考慮推進速度效應的高位定向鉆孔優勢布置與效果分析

陳 龍，龔選平，白廷海，成小雨，程 成，3

（1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2.中煤華晉集團有限公司，山西 河津 043300；3.西安科技大學，陜西 西安 710054）

工作面的瓦斯涌出控制是防止瓦斯事故的首要任務[1-3]。目前常采用瓦斯抽采對采空區瓦斯進行治理，其中高位定向鉆孔抽采瓦斯得到了大量的應用[4-8]，高位定向鉆孔的布置參數對其抽采效果有著直接的影響，但是由于煤層頂板覆巖性質不同、工作面的推進速度等不同，導致覆巖的垮落和裂隙發育不同，若鉆孔布置不合理則不能充分發揮高位定向鉆孔的優勢，因此根據礦井的實際開采情況開展高位鉆孔優化是提高瓦斯抽采效果、保障礦井安全生產的重要手段。

劉振明[9]等采用FLAC3D軟件模擬了斜溝煤礦某工作面開采后覆巖的滲透率變化規律，隨著工作面的推進，覆巖的滲透率在動態發展變化，根據研究結果對工作面的鉆孔參數進行了優化；李樹剛[10]、楊宏偉[11]等采用微地震監測設備對煤層頂板的覆巖的破裂情況進行了監測，并根據監測結果對高位鉆孔進行了優化；施式亮[12]、姚偉[13]等研究了高位鉆孔的抽采負壓和布置參數對采空區瓦斯的分布和運移的影響規律，得到了合理的抽采負壓和鉆孔參數；龔選平[14]、王耀鋒[15]等分別采用理論分析、數值模擬、現場實測相結合的方法得到了覆巖裂隙帶及卸壓瓦斯的分布特征及演化規律，并對高位鉆孔的合理布置參數進行了優化設計和應用；劉洪永[16]等以淮北祁南礦為試驗對象，研究了不同推進速度下采動優勢瓦斯通道的變化情況，采動優勢瓦斯通道的發育高度和寬度隨著推進速度的增加而減小；李樹剛[17]等研究了傾斜煤層的覆巖裂隙分布規律，并對工作面的高位導流鉆孔參數進行了優化設計；尉瑞[18]等通過相似物理模擬實驗研究了采動影響下覆巖裂隙帶及瓦斯富集運移區的動態演化規律，并根據研究結果指導了礦井的瓦斯抽采。綜上所述，學者們對采動覆巖的裂隙發育及高位鉆孔優化做了大量的工作，但是對考慮采動裂隙及礦井的實際日推進速度的鉆孔優化分析較少。為此，以王家嶺礦12302 工作面為試驗工作面，采用物理相似模擬實驗分析了采動覆巖垮落和裂隙發育情況，根據礦井的實際抽采效果得到了不同推進速度下的鉆孔優勢層位和平距的定量關系，依據研究結果對高位鉆孔的參數進行優化設計和現場試驗，研究成果為采動覆巖瓦斯富集區的識別及高位鉆孔優化提供理論支持。

1 采動覆巖瓦斯富集區形成及分布特征

1.1 工作面概況

試驗選取王家嶺礦12302 工作面，該工作面走向長2 600 m，傾向長310 m，煤層平均厚度6 m，煤層結構簡單，采煤方法采用長壁后退式采煤法，綜合機械化放頂煤工藝，自然跨落法管理采空區頂板。該工作面主要采用高位定向長鉆孔及采空區埋管進行瓦斯抽采，但是在工作面回采的過程中，由于鉆孔設計參數、施工等問題，導致工作面瓦斯抽采效果不佳，存在回風隅角瓦斯體積分數偏高隱患，因此如何確定合理的高位定向鉆孔參數及提高工作面的瓦斯抽采率是礦井亟需解決的問題。

1.2 物理相似模型

根據王家嶺礦12302 工作面的地層情況及相似材料計算方法，建立1∶200 的走向物理相似模型，模型兩邊留設保護煤柱30 cm，高度120 cm，同時在模型上布置5 條測線監測上覆巖層的垮落情況，5 條測線分別距煤層頂板10、30、50、70、90 cm，每條測線布置24 個測點，共計布設120 個位移測點，試驗時對模型進行分步開挖，模擬工作面推進過程中上覆巖層的裂隙及垮落情況。物理相似模型如圖1。

圖1 物理相似模型測點布置圖Fig.1 Physical similar model measuring point arrangement

1.3 采動覆巖破斷及運移規律

不同推進距離下采動覆巖裂隙發育及垮落特征如圖2。

圖2 不同推進距離下覆巖裂隙演化Fig.2 Fracture evolution of overlying rock at different advancing distances

