基于主應力位移判別法的高位定向長鉆孔布置層位分析及應用*

竇成義，李建華，杜豪豪，李慶釗

(1.陜西彬長大佛寺礦業有限公司，陜西 咸陽 712000；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

當前國內許多礦井針對厚煤層廣泛采用綜放開采方法，開采期間本煤層、鄰近層的瓦斯會大量涌入工作面，因此綜放工作面瓦斯治理是保證礦井安全生產的重要前提。綜放工作面瓦斯治理常采用高抽巷的方法，但高抽巷的施工需要大量的人員，成本高且存在一定的安全隱患。近年來高位定向長鉆孔逐漸取代高抽巷應用到瓦斯治理中，為治理工作面瓦斯超限提供了新的方法。

煤層采動條件下上覆巖層會出現垮落、裂隙等破壞現象，形成覆巖“三帶”，成為瓦斯運移的有效通道[12]，判定覆巖三帶高度有利于采空區瓦斯的精準高效抽采。針對采動引起的上覆巖層裂隙帶分布特征，學者們[36]提出“○”型圈分布、橢拋帶分布、環形裂隙圈等理論或模型。李樹剛等[7]基于微震監測技術準確探測采空區高位裂隙帶瓦斯富集區域的空間位置。陳龍等[8]基于相似實驗分析了煤層開采后上覆巖層的垮落特征及位移，確定了覆巖三帶高度分布特征。魏有勝、張杰等[912]通過數值模擬與相似實驗相結合的方法確定覆巖三帶高度分布特征。胡良平等[13]通過現場頂板定向鉆孔抽采瓦斯效果分析了其與高抽巷的優勢。龔選平等[14]基于相似實驗、數值模擬及現場監測方法確定瓦斯富集區域位于距回風巷25～55 m、高度距煤層頂板25～50 m范圍內。

以往研究對于高位鉆孔的布置層位確定方面取得了豐碩的成果，但厚煤層覆巖演化規律較為復雜，綜放開采條件下瓦斯涌出量較大，如何精準地對涌出的瓦斯進行抽采是當前研究的難點。在前人的研究基礎上采用高位定向長鉆孔取消高抽巷治理采空區卸壓瓦斯，而高位鉆孔層位的合理布置是精準高效抽采瓦斯的關鍵，因此首先利用FLAC對厚煤層覆巖三帶高度的分布特征進行了模擬計算，提出了覆巖三帶高度的判別方法，設計了試驗工作面鉆孔布置方案并在現場進行了應用，研究結果可為相似開采條件下的采空區卸壓瓦斯的治理提供一定借鑒。

1 大佛寺煤礦40204工作面模擬方案

1.1 工程概況

大佛寺40204工作面是在402采區南翼布置的第2個綜放工作面，工作面走向長1 875 m，傾向長220 m，可采長度1 725 m，煤層埋深520.0～595.0 m，煤層傾角較小。煤層平均厚度11.8 m，可采厚度10.8 m，計劃割煤高度3.4 m，放煤高度7.4 m。根據瓦斯涌出量預測結果，40204工作面絕對瓦斯涌出量為53.54 m3/min。

1.2 物理模型的建立

根據工作面煤層地質資料建立數值計算模型，模擬范圍400 m×400 m×150 m(長×寬×高)，走向方向模擬工作面走向推進200 m，傾向推進220 m，為消除邊界效應，兩端各留煤柱90 m，物理模型如圖1所示。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

1.3 模型初始及邊界條件

根據試驗工作面地質鉆孔柱狀圖及煤巖層物理力學參數(表1)，賦予各巖層參數。巖層主要由砂巖、砂質泥巖組成，屬于彈塑性材料，計算采用摩爾庫侖屈服準則。頂部邊界施加等效載荷11.4 MPa，為防止滑移，模型底部及兩邊均設置為速度v=0固定邊界。

表1 巖層力學參數

2 覆巖“三帶”高度判別方法

2.1 覆巖“三帶”高度主應力判據

煤層在開采后，上覆巖層受采動影響會發生不同程度的破壞，垂直方向上主應力的大小分為壓應力區、雙向拉應力區、拉壓應力區。巖石的抗拉強度遠遠小于其抗壓強度，當巖石處于雙向拉應力區時，巖石破碎程度較大，巖石主要受拉伸破壞與剪切破壞產生大量破碎較嚴重的裂隙，此區域可認為是冒落帶。巖石處于拉壓應力區時，該范圍內的巖石水平方向受拉伸破壞，垂直方向受壓，一定程度上會降低巖石的拉伸破壞程度，剪切作用減小，垂直于拉應力方向上會產生明顯裂隙，但巖石不會完全破碎，此區域可認為是裂隙發育明顯的裂隙帶。巖石處于壓應力區時，巖石抗壓程度較高，幾乎不會產生明顯破壞的裂隙，此區域可認為是彎曲下沉帶。

