突出薄煤層中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)研究

張楠，徐九洲，邱黎明

（1.永貴能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 西秀分公司,貴州 安順 561001；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083）

0 引言

煤與瓦斯突出（簡(jiǎn)稱(chēng)“突出”）是煤炭開(kāi)采中最具破壞性的動(dòng)力災(zāi)害之一[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度和強(qiáng)度的不斷增加，突出災(zāi)害愈發(fā)嚴(yán)重[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在煤巷掘進(jìn)工作面的突出占總數(shù)的70%以上，平均突出強(qiáng)度達(dá)到66.9 t/次[3]。突出事故嚴(yán)重影響了井下生產(chǎn)效率，更威脅著煤礦工人的生命安全。如何有效降低與消除突出危險(xiǎn)性成為一個(gè)亟待解決的難題。

現(xiàn)有的消突方法包括保護(hù)層開(kāi)采[4]、底抽巷鉆孔抽采[5-6]、本煤層與鄰近層瓦斯抽采[7-8]、水力消突[9]、水力切割[10]等，這些方法可有效降低煤礦突出危險(xiǎn)性。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，某些薄煤層不具備保護(hù)層開(kāi)采的條件。這種情況下，中間巷掩護(hù)掘進(jìn)是薄煤層消突的最佳方案，即在原有薄煤層工作面巷道基礎(chǔ)上增設(shè)1 條中間巷，從中間巷向目標(biāo)區(qū)域煤層鉆孔并進(jìn)行瓦斯抽采，以達(dá)到消突目的[11-12]。

圍繞中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)，部分學(xué)者進(jìn)行了深入研究。樊曉光[13]通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出通過(guò)中間巷瓦斯抽采能夠大大降低煤層瓦斯含量。閆英俊等[14]研究了中間巷掩護(hù)掘進(jìn)的各種方法和參數(shù)，認(rèn)為其與區(qū)域防突方法相比，周期較短，工程量較少。高強(qiáng)[15]通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在煤層孤島工作面設(shè)置中間巷可使集中應(yīng)力向中間巷轉(zhuǎn)移，有效減少上下兩巷變形量，對(duì)預(yù)防突出災(zāi)害有一定作用。然而，關(guān)于將中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)應(yīng)用在薄煤層中的研究較少。因此，本文分析了中間巷掩護(hù)掘進(jìn)條件下薄煤層中瓦斯擴(kuò)散情況，并借助數(shù)值模擬研究不同抽采條件下瓦斯壓力分布規(guī)律；將中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)應(yīng)用于薄煤層中，以檢驗(yàn)其實(shí)施效果，提高瓦斯抽采效率，達(dá)到消突目的。

1 薄煤層瓦斯流動(dòng)及抽采理論分析

1.1 有效抽采半徑

鉆孔間距與有效抽采半徑關(guān)系密切，鉆孔間距的最佳設(shè)計(jì)方案是各個(gè)鉆孔的有效抽采區(qū)域剛好相切。在煤層厚度足夠大的情況下，有效抽采半徑R如圖1 所示，其中r為鉆孔半徑。

圖1 普通煤層中的有效抽采半徑Fig.1 Effective drainage radius in common coal seam

在薄煤層中進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，由于煤層厚度有限，受頂?shù)装逵绊懀咚闺y以滲透到頂?shù)装鍘r層中。因此，隨著抽采時(shí)間的增加，有效抽采半徑R會(huì)大于煤層厚度h，如圖2 所示。

圖2 薄煤層中的有效抽采半徑Fig.2 Effective drainage radius in thin coal seam

由圖1 和圖2 可知，由于受薄煤層厚度的限制，瓦斯抽采有效區(qū)域在垂直方向的擴(kuò)展受阻，更傾向于在水平方向延伸，導(dǎo)致水平方向的有效抽采半徑遠(yuǎn)大于煤層厚度，有效抽采區(qū)域呈橢圓形分布，不具有普通煤層中的圓形分布特征。

1.2 抽采效率影響因素

一定時(shí)間內(nèi)不同鉆孔間距下瓦斯預(yù)抽率為[16]

式中：t為抽采時(shí)間，min；q0為百米鉆孔瓦斯初始抽采量，m3/（hm·min），鉆孔半徑越大，q0越大；為抽采鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)，1/d；L為鉆孔布置間距，m；l為抽采鉆孔長(zhǎng)度，m；M0為煤的平均厚度，m；ρ為煤的密度，t/m3；ω0為煤層原始最大瓦斯含量，m3/t。

從式（1）可看出，通過(guò)減小抽采鉆孔間距、延長(zhǎng)抽采時(shí)間、增大鉆孔半徑[17]能夠提高抽采效率，但同時(shí)也會(huì)增加綜合時(shí)間和施工成本。因此，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際工程情況，合理選擇鉆孔抽采方案[18]。

