高瓦斯煤層群頂板定向長鉆孔抽采技術研究

張育磊

(山西金暉萬峰煤礦有限公司，山西 孝義 032300)

瓦斯是影響煤礦安全高效生產的主要因素之一[1-3]，特別是高瓦斯煤層，由于瓦斯含量高，開采期間容易出現上隅角瓦斯超限的問題。對于采空區瓦斯的治理，國內外學者進行了大量的研究，形成了高抽巷、采空區埋管、普通高位鉆孔等抽采方式[4-7],對采空區瓦斯的治理均達到了一定的效果，但不可避免地也存在一些缺點，如：采用高抽巷抽采時，掘進和維護費用較高；采空區埋管抽采效率偏低；普通高位鉆孔存在抽采時間短、有效抽采孔段短等問題。

近年來我國出現了頂板定向長鉆孔抽采采空區瓦斯技術，該技術是通過在煤層頂板布置鉆孔，利用工作面回采時頂板產生的裂隙來抽采采空區瓦斯，達到“以孔代巷”的目的，并對該技術進行了大量研究。許超[8]、李平[9]、趙建國[10]等對定向鉆機在高位定向鉆孔施工技術方面進行了闡述；段會軍[11]、李彥明[12]等利用定向鉆機裝備進行了煤層頂板定向長鉆孔施工，研究了定向鉆孔在上隅角瓦斯抽采中的應用；王勇[13]、李文剛[14]、李宏[15]等采用數值模擬方法對頂板高位定向長鉆孔的合理布置層位進行了研究；侯國培等[16]根據“O形圈”理論，通過對比分析不同布孔高度定向長距離鉆孔的瓦斯抽采數據及效果，得出布置定向鉆孔的最佳高度；武旭東等[17]利用Fluent數值模擬軟件研究了頂板走向長鉆孔間距和數量對瓦斯抽采效果的影響；程志恒等[18]采用數值模擬、理論分析與現場試驗相結合的方法，研究了采空區頂板高位走向長鉆孔高效抽采瓦斯作用機制；曹文超等[19]定量指出綜放工作面采空區覆巖斷裂帶分布范圍，并對高位定向鉆孔的合理布置參數進行了優化設計。

綜上所述，前人采用理論分析、數值模擬和現場試驗的方法，對定向長鉆孔的抽采效果、布孔參數、抽采機理進行了研究，但是研究對象多為單一煤層，對近距離煤層群開采條件下定向長鉆孔抽采的研究較少。筆者以萬峰煤礦1201工作面為例，采用數值模擬方法研究工作面回采后對鄰近層的影響，采用理論計算方法得出鉆孔的合理布置位置，試驗分析了抽采效果。

1 工程概況

金暉萬峰煤礦位于山西省呂梁市文水縣境內，生產能力為120 萬t/a，屬高瓦斯礦井，井田采用立井、單水平、分煤組集中下山開拓方式。

1201回采工作面處于礦井西南淺部區域，走向長約1 125 m，傾向長160 m，采用“U”形通風，最大配風量為1 512 m3/min。1201回采工作面開采1號煤層，煤層平均傾角為4°，平均埋深540 m，平均厚度為 1.5 m，采高1.6 m，距上部1上煤層5.5 m，距下部 2號煤層11.0 m，1上煤層平均厚度0.68 m，2號煤層平均厚度0.74 m；南鄰1103工作面采空區，北部為三采區上山保護煤柱，東部為二采區下山，西部為三采區。經測試1號煤層原始瓦斯含量為8.11～11.92 m3/t，1上煤層原始瓦斯含量為11.05～11.90 m3/t，均為高瓦斯煤層。1201回采工作面巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 1201回采工作面巖層柱狀圖

2 工作面回采期間對鄰近層的影響及抽采機理分析

2.1 模型建立

根據萬峰煤礦1201回采工作面巖層柱狀圖，采用FLAC3D數值模擬軟件構建工作面回采期間采空區頂底板應力演化的三維數值計算模型，模型尺寸為 200 m×4 m×76.5 m，如圖2所示。