定義最大主應力為σ1、最小主應力為σ3，拉應力為正值，壓應力為負值，則其區域內巖石受到的主應力定義如下：①冒落帶σ1>0，σ3>0；②裂隙發育明顯的裂隙帶σ1>0，σ3<0；③彎曲下沉帶σ1<0，σ3<0。

2.2 覆巖“三帶”高度位移判據

煤層在開采過程中會導致上部巖層發生不同程度的下沉，距離開采區域較近的頂板會直接垮落，距離開采影響區域較遠的巖層會出現不同程度的裂隙，下沉量也有所不同，因此可根據不同層位下沉量不同的特點來判別覆巖三帶邊界位置。采空區覆巖垂直位移與頂板垂直距離之間的變化規律[15]為

(1)

式中，u1為距頂板無限遠時位移系數，m；A1為采空區頂板覆巖最大位移系數，m；k1為覆巖位移隨距頂板距離衰減系數，m。

采空區覆巖垂直位移變化隨距頂板高度增大而減小，垂直位移變化衰減快慢程度可用位移梯度表示，定義位移梯度v為

(2)

由式(1)(2)可得采空區覆巖垂直位移梯度v為

(3)

系數[15]分別取為A1=-0.082、k1= 88.320。

2.3 覆巖三帶高度判別結果

根據不同區域巖石破壞程度不同作為覆巖三帶分布范圍劃分的判據。監測巖層某一點的應力變化及破壞特征來表征此處巖石所處區域，可判斷三帶分布邊界。工作面推進200 m時上覆巖層最大和最小主應力的分布云圖，如圖2所示。可以發現上覆巖層最大主應力、最小主應力在工作面兩端呈對稱分布，由此測點布置在開采區域的正中間，即測點隨推進距離不斷發生變化，確保測點始終處于開采區域的正中間，各測點在煤層頂板上方不同位置處分布，在最大、最小主應力正負交界處分布較為密集，主應力測點的分布情況如圖3所示。工作面推進200 m時距煤層頂板不同位置處測點的最大、最小主應力如圖4所示，根據主應力判別法確定冒落帶的高度最大為17.5 m，裂隙發育明顯的裂隙帶高度為52.5 m。

圖2 上覆巖層主應力分布Fig.2 Principal stress distributions of the overlying rock strata

圖3 主應力測線監測Fig.3 Principal stress measurement line monitoring

圖4 覆巖主應力變化曲線Fig.4 Principal stress change curve of the overlying rock

由模擬位移結果可知，模型中間位置的覆巖位移變化最為顯著，垂直位移值最大，位移梯度最小，三帶發育最完全，由此選擇此位置的三帶高度可反映上覆巖層三帶特征，工作面推進200 m時模型中間位置剖面的上覆巖層下沉位移量，如圖5所示。

圖5 上覆巖層下沉量Fig.5 Subsidence of overlying rock strata

采空區“三帶”的位移梯度不同，由此可根據位移梯度大小來判別“三帶”高度。在模型中布置測線監測各距頂板不同高度處的巖層下沉量，測線1至測線7分別距煤層頂板10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、80 m，如圖6所示。工作面推進200 m時7條測線所在巖層的下沉量如圖7所示。測線1、2的下沉位移量最大，且范圍最寬；測線3、4、5、6下沉位移量居中；測線7的下沉位移量最小，且下沉位移的變化范圍最窄，由此判斷冒落帶高度在10～20 m之間，裂隙發育明顯的裂隙帶高度在20～60 m之間。進入彎曲下沉帶覆巖位移梯度約為冒落帶的0.38～0.52倍，以彎曲下沉帶位移梯度為冒落帶位移梯度的0.4倍為依據，可判斷裂隙帶與彎曲下沉帶的分界線，結合式(3)可得裂隙帶最大高度為98 m。

圖6 巖層位移監測測線分布Fig.6 Distribution of measurement lines for rock formation displacement monitoring

