽采瓦斯技術提供了條件。

因回采特厚煤層高瓦斯工作面上分層時,在下分層煤體將會形成“卸壓增流”現象,顯著提高了煤層透氣性,加快了瓦斯“解吸—擴散—滲流”速度[11-13]。所以,實施千米定向鉆孔來高效率、大面積和長時間抽采下分層瓦斯是完全可能的。實施千米定向鉆孔工藝抽采下分層瓦斯時,需要結合下分層的卸壓瓦斯運移規律、采動裂隙場分布規律及塑性變形情況,以獲得千米定向鉆孔在下分層的合理位置[14-15]。在布置鉆孔時需重點注意,在豎直方向上,應在下分層裂隙帶布置鉆孔,保證當底板發生周期性破壞時,鉆孔不會發生塌孔破壞現象,達到鉆孔既可以預抽下分層瓦斯,又可以高效率、長時間抽采卸壓瓦斯的雙重目的[16];在水平方向上,應將鉆孔密集布置在O形圈區域內,在工作面采空區后方的壓實范圍內盡可能減少布孔,鉆孔的布置方式如圖1所示。

圖1 千米鉆孔布孔方式Fig.1 Arrangement of kilometer drilling boreholes

2 工程概況

2.1 工作面概況

某礦是高瓦斯礦井,主采2#,3#,8#,9#煤層,其中2#煤層厚度為16.4～21.0 m,屬于可抽放煤層,透氣性系數為0.25～0.76 m2/(MPa2·d)。205工作面是大采高工作面,煤層平均傾角為4o,平均厚度達到19 m,絕對瓦斯涌出量為81.96 m3/min,相對瓦斯涌出量為17.43 m3/t,瓦斯壓力為0.57～0.64 MPa,煤質較硬,堅固性系數可達到1.96～2.80,千米鉆孔施工完成后成孔率較高。采用分層開采,其中上分層采高為6 m,全面垮落法管理頂板,工作面長度為200 m,可采走向長度為2 200 m。

2.2 工作面瓦斯來源分析

在回采上分層煤體時,工作面采破煤集中且強度大,且下分層煤體卸壓完全,原生裂隙裂縫互相貫通,絕大多數的瓦斯實現了由吸附態向游離態的轉化。205工作面已卸壓的下分層煤體構成了其采空區瓦斯的主要來源。回采時工作面瓦斯來源分析見表1。從表1發現,205工作面的瓦斯來源于工作面落煤和下分層大量的卸壓煤體。所以工作面瓦斯治理的重要方法是在回采工作面之前預抽下分層瓦斯,回采后抽采卸壓煤體瓦斯。

表1 205工作面瓦斯構成Table 1 Gas composition of 205 working face

3 鉆孔合理位置分析

3.1 裂隙帶范圍計算

某礦2#煤層傾角小,205工作面地質構造簡單,在掘進巷道時只出現一個3.6 m落差的小斷層。所以借助經驗公式,分析計算下分層裂隙帶最大深度hmax,最大裂隙帶深度距煤壁水平距離l0,即

(1)

(2)

式中:h為開采深度,m;φ為煤層內摩擦角,(°)。

工作面埋深h為580 m,內摩擦角φ為28°,代入式(1)、(2),計算得到hmax=12.89 m,l0=6.85 m。結果證明,下分層的煤體幾乎全部位于卸壓裂隙帶中。

3.2 下分層卸壓范圍

3.2.1模型建立

利用數值模擬軟件FLAC3D模擬某礦2#煤層上分層開采情況。模型坐標系參數見表2,煤巖體力學參數如表3所示。

表2 模型參數Table 2 Model parameters

表3 煤巖層參數Table 3 Coal and rock parameters

3.2.2鉆孔合理位置確定

借助FLAC3D軟件數值模擬下分層塑性變形及破壞規律,模擬結果得到塑性破壞的最大距離達到14.5 m;而采用公式計算得到的下分層裂隙帶最大距離是12.89 m,二者僅相差1.61 m,表明二者模擬基本符合現場實際。參考理論計算數據和數值模擬的結果,將205工作面下分層塑性破壞最大距離定為13 m。

持續開挖到160 m時,下分層的塑性破壞停止向深部發育,不再跟隨工作面的推進而變化。當開挖到180 m時,下分層距煤體不同距離發生塑性破壞的情況如圖2所示。從圖中可看出,在上分層底板以下3 m距離處(圖2a),工作面采空區發生拉張破壞和面狀剪切,周圍發生剪切破壞,導致煤體發生錯位移動,被強烈破壞,充分發育出貫穿裂縫裂隙。在上分層底板以下6 m距離處(圖2b),工作面采空區四周發生O型剪切破壞,中間部分局部主要發生拉張破壞,伴隨少數剪切破壞,當破壞程度減弱時,煤體開始從劇烈破壞過渡至張裂破壞。在上分層底板以下9 m距離處(圖2c),只有采空區四周形成剪切破壞狀態,中間區域幾乎未發生塑性變形,此時煤體擾動情況較輕微,在此層位布置鉆孔,并不會發生塌孔現象。在上分層底板以下12 m處(圖2d),唯獨在采空區的四周形成間斷式的剪切破壞,其他地點幾乎沒有發生破壞,擾動作用對煤體的影響很小。