圖2 數值模型圖

根據煤層埋深及開挖工作面與模型上邊界的距離，在計算模型頂部邊界施加12.25 MPa的等效載荷，其余5個邊界面均設置成速度為0的固定邊界。在數值模擬計算過程中，從距模型邊界40 m處開始開挖，第一次開挖長度為 20 m，之后依次增加10 m。

2.2 結果分析

根據模型計算結果，將工作面不同開挖長度的計算結果以云圖的形式顯示出來，如圖3所示。

(a)開挖20 m

從圖3中可以看出，隨著開挖距離的增加，頂底板應力降低區的高度逐漸增加。開挖到50 m時，應力降低區的高度開始穩定；開挖到40 m時，采空區中部應力開始升高，表明采空區頂底板已經接觸；開挖到60 m時，采空區中部應力開始接近原巖應力，表明采空區開始出現重新壓實，且隨著開挖距離的增加，重新壓實的區域也逐漸增大。在重新壓實區內，受采動影響產生的裂隙會在垂直應力作用下重新閉合。同時也可以看出，隨著開挖距離的增加，1號煤層上方的1上煤層、下方的2號煤層和2下煤層均處于應力降低區范圍，表明這些煤層均受到了 1號煤層回采的影響。

2.3 煤層群瓦斯抽采機理分析

煤層在開采過程中會對其頂底板巖層產生影響，在豎直方向上自煤層以上會依次形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，斷裂帶的形成為瓦斯的存儲和流動提供了空間和通道；煤層以下的底板也會在回采過程中受到不同程度的破壞。從上述模擬中可以看出，在開采1號煤層時，其上方5.5 m處的1上煤層、下方11.0 m處的2號煤層和13.2 m處的2下煤層均受到影響，會經歷卸壓階段，產生大量裂隙，從而導致煤層發生卸壓增透，大量瓦斯從煤體中解吸出來。由于瓦斯氣體的密度低于其他氣體密度，在浮力作用下會向上流動，即從下方2號煤層、2下煤層解吸出的瓦斯會向采空區流動，上方的1上煤層的瓦斯會向采空區上方斷裂帶流動，最終上下鄰近層和本煤層采空區中的瓦斯漂浮到斷裂帶頂部大量積聚，同時在采空區漏風風流的作用下積聚的瓦斯會向回風巷一側移動。瓦斯流場如圖4所示。

圖4 煤層群開采瓦斯流場示意圖

通過在煤層頂板回風巷一側的斷裂帶范圍內布置走向長鉆孔，在抽采負壓及浮力和風流的作用下，能夠對采空區瓦斯進行有效截流，防止瓦斯在上隅角積聚。同時，由于斷裂帶會隨著工作面回采長期存在，保障了鉆孔抽采的長期性。

3 鉆孔布置位置理論計算

從上述分析可知，近距離高瓦斯煤層群開采過程中，上隅角瓦斯的來源除了本煤層采空區外，還有上下鄰近層，同時工作面推進、頂板垮落，重新壓實區內裂隙閉合，也會影響瓦斯流動。為了保障瓦斯抽采效果，頂板定向長鉆孔在垂向上應布置在靠近回風巷的斷裂帶范圍內，在水平方向上應避開重新壓實區，對流向上隅角的瓦斯進行攔截，改變采空區瓦斯流場，保障抽采的有效性。

3.1 鉆孔高度位置確定

頂板定向長鉆孔高度范圍可通過采空區“豎三帶”中的垮落帶高度Hm、斷裂帶高度Hl經驗公式計算得出，頂板定向長鉆孔高度H的取值范圍為Hm

表1 垮落帶和斷裂帶高度經驗公式

萬峰煤礦1201回采工作面采高1.6 m，1號煤層上部主要為砂質泥巖及粉砂巖，頂板巖性為中硬，根據垮落帶與斷裂帶高度經驗公式可以計算得出垮落帶與斷裂帶高度分別為3.8～8.2、20.4～31.6 m，即鉆孔高度應位于8.2～31.6 m內。

3.2 鉆孔水平位置確定

頂板定向長鉆孔水平范圍應在靠近回風巷附近且要避開采空區重新壓實區，即：

S1

(1)

