大直徑頂板定向高孔綜合排水技術(shù)

李海濤

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司古城煤礦，山西 長治 046100）

在煤礦開采過程中，煤層已經(jīng)在開采過程中受到破壞。殘余吸附氣轉(zhuǎn)化為游離氣，沖進(jìn)巷道。頂板、底板和圍巖的游離氣體也會匯聚到開采空間。這種現(xiàn)象在采礦業(yè)中非常普遍。煤層頂板巖層由于該水平以下的煤已開采而失去重力支撐。在這種情況下，屋頂會出現(xiàn)近100 m 的裂縫。屋頂造成的沖擊遠(yuǎn)大于地板的沖擊。因此，在“礦井瓦斯涌出率預(yù)測方法”中，將圍巖瓦斯突出作為瓦斯突出的主要來源之一。而且，這種瓦斯沖擊會影響上煤層100 m 左右的區(qū)域[1-4]。定向高孔定位并不總是準(zhǔn)確，再加上定向高孔直徑小，可能會坍塌，排水效果相當(dāng)有限，對抽采效率和抽采效果產(chǎn)生不利影響。這也是許多煤礦無法消除瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)事故的原因。為了解決這一問題，許多礦山采用了性能較好的RER[5-6]。

本文提出了一種超大直徑頂板定向高孔技術(shù)（SDBR）來替代傳統(tǒng)的RER 法。無線測量系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)超大直徑、超長距離定向高孔的同時(shí)，增加了定向高孔的影響范圍，實(shí)現(xiàn)了對鉆深的精確定位。采用大直徑篩管保護(hù)定向高孔全長，實(shí)現(xiàn)高效排水，保證工作面高產(chǎn)高效。該方法可以適應(yīng)不同的情景，可以大大提高經(jīng)濟(jì)和環(huán)境績效，從而保證煤礦的綜合效益。

1 頂板超大直徑定向高孔

定向高孔的定位是指定向高孔到回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)的水平距離和定向高孔到煤層頂板的垂直距離。合理的定位可以保證瓦斯抽放的連續(xù)高效。在開采過程中，采空區(qū)上方巖石的狀態(tài)和應(yīng)力會發(fā)生變化，從而形成崩落破碎帶。在崩落帶中，巖石發(fā)生一起破落，卸應(yīng)力效果明顯，部分巖石出現(xiàn)拉應(yīng)力。在裂隙帶中，巖石可以保持完整，但由于應(yīng)力作用，裂隙的大小和滲透率大大增加，通風(fēng)能力相應(yīng)提高。從完整性、卸應(yīng)力效果、裂縫發(fā)育等方面來看，定向高孔的合理定位在裂縫發(fā)育帶，瓦斯較為豐富。FLAC3D 軟件被廣泛應(yīng)用于分析回采過程中工作面應(yīng)力場的變化。利用該軟件可以對采空區(qū)上方巖層在開采后的應(yīng)力釋放狀態(tài)進(jìn)行研究，從而進(jìn)一步確定裂隙帶的范圍和定向高孔的合理位置。

1.1 模型設(shè)置

根據(jù)某煤礦的地質(zhì)條件，建立了長壁法開采的地質(zhì)模型。模型的長、寬、高分別為500 m、480 m、150 m。該煤礦地應(yīng)力梯度約為0.025 MPa/m。考慮到模型頂部在地表以下約550 m 處，在模型頂部加載了13.75 MPa的壓應(yīng)力作為地應(yīng)力。與此同時(shí)，滾動(dòng)邊界和固定邊界分別在另一側(cè)和底面加載。圖1 為模型的綜合直方圖和網(wǎng)格方法。該模型是根據(jù)南水北調(diào)1308 長壁工作面建立的。煤層開采寬度為220 m，x 方向?yàn)?30～350 m；長度為200m，y 向長度為150～350m；采動(dòng)高度4.7 m，z 向0～4.7 m。應(yīng)力分析選取的剖面位于垂直于開采方向（y 方向）的y=225 m 處。利用FLAC3D 軟件記錄A 區(qū)（采空區(qū)上方0～80 m）采前、采后的巖體應(yīng)力。該軟件對每挖掘2 m 的長度迭代250 步。根據(jù)趙莊煤礦取心定向高孔典型試驗(yàn)值，巖體參數(shù)見表1。