由圖2 可以看出：工作面推進至50 m 時，采空區覆巖基本頂發生初次來壓垮落，覆巖出現了少量的離層裂隙和破斷裂隙，覆巖垮落最大高度距煤層頂板12 m；當工作面推進至80 m 時，采空區覆巖基本頂第1 次周期來壓，來壓步距為30 m，此時上覆巖層進一步垮落，離層裂隙和破斷裂隙逐漸增多，垮落最大高度增加至20 m 左右；隨著工作面的繼續推進并經歷了幾次周期來壓后，覆巖的裂隙和垮落特征更加明顯，當工作面推進至170 m 時，上覆巖層形成了明顯的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，此時垮落高度約25 m 左右，裂隙發育高度達60 m；當工作面推進至360 m 時，覆巖經歷了第12 次周期來壓，采空區覆巖中部形成了明顯的壓實區，兩側裂隙較為發育，卸壓瓦斯在自身密度和風流的動力下，升浮至此區域，形成了瓦斯富集區，通過對模型的測量，得出瓦斯富集區主要集中在距進、回風巷20～50 m，煤層頂板以上25～50 m 范圍內。

煤層開采后上覆巖層5 條測線的垂直位移變化曲線圖3。

由圖3 可以看出，測線1 至測線5 覆巖的的下沉量和下沉范圍和逐漸增大，其中測線1 的最大下沉量為1.94 m，下沉量和下沉范圍小，測線2 至測線4 的下沉量分別為2.96、3.2、3.4 m，下沉量和下沉范圍較為接近，測線5 的下沉范圍最寬且最大下沉量達5.4 m，接近煤層厚度，表明測線5 位于煤層頂板采空區的冒落帶內，測線2～測線4 位于煤層頂板采空區的裂隙帶內，測線1 位于煤層頂板采空區的彎曲下沉帶內，得出垮落帶高度為28.2 m，裂隙帶高度為118.6 m。

圖3 上覆巖層測點下沉量Fig.3 Subsidence of overlying strata

2 高位定向鉆孔優勢布置劃分及定量關系

2.1 鉆孔優勢層位/平距總體劃分

根據王家嶺礦采煤工作面的高位定向鉆孔實際抽采情況，篩選出鉆場內抽采純量較好的鉆孔，得出的抽采純量與優勢層位/平距關系如圖4。

圖4 抽采純量與優勢層位/平距關系Fig.4 Relationship between extraction scalar and dominant horizon/horizontal distance

由圖4 可知，抽采純量較好的鉆孔的層位分布范圍較寬，在0～10 m 范圍內，鉆孔的抽采效果一般，最大抽采純量不超過0.75 m3/min，而在20～45 m范圍內的鉆孔抽采純量較高，抽采純量最大可超過2 m3/min，且絕大部分抽采純量搞的鉆孔的層位均分布在20～45 m 范圍內；抽采純量較好鉆孔的平距分布范圍較層位大，在平距15 m 以內，鉆孔的抽采純量最高不超過0.6 m3/min，大部分抽采效果較好的鉆孔的平距在15～55 m 范圍內。

2.2 鉆孔優勢層位/平距定量關系

工作面的日推進速度對覆巖的垮落及裂隙發育有著很大的影響，由于工作面的速度不同，上覆巖層的垮落及裂隙發育情況不同，因此可以根據工作面的推進速度來劃分抽采效果好的鉆孔的優勢層位和平距，根據王家嶺礦日推進情況，分別篩選出日推進距離＜4、4～8、＞8 m 時抽采效果較好的鉆孔層位和平距，并對鉆孔層位和平距的關系進行擬合，不同日推進速度下的鉆孔抽采純量與鉆孔層位關系如圖5，不同日推進速度下的鉆孔抽采純量與平距關系如圖6，鉆孔的優勢層位/平距及其定量關系見表1。

表1 不同日推進距離下鉆孔優勢層位/平距Table 1 Dominant horizons/distances of boreholes under different advancing speeds

圖5 不同推進速度下鉆孔抽采純量與層位關系Fig.5 Relationship between extraction effect and horizon at different advancing speeds

圖6 不同推進速度下鉆孔抽采純量與平距關系Fig.6 Relationship between extraction effect and horizontal distance at different advancing speeds

由圖5 和圖6 及表1 可知，不同日推進距離下抽采效果較好鉆孔的優勢層位、平距不同，整體上呈現隨著日推進距離的增大，鉆孔的優勢層位和平距逐漸增大。不同日推進距離下的優勢鉆孔層位和平距符合一次線性方程y=ax±b，且擬合效果較好，R2均在0.6 以上，表明日推進距離與鉆孔優勢層位和平距具有較強的相關性。