式中：S1為未卸壓區域水平長度,m;S為頂板定向長鉆孔距回風巷水平距離,m;S2為重新壓實區邊界到回風巷的距離,m。

S1可根據圖5求出。圖5中α為煤層傾角，β為頂板覆巖卸壓角，ΔS為保證頂板長鉆孔充分位于卸壓區域內應偏移的水平長度。

圖5 頂板走向長鉆孔水平位置確定圖

根據圖5可以得出：

(2)

所以：

(3)

重新壓實區邊界到回風巷的距離可以按下式計算[20]：

(4)

式中L為工作面長度,m。

由式(1)、式(3)和式(4)可得：

(5)

頂板覆巖卸壓角取65°，工作面長度為160 m，根據公式(5)計算得到頂板定向長鉆孔距回風巷的水平距離為5.76～53.33 m。

4 工業性試驗

4.1 鉆孔布置參數

根據理論計算，結合煤層上方巖性，確定頂板定向長鉆孔高度布置在1號煤層上部13.2 m厚度為 10 m 的砂質泥巖中；為了保證頂板定向長鉆孔充分位于卸壓區域內且避開重新壓實區，選取距回風巷水平距離為20～40 m。現場施工時，在1201回風巷距開切眼345 m位置施工頂板定向長鉆孔鉆場，鉆場寬5 m、高3.4 m，鉆場內共施工5個鉆孔，鉆孔直徑153 mm，鉆孔設計長度350 m，從距頂板14 m、距回風巷20 m開始施工第一個鉆孔。頂板定向長鉆孔施工參數見表2，布置圖如圖6所示。

表2 頂板定向長鉆孔施工參數

(a)鉆孔布置平面圖

4.2 抽采效果分析

工作面開始回采后，分別記錄回采不同距離時頂板定向長鉆孔的抽采瓦斯濃度(CH4體積分數，下同)和瓦斯純流量、采空區上隅角瓦斯濃度，并將其繪制成曲線，如圖7所示。

(a)抽采瓦斯濃度

從圖7中可以看出，隨著回采過程中鉆場與工作面的距離不同，即隨工作面回采距離的增大，頂板定向長鉆孔抽采可以分為3個階段：增長階段、穩定階段和衰減階段，且穩定階段抽采距離較長。在穩定階段，抽采瓦斯濃度達60%～70%、瓦斯純流量可達5～6 m3/min，且整個階段抽采瓦斯濃度和瓦斯純流量波動不大，在此期間，上隅角瓦斯濃度維持在0.3%～0.4%，表明抽采效果較好，能夠有效防止上隅角瓦斯超限。

在增長階段和衰減階段，上隅角瓦斯濃度會有所增加，分析認為，在增長階段工作面回采距離較短，斷裂帶范圍未發展到頂板定向長鉆孔位置，裂隙不發育；在衰減階段，鉆孔高度有所降低，受采動影響增加，破壞了鉆孔的完整性。在這兩個抽采階段，可以輔助采用其他抽采方式，加強對鄰近層和采空區瓦斯的抽采，以更好地保障工作面安全回采。

5 結論

1)數值模擬結果表明，近距離高瓦斯煤層群開采時，隨著開挖距離的增大，頂底板應力降低區的高度逐漸增加后趨于穩定，上下鄰近煤層受采動影響發生卸壓導致煤層瓦斯解吸，在浮力和漏風風流影響下向回風巷一側積聚。

2)通過理論分析，頂板定向長鉆孔應布置在靠近回風巷的斷裂帶范圍內，由于斷裂帶會隨著工作面回采長期存在，抽采鉆孔能夠長時間、穩定地抽出瓦斯。

3)隨著回采過程中鉆場與工作面的距離不同，頂板定向長鉆孔抽采可以分為3個階段：增長階段、穩定階段、衰減階段，且穩定階段抽采距離較長。增長階段和衰減階段抽采效果有所降低，分析認為是由于斷裂帶范圍未發展到頂板定向長鉆孔位置和鉆孔高度降低后鉆孔完整性遭到破壞而導致的，可采取輔助措施對這兩個階段的鄰近層和采空區瓦斯加強抽采。