1.3 瓦斯流動(dòng)方程

令U=p2（p為瓦斯壓力，MPa），W為水分，%；A為灰分，%），煤層透氣性系數(shù)λ=K/（2μp0）（K為煤層透氣率，m2；μ為瓦斯動(dòng)力黏度，Pa·s；p0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下大氣壓力，Pa），則瓦斯流動(dòng)方程為[19]

式中：φ為孔隙率，%；a為吸附常數(shù)，m3/t；b為吸附常數(shù)，1/MPa；γ為視密度，m3/t；t0為瓦斯在煤層中的流動(dòng)時(shí)間，d；x為瓦斯流動(dòng)距離，m。

2 薄煤層中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)原理

在薄煤層瓦斯抽采過(guò)程中，由于受煤層厚度的影響，有效抽采區(qū)域呈橢圓形分布，瓦斯?jié)B流場(chǎng)主要集中在煤層走向和傾向上。因此，相對(duì)于穿層鉆孔抽采，薄煤層采用本煤層抽采方式更能使抽采區(qū)域連成一片，從而提高抽采效率。中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突抽采作為一種本煤層抽采方式，適用于薄煤層瓦斯抽采。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，長(zhǎng)鉆孔的成孔率較低，短鉆孔的成孔率較高。中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)采用的是短鉆孔，成孔率較高，且成本較低，因此，將中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)應(yīng)用于薄煤層中進(jìn)行分塊消突具有重大優(yōu)勢(shì)。

薄煤層中間巷抽采鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 薄煤層中間巷抽采鉆孔布置Fig.3 Layout of extraction boreholes in middle roadway of thin coal seam

開(kāi)采突出煤層時(shí)，采用沿空留巷技術(shù)將上一工作面的回風(fēng)巷作為下一工作面的進(jìn)風(fēng)巷；在進(jìn)風(fēng)巷向前施工瓦斯抽采鉆孔，抽采范圍覆蓋并超前預(yù)定的中間巷20 m 以上，通過(guò)瓦斯抽采消除中間巷的突出危險(xiǎn)性；掘進(jìn)中間巷；在中間巷向回風(fēng)巷預(yù)定位置施工瓦斯抽采鉆孔，抽采范圍覆蓋并超前預(yù)定的回風(fēng)巷20 m 以上，通過(guò)瓦斯抽采消除中間巷的突出危險(xiǎn)性；最后對(duì)回風(fēng)巷進(jìn)行掘進(jìn)，形成回采工作面。

中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)充分利用了薄煤層瓦斯流動(dòng)與抽采原理，可有效降低薄煤層消突工作量，保障煤礦采掘接續(xù)。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型構(gòu)建

某礦9305 工作面埋藏深度為470～571 m，本煤層厚度為0.8～1.8 m，平均厚度為1.55 m，為突出薄煤層；瓦斯壓力為0.45～2.25 MPa，原煤瓦斯含量為9.867 8～19.77 m3/t，原始瓦斯含量為8.820 9 m3/t，在煤層回采前需要進(jìn)行抽采，以消除煤層突出危險(xiǎn)性。

根據(jù)該礦賦存條件，采用Comsol 軟件對(duì)固定力學(xué)模塊和達(dá)西定律模塊進(jìn)行耦合，構(gòu)建薄煤層瓦斯抽采模型，如圖4 所示。薄煤層厚度為1.2 m，長(zhǎng)度為10 m，上下有頂?shù)装鍘r層，為了簡(jiǎn)化模型，設(shè)巖層厚度為0.2 m；模型底端固定，上端施加15 MPa 垂直應(yīng)力，左右施加10 MPa 水平應(yīng)力，在模型中間位置進(jìn)行瓦斯抽采。

圖4 薄煤層瓦斯抽采模型Fig.4 Gas drainage model of thin coal seam

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和分析計(jì)算，得到模擬煤層的主要物理參數(shù)，見(jiàn)表1。初始瓦斯壓力為1.75 MPa，選擇用0.05 MPa 負(fù)壓抽采，四周為無(wú)流動(dòng)邊界；邊界條件為為流動(dòng)邊界起點(diǎn)x=0 處的瓦斯壓力研究類(lèi)型為瞬態(tài)。