表1 巖體性質(zhì)在FLAC3D 軟件中的應(yīng)用

圖1 三維幾何模型計(jì)算

1.2 仿真結(jié)果分析

卸荷瓦斯流動(dòng)受巖體滲透性的影響，而巖體滲透性又受裂縫的閉合和打開的影響。裂紋的開閉受正應(yīng)力的影響較大。單個(gè)裂縫的無因次滲透率Kt為：

式中：σn0為初始法向應(yīng)力；Kf為單個(gè)裂紋的無因次滲透率；σn/σn0為初始法向應(yīng)力的倍數(shù)。

在式（1）中，裂縫正應(yīng)力比減小，滲透率顯著增加。采前、采后工作面A 區(qū)巖石沿坐標(biāo)軸的應(yīng)力比如圖1 所示。水平應(yīng)力比（σx/σx0和σy/σy0）和垂直應(yīng)力比（σz/σz0）結(jié)果表明，采空區(qū)上方主應(yīng)力的解除范圍（即應(yīng)力比小于1）分別位于z 坐標(biāo)4.7～55 m 和x坐標(biāo)150～330 m 范圍內(nèi)。在z=4.7～28 m 區(qū)域，特別是采空區(qū)中部巖層，由于裂隙的出現(xiàn)，水平方向出現(xiàn)拉應(yīng)力，該區(qū)域?qū)儆诒缆鋷АＴ趜=28～55 m 范圍內(nèi)，隨著正應(yīng)力的解除，巖石裂縫寬度增大，導(dǎo)致滲透率增加，氣體聚集，使該區(qū)域成為裂縫發(fā)育區(qū)。因此，定向高孔應(yīng)靠近裂縫帶上部，以更好地提取高濃度瓦斯。綜上所述，認(rèn)為合理的定向高孔位置在55～60 m 范圍內(nèi)。以煤層頂板為參考平面，煤層厚度為4.7 m，定向高孔應(yīng)合理布置在頂板上方50～55m 范圍內(nèi)（如圖2 所示）。

圖2 A 區(qū)巖體開采前后的應(yīng)力比

圖3 顯示了巖石應(yīng)力比沿軸方向50 m 和55 m處煤層上方屋頂?shù)淖兓厔荩@表明定向高孔位置越靠近上部巖石破碎區(qū)，減壓的效果會越差，特別是水平應(yīng)力的卸壓效果。此處巖石的降壓作用不足以支撐采空區(qū)瓦斯向上運(yùn)移，瓦斯在裂隙帶上緣聚集。在煤層頂板上方55 m 處，平均水平應(yīng)力比為0.72。從水平降壓效果來看，在煤層頂板上方50～55 m 處定向高孔是合理的。垂直應(yīng)力比反映了垂直裂縫的大小和水平裂縫中的氣體流動(dòng)性。在50 m 和55 m處，巖石的垂直應(yīng)力比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水平應(yīng)力比，說明在該區(qū)域內(nèi)，同一高度下，對水平裂縫的增強(qiáng)作用更為顯著。因此，受采空區(qū)風(fēng)的影響，瓦斯更容易聚集在回風(fēng)氣道的一側(cè)。在回風(fēng)巷道工作面附近設(shè)置定向高孔有利于提高瓦斯抽放效率。它們分別離巷道內(nèi)側(cè)5 m 和20 m。定向高孔應(yīng)在回流氣道的一側(cè)，因?yàn)槟抢锏臍怏w密度較高，但要注意應(yīng)力集中，這可能會對抽采性能產(chǎn)生不利影響。綜上所述，定向高孔應(yīng)設(shè)計(jì)在距離回風(fēng)道內(nèi)側(cè)20～25 m 的水平方向上。

圖3 煤層頂板以上50 m 和55 m 巖體軸向應(yīng)力比值

2 結(jié)論

本文提出了另一種瓦斯治理方法，利用應(yīng)力—滲透關(guān)系模型和數(shù)值模擬，確定了定向高孔到工作面的水平距離和到頂板的垂直距離。同時(shí)，在某煤礦相同地質(zhì)、氣候條件下，對相鄰三個(gè)工作面進(jìn)行了試驗(yàn)，確定了同一時(shí)期的日累計(jì)回采量。結(jié)果表明，當(dāng)SDBR 垂直距離煤層頂板50～55 m，水平距離回風(fēng)巷20～25 m 時(shí)，提取效果最佳。因此，SDBR 可以替代傳統(tǒng)的RER 法。