圖7 上覆巖層測線下沉量Fig.7 Subsidence of overlying rock measurement line

3 現場應用

3.1 高位鉆孔施工層位布置

基于數值計算結果確定冒落帶最大高度為17.5 m，裂隙帶最大高度為52.5 m，表明在距工作面頂板10～50 m范圍內，裂隙較為發育。結合地質柱狀圖，設計在高中低位3個層位進行鉆孔布置，其中低層位鉆孔終孔距煤層頂板16～20 m，中層位鉆孔終孔距頂板24～30 m，高層位鉆孔終孔距頂板32～36 m，位于裂隙帶下部，為了使抽采孔結構穩定，3個層位的鉆孔均布置于細質砂巖中，鉆孔布置層位如圖8所示。

圖8 鉆孔施工層位布置Fig.8 Layout of drilling construction layer

定向高位鉆孔距回風巷的水平投影距離(平距)L應大于H/tanα(H為定向鉆孔距煤層垂直高度，α為頂板與巖石卸壓角，取60°)以保證定向鉆孔處于充分卸壓后的裂隙帶范圍內，由裂隙帶的垂直高度范圍為17.5～52.5 m，平距L大致范圍為10.1～30.6 m，取平均值20.4 m，最終確定高位定向長鉆孔與回風巷的內錯距離S應該大于20.4 m，設計鉆孔平面布置內錯回風巷25～45 m，在4號煤層頂板以上高低位交叉布置。

3.2 高位鉆孔瓦斯抽采效果

各層位鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線，如圖9所示。從鉆孔終孔距回風巷不同位置處的瓦斯抽采效果上分析：低層位1#、2#鉆孔平均抽采流量分別為0.51 m3/min、0.88 m3/min，中層位3#、4#鉆孔平均抽采流量分別為0.73 m3/min、0.83 m3/min，高層位5#、6#鉆孔平均抽采瓦斯流量分別為1.26 m3/min、1.85 m3/min。2#、4#、6#鉆孔的平均瓦斯抽采純量均比1#、3#、5#鉆孔的平均抽采量要大，表明在25～45 m范圍內鉆孔距回風巷的距離越遠，鉆孔抽采瓦斯純量越大，抽采效果越好。

圖9 各層位鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線Fig.9 Variation curve of gas extraction scalar quantity in drilling at each layer

從鉆孔垂直高度布置層位上分析：高層位鉆孔瓦斯抽采量最大，平均為1.5 m3/min，中層位鉆孔次之，平均為0.78 m3/min，低層位鉆孔最小，平均為0.7 m3/min，表明在距頂板垂向16～36 m范圍內的布置層位上，鉆孔的層位越高，瓦斯抽采量越高，抽采效果越好。

試驗期間高位鉆場瓦斯抽采整體效果如圖10所示，工作面、回風流及上隅角瓦斯體積分數變化曲線如圖11所示。由圖10可知，高位鉆場瓦斯抽采量約占瓦斯涌出量的35%。高位鉆場瓦斯平均抽采率維持在46.5%，最大抽采率65%，瓦斯抽采效果良好，達到預期高位鉆孔抽采瓦斯占比。由圖11可知，工作面推進過程中，工作面、回風流、上隅角的平均瓦斯體積分數分別為0.23%、0.25%、0.28%，工作面、回風流、上隅角瓦斯體積分數遠低于安全規定的1%，能夠確保工作面的安全生產。

圖10 高位鉆場瓦斯抽采整體效果Fig.10 Overall effect of gas extraction at high-level drilling sites

圖11 工作面、回風流及上隅角瓦斯體積分數Fig.11 Working face，return air flow and upper corner gas volume fraction

4 結論

(1)基于主應力位移判據的數值模擬結果綜合確定冒落帶高度為17.5 m，裂隙帶高度為52.5 m，基于“兩帶”高度確定了高位鉆孔的布置層位，現場抽采結果效果顯著，表明了基于主應力-位移判據可以較準確地確定高位鉆孔的布置層位。

(2)高位鉆場瓦斯平均抽采率為46.5%，基本達到預期抽采效果。高層位鉆孔瓦斯平均抽采量1.5 m3/min，中層位鉆孔瓦斯平均抽采量0.78 m3/min，低層位鉆孔瓦斯平均抽采量0.7 m3/min，在距頂板垂向16～36 m范圍內的布置層位上，鉆孔的層位越高，瓦斯抽采量越大，抽采效果越好，在25～45 m范圍內鉆孔距回風巷的距離越遠，鉆孔抽采瓦斯純量越大，抽采效果越好。

(3)工作面推進過程中工作面、回風流、上隅角的平均瓦斯體積分數分別為0.23%、0.25%、0.28%，遠低于安全規定的1%，可以確保工作面的安全生產。