分析模擬結果發現,在煤層底板以下6 m距離處,煤層被劇烈破壞,產生了大量的裂縫裂隙且相互貫通發育充分,在此層位施工千米定向鉆孔能充分攔截借助豎向裂縫裂隙運移至采空區中的卸壓瓦斯。在煤層底板以下6～9 m距離,煤體發生張裂破壞,鉆孔未受到嚴重破壞,仍可保留原本形狀,能高效率、較長時間抽采來自下分層的卸壓瓦斯,保障了下分層安全快速回采。在煤層底板以下9 m的距離,卸壓瓦斯自下而上運移,在壓力差的影響下千米定向鉆孔將有效阻攔卸壓瓦斯,使瓦斯難以涌入到采空區。

(a)底板以下3 m

(b)底板以下6 m

(c)底板以下9 m

(d)底板以下12 m

4 現場試驗

借助VLD-1000型千米定向鉆機(澳大利亞產)在205工作面回風順槽和204輔助撤面道施工4個鉆場,來施工下分層不同范圍的千米鉆孔,鉆孔布置示意圖如圖3和圖4所示。

1-采區輔運上山;2-采區皮帶上山; 3-采區回風上山;4-204輔助撤面道圖3 鉆孔平面圖Fig.3 Plan of drilling holes

圖4 鉆孔剖面圖Fig.4 Profile of drilling holes

設計在每個鉆場施工1個主孔，每間距5 m設置4個分支鉆孔,鉆孔施工參數見表4。鉆孔成孔后實施擴孔,擴至直徑達到150 mm,利用聚氨酯進行封孔,封孔長度為6 m,鉆孔直徑為96 mm。

表4 鉆孔設計參數Table 4 Design parameters of drilling holes

設計千米鉆孔長度在560 m范圍內,在成孔時瓦斯抽采體積分數達到52%,聯網開始預抽時鉆孔瓦斯抽采量開始減小,到工作面開始回采時瓦斯抽采體積分數是36%。工作面回采后,當工作面推進距離、鉆孔主孔長度和抽采負壓幾乎相同條件下,監測距上分層3,6,9,12 m這4個鉆孔組的抽采濃度,如圖5所示。

圖5 隨工作面回采各鉆孔的抽采情況Fig.5 Drainage concentration of drilling holes on the working face

由圖5可知,當4個鉆場與工作面距離為30 m時,鉆孔瓦斯抽采體積分數平均值在36%左右,同時呈現出逐步減小的趨向。隨著工作面回采推進,加快了支撐壓力的增高速度,煤體透氣性系數迅速下降,導致抽采量減小,但是抽采量減小程度隨著鉆孔所在層位不同而不同,當鉆孔距上分層底板越遠,抽采瓦斯量減小越緩慢。當鉆孔距回采工作面5～8 m時,抽采量下降到最低點,這時下分層煤體位于應力峰值區,在高應力的影響下,煤體被壓縮,內部的裂隙裂縫部分閉合,煤體透氣性系數減小到最低點。當鉆孔的深度增加時,下分層煤體的透氣性系數和抽采量最低值的滯后時間開始延長,滯后時間的最大值約等于工作面回采4.5 m的時間。通過應力峰值區后,下分層煤體開始從應力壓縮區轉為卸壓膨脹區,形成卸壓增流效應,透氣性系數顯著提高。

鉆孔進入到采煤工作面后方時,因為煤層底板發生卸壓破壞,瓦斯抽采體積分數升高至37.6%后就保持平穩。原因是1#鉆場中的鉆孔受到破壞,發生塌孔現象,導致孔內瓦斯不能被抽出,瓦斯抽采量再次返回初始狀態,因此位于底板以下3 m距離處的鉆孔很難實現長期抽采瓦斯的目標。而隨著工作面的回采,2#鉆場和3#鉆場中的鉆孔瓦斯抽采體積分數呈現指數上升,最后升高至68%,表明采動礦壓沒有破壞鉆孔,鉆孔仍然具有一定的完整性,因此位于底板以下6～9 m范圍的煤體發生明顯的卸壓效果,產生了大量相互貫通的裂隙且發育很完全,煤體透氣性顯著增大,瓦斯抽采量可以長時間保持在較高水平,實現了千米定向鉆孔高效率、較長時間穩定抽采下分層瓦斯的目標。布置在底板以下12 m處的4#鉆場,當工作面回采到-20 m距離時,瓦斯抽采體積分數升高至58%后就保持穩定不變,并未發生明顯的卸壓增流效應,大量的瓦斯逸散到工作面的采空區中。根據瓦斯基礎參數測定報告,2#煤層有效抽采半徑為3 m,當煤層底板發生卸壓破壞后抽采半徑會擴大,若抽采鉆孔設置在下分層最底部,鉆孔有效利用時間將會減小。

綜上所述,工作面底板下6～9 m距離為某礦205工作面千米定向鉆孔布置的最佳層位,與數值模擬結果基本吻合,此抽采技術為治理特厚煤層高瓦斯工作面提供了一定的借鑒。

5 結論

1)工作面底板以下裂隙帶的最大高度為13 m,此范圍內下分層煤體處于破壞狀態,會產生卸壓增流現象,下分層已泄壓瓦斯是工作面瓦斯的主要來源。

2)在工作面底板以下6 m范圍內,煤體發生嚴重破壞,底鼓明顯,此范圍內的鉆孔容易被破壞,發生塌孔,難以實現長時間抽采瓦斯的目標;在工作面底板6 m以下區域內千米定向鉆孔很少受到破壞,在6～9 m區域內施工鉆孔能實現高效率、長期抽采下分層已卸壓瓦斯的目標,可有效保障上分層安全開采。

3)在工作面下分層布置千米定向長鉆孔能取代底板巖巷的上向網格式鉆孔,節省經濟成本,減少施工鉆孔的周期,保證有足夠鉆孔的抽采時間。