3 考慮推進速度的高位定向鉆孔優化

王家嶺礦12302 工作面1 月1 日至4 月25 日的日推進距離如圖7。

圖7 12302 工作面日推進距離Fig.7 12302 working face daily advancing distance

由圖7 可知，115 d 統計期間內，其中有12 d 未生產，日推進距離在4～8 m 之間的有75 d，占生產日的比例的73%，表明只要工作面正常推進生產，工作面的推進距離大部分都在4～8 m/d 之間，因此根據礦井近期的推進速度對工作面的高位鉆孔進行優化設計。

根據日推進距離在4～8 m 時的鉆孔優勢層位和平距定量關系，同時也考慮鉆孔分布的均勻性，在工作面8 號鉆場布置5 個鉆孔，其中8-5 鉆孔作為對比孔，其余4 個鉆孔參數均在瓦斯富集區或優勢鉆孔的層位、平距范圍內，鉆孔孔徑均為133 mm，采用兩堵一注封孔方式封孔，封孔完成后接入礦井抽采管路進行抽采，并對本次設計的鉆孔抽采效果進行考察。在施工過程中根據實際施工情況對鉆孔的參數進行微調，8 號鉆場鉆孔參數見表2，鉆孔實鉆軌跡示意如圖8。

表2 8 號鉆場鉆孔參數表Table 2 Drilling parameters of No.8 drilling site

圖8 日推進距離4～8 m/d 時的高位鉆孔實鉆示意圖Fig.8 Schematic diagrams of high-level drilling actual drilling at a daily advancement distance of 4 to 8 m/d

4 瓦斯抽采及治理效果考察

8 號鉆場的單孔瓦斯抽采純量如圖9，不同日期高位定向鉆孔的單日瓦斯抽采量及工作面瓦斯涌出量和瓦斯抽采率如圖10，高位定向鉆孔抽采期間的工作面上隅角和回風流瓦斯體積分數如圖11。

圖9 鉆孔瓦斯抽采量Fig.9 Borehole gas drainage scalar

圖10 抽采量和瓦斯涌出量及抽采率Fig.10 Drainage, gas emission volume and extraction rate

圖11 上隅角和回風流瓦斯體積分數Fig.11 Upper corner and return airflow gas concentration

由圖9 可知，各組鉆孔的抽采純量具有一定的波動性，8-1 鉆孔最大瓦斯抽采流量達3.18 m3/min，相比于鉆孔優化前其它鉆場的最大單孔瓦斯抽采純量提高了51%，8-1、8-2、8-3、8-4、8-5 鉆孔的平均瓦斯抽采純量分別為2.01、1.55、1.73、0.76、0.68 m3/min，相比于8-5 鉆孔，其余4 個鉆孔的抽采純量高，從而驗證了此方法的合理性和可行性。

由圖10 可知，高位定向鉆孔的單日瓦斯抽采量最大可達8.8 m3/min，瓦斯抽采率最大為82%，整個抽采期間平均瓦斯抽采率為68%，高位定向鉆孔的瓦斯抽采量占比較大，在控制工作面瓦斯涌出方面起到了至關重要的作用。

由圖11 可知，上隅角最大瓦斯體積分數在0.35%～0.7%之間，回風流最大瓦斯體積分數在0.11%～0.35%之間，上隅角和回風流瓦斯體積分數均在0.8%以下，達到了工作面瓦斯治理預期的目標。

5 結 語

1）隨著工作面的推進，覆巖的垮落和裂隙發育處于動態變化過程中，最終趨于穩定，通過對模型的測定，得出瓦斯富集區主要集中在距進、回風巷20～50 m，煤層頂板以上25～50 m 范圍內，覆巖垮落帶高度為28.2 m，裂隙帶高度為118.6 m。

2）不同日推進速度下鉆孔優勢層位和平距符合一次線性方程y=ax±b，隨著日推進速度的增大，直線的斜率逐漸降低，截距增大；結合瓦斯富集區的位置和工作面近期的日推進距離對工作面的高位定向孔進行了優化，抽采效果表明對比孔的抽采純量低于其余4 個鉆孔，驗證了方法的合理性和可行性。

3）考慮日推進速度的高位鉆孔實施后，最大單孔瓦斯抽采純量較其它鉆場的最大單孔瓦斯抽采純量提高了51%，整個抽采期間高位定向鉆孔的平均瓦斯抽采率為68%，在控制瓦斯涌出起到了關鍵的作用；上隅角和回風流最大瓦斯體積分數均保持在0.8%以下，能夠保證礦井的安全高效生產。