高瓦斯突出煤層底抽巷穿層鉆孔動壓瓦斯二次抽采技術及應用

李延河，翟 成，丁 熊

（1.平頂山天安煤業股份有限公司，河南平頂山 467000；2.中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司，河南平頂山 467000；3.中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州 221116）

隨著采深的增加及開采規模的增大，瓦斯壓力、地應力、采動應力等多種因素相互交織，高瓦斯礦井面臨的煤與瓦斯突出威脅愈加嚴重[1-2]。采動影響下，煤體地應力變化會導致工作面前方煤體產生破壞變形，改變煤體的孔裂隙網絡，為瓦斯的涌出和運移提供流動通道[3-6]。因此，降低工作面瓦斯體積分數，提高采動區煤層瓦斯抽采效率對煤層回采安全生產意義重大。目前研究表明，地應力重分布對煤體破壞和瓦斯抽采有著重要影響。林柏泉等[7]研究了應力集中對于煤體瓦斯分布流動的影響，提出工作面前方煤體的垂向應力方程和瓦斯流動方程；林柏泉等[8]、齊黎明等[9]通過現場測試、數值模擬，結合巖石力學和損傷力學理論，得出工作面前方煤體沿走向和傾向上的主應力變化特征，研究地應力變化對煤體滲透率影響；張建國等[10]基于煤與瓦斯突出理論分析了卸壓區寬度及其煤體穩定性，研究并試驗了卸壓區淺孔抽放技術；吳仁倫等[11-12]依據現場煤層瓦斯抽采結果，結合應力分布將工作面前方煤體分為4 個抽采區，并估算各區大致范圍；鄭吉玉等[13]在計算卸壓區寬度時考慮瓦斯壓力影響，建立卸壓區寬度求解方程并與現場實測卸壓區寬度相驗證；許江等[14]、CHEN Y 等[15]開展采動影響下工作面前方瓦斯抽采的物模試驗，研究了卸壓區和應力集中區內瓦斯滲透率變化規律和抽采效果。

傳統的底板巖巷主要用于預抽煤巷條帶瓦斯，利用率低。為此，提出了底板巖巷卸壓瓦斯二次抽采技術，通過從底板巖巷向上覆煤層施工穿層截流鉆孔，研究回采期間利用底板巖巷穿層鉆孔進行二次抽采上覆煤層受采動卸壓瓦斯。高效抽采上覆煤層的采動卸壓瓦斯的同時，既保證了工作面的安全生產，也提高了底板巖巷的利用率。現場動壓區瓦斯抽采數據表明，動壓區瓦斯二次抽采關鍵技術能夠有效提高回采期間工作面瓦斯抽采體積分數和抽采純量，可以為其他高瓦斯突出煤層瓦斯治理提供參考。

1 礦井概況

首山一礦12110 采面可采走向長1 536 m，傾斜采長260 m。煤層結構單一，煤層厚度4.01～6.50 m，平均5.3 m；煤層傾角3°～10°，平均7°。直接底板為灰色泥巖，基本底為石灰巖，夾薄層泥巖及煤線。己15-17-12110 采面位于白石山背斜南東翼，埋深大，封閉性好，瓦斯壓力大，瓦斯地質條件復雜。12110工作面最大原始瓦斯壓力為0.8 MPa，最大原始瓦斯含量為9.2 m3/t，為突出煤層，且不具備保護層開采條件。

2 工作面回采數值模擬

分析回采期間底抽巷穿層鉆孔動壓瓦斯抽采效果需要結合工作面采動影響下動壓區應力分布情況和塑性破壞規律，根據首山一礦采面布置和地質條件使用FLAC3D軟件和摩爾庫倫模型進行12110 工作面回采數值模擬。

煤巖體巖層力學參數見表1，模型尺寸為400