表1 主要物理參數(shù)Table 1 Main physical parameters

3.2 模擬結(jié)果

3.2.1 不同抽采時(shí)間下薄煤層瓦斯壓力分布

設(shè)抽采鉆孔直徑為96 mm，不同抽采時(shí)間下瓦斯壓力分布如圖5 所示，圖中從上到下對(duì)應(yīng)的抽采時(shí)間依次為10，30，60，90 d，黑色線(xiàn)段為有效抽采區(qū)域邊界（瓦斯壓力小于0.74 MPa 區(qū)域）。由圖5 可知，抽采初始階段，有效抽采半徑?jīng)]有超過(guò)煤層厚度，由于受到頂?shù)装宓挠绊懀行С椴蓞^(qū)域?yàn)闄E圓形；隨著抽采時(shí)間增加，有效抽采半徑超過(guò)煤層厚度，由于頂?shù)装寮s束，瓦斯無(wú)法在垂直方向運(yùn)移，有效抽采區(qū)域只在水平方向擴(kuò)展，且邊界逐漸從弧線(xiàn)變?yōu)橹本€(xiàn)。

圖5 不同抽采時(shí)間下薄煤層瓦斯壓力分布Fig.5 Gas pressure distribution in thin coal seams under different extraction time

在抽采時(shí)間為10 d 和30 d 之間，有效抽采半徑的增加幅度最大，隨著抽采時(shí)間增加，有效抽采范圍的增加幅度逐漸減小。究其原因，主要是剛開(kāi)始抽采瓦斯時(shí)，在較大的瓦斯壓力梯度作用下，大量吸附態(tài)瓦斯解吸出來(lái)成為游離態(tài)瓦斯，沿著裂隙方向流動(dòng)到抽采鉆孔被抽采出去，瓦斯壓力下降速率快；隨著抽采工作進(jìn)行，瓦斯壓力和吸附態(tài)瓦斯含量不斷降低，瓦斯壓力梯度減小，導(dǎo)致瓦斯壓力下降速率減小，有效抽采范圍增加幅度變小。這說(shuō)明在實(shí)際工程中，一味延長(zhǎng)抽采時(shí)間并不妥當(dāng)，具體的抽采時(shí)間需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程情況來(lái)決定。

3.2.2 不同鉆孔間距下薄煤層瓦斯壓力分布

抽采時(shí)間為30 d 時(shí)不同鉆孔間距下瓦斯壓力分布如圖6 所示，圖中從上到下對(duì)應(yīng)的鉆孔間距分別為1，2，3，4 m。從圖6 可看出，由于抽采鉆孔之間存在應(yīng)力擾動(dòng)，瓦斯抽采有效范圍偏向于向中心靠攏，兩鉆孔中心位置處的瓦斯壓力明顯低于鉆孔另一側(cè)相同位置處的瓦斯壓力，薄煤層兩側(cè)邊緣的瓦斯壓力下降幅度較小。

圖6 不同鉆孔間距下薄煤層瓦斯壓力分布Fig.6 Gas pressure distribution in thin coal seam under different borehole spacing

鉆孔間距為1 m 和2 m 時(shí)，兩鉆孔之間的有效抽采區(qū)域高度重合，無(wú)法達(dá)到最佳抽采效果；鉆孔間距為3 m 時(shí)，兩鉆孔之間的有效抽采半徑幾乎相切，抽采效果最佳，抽采壓力基本可以使大部分煤層瓦斯有效擴(kuò)散、解析、被動(dòng)抽采；鉆孔間距達(dá)到4 m 時(shí)，兩鉆孔的瓦斯抽采影響區(qū)域分開(kāi)，中間部分瓦斯壓力達(dá)不到消突要求（瓦斯壓力小于0.74 MPa），消突效果較差。在實(shí)際工程中，在合理范圍內(nèi)可通過(guò)增大鉆孔間距提高抽采效率和鉆孔有效利用率，減少鉆孔數(shù)量，避免資源浪費(fèi)。但當(dāng)鉆孔間距過(guò)大、鉆孔數(shù)量過(guò)少時(shí)，會(huì)造成瓦斯抽采空白帶，抽采效率低，更有可能引起礦井瓦斯災(zāi)害。

3.2.3 中間巷鉆孔抽采瓦斯效果

為進(jìn)一步研究中間巷鉆孔抽采過(guò)程中薄煤層瓦斯壓力分布，對(duì)圖3 所示的鉆孔布置方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析。設(shè)置煤層厚度為1.2 m，鉆孔間距為3 m，煤層中間為中間巷，兩端分別為回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷，從回風(fēng)巷對(duì)中間巷區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采，得到抽采30 d后瓦斯壓力在煤層中3 個(gè)觀察方向的分布切片，如圖7 所示，其中X為工作面傾向長(zhǎng)度，Y為工作面走向長(zhǎng)度，Z為工作面高度。

從圖7（a）可看出，煤層中瓦斯壓力已經(jīng)有效降低，且相鄰鉆孔之間不存在明顯的瓦斯抽采空白帶，說(shuō)明設(shè)置的鉆孔間距接近最優(yōu)值。從圖7（b）可看出，遞進(jìn)中間巷鉆孔在X與Z方向均能降低瓦斯壓力，實(shí)現(xiàn)消突。圖7（c）所示的瓦斯壓力分布與圖6中鉆孔間距為3 m 時(shí)的瓦斯壓力分布相似，且兩鉆孔中心位置處的瓦斯壓力明顯低于鉆孔另一側(cè)相同位置處的瓦斯壓力，薄煤層邊緣的瓦斯壓力下降幅度較小，說(shuō)明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 瓦斯壓力三維分布切片F(xiàn)ig.7 Three dimensional distribution slices of gas pressure

對(duì)中間巷的瓦斯抽采有效降低了回風(fēng)巷和遞進(jìn)中間巷區(qū)域之間的瓦斯壓力，再進(jìn)入中間巷對(duì)進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采，即可完成整個(gè)9305 工作面的消突。

4 實(shí)施效果

9305 工作面走向長(zhǎng)810 m，切眼長(zhǎng)170 m，由于現(xiàn)場(chǎng)施工和裝備條件受限，現(xiàn)有鉆機(jī)能夠達(dá)到的遞進(jìn)抽采鉆孔深度普遍為80～150 m，不能施工一次性貫通工作面的抽采鉆孔。同時(shí)，M8 煤層位于M9 煤層上方21.11 m 處，該煤層平均厚度為1.21 m，與M9 煤層厚度接近，M8 煤層一采區(qū)大部分不可采，考慮到開(kāi)采難度與資金等因素，將M8 煤層作為M9 煤層保護(hù)層開(kāi)采的保護(hù)效果不佳且成本較高。若采用底抽巷瓦斯抽采的方式消突，則時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較高。為此，在9305 工作面中間位置施工一走向中間巷，在回風(fēng)巷抽采擬開(kāi)挖的遞進(jìn)中間巷區(qū)域瓦斯，完成該區(qū)域消突后掘進(jìn)中間巷，并在該巷中對(duì)進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采，既節(jié)約了時(shí)間與成本，也達(dá)到了9305 工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域瓦斯治理的目的。

9305 工作面中間巷遞進(jìn)掩護(hù)掘進(jìn)消突方案如圖8 所示。在9303 進(jìn)風(fēng)巷施工順層抽采鉆孔，控制9305 中間巷掘進(jìn)區(qū)域及巷道左右輪廓線(xiàn)外各20 m外圍，鉆孔間距為3 m，鉆孔直徑不小于94 mm，抽采直徑不得超過(guò)5 m，鉆孔深度為107 m，巷道掘進(jìn)距離與鉆孔控制范圍保留不低于20 m 的超前距。施工過(guò)程中，先從回風(fēng)巷向中間巷區(qū)域進(jìn)行鉆孔并開(kāi)展瓦斯抽采，抽采結(jié)束后，掘進(jìn)中間巷，再進(jìn)入其中對(duì)進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的消突。

圖8 9305 工作面中間巷遞進(jìn)掩護(hù)掘進(jìn)消突方案Fig.8 The scheme of outburst elimination of progressive shield tunneling in middle roadway of 9305 working face

回風(fēng)巷本煤層抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化如圖9 所示。2 號(hào)和3 號(hào)集流器的初始瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別為14%，16%，1 號(hào)集流器的初始瓦斯體積分?jǐn)?shù)為5%，經(jīng)過(guò)8 個(gè)月的抽采，3 個(gè)集流器的瓦斯體積分?jǐn)?shù)均下降至5%以下，下降幅度近70%，且瓦斯抽采速率得到了提升。中間巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較小，且在整個(gè)抽采周期內(nèi)保持在較低水平。

圖9 回風(fēng)巷本煤層抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化Fig.9 Variation of volume fraction of gas extracted from coal seam in return airway

5 結(jié)論

（1）瓦斯在煤層中的流動(dòng)運(yùn)移受煤層厚度的影響較為顯著：當(dāng)有效抽采半徑小于薄煤層厚度時(shí)，有效抽采區(qū)域?yàn)闄E圓形；當(dāng)有效抽采半徑大于薄煤層厚度時(shí)，瓦斯主要在水平方向流動(dòng)，有效抽采區(qū)域僅在煤層走向和傾向擴(kuò)展。研究結(jié)果為中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)提供了理論依據(jù)。

（2）以某礦9305 工作面薄煤層為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該工作面突出薄煤層中間巷掩護(hù)掘進(jìn)的最優(yōu)抽采鉆孔間距為3 m，孔徑為94 mm，有效抽采直徑不超過(guò)5 m，鉆孔深度為107 m；中間巷掩護(hù)掘進(jìn)消突技術(shù)可使薄煤層瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降約70%，消突效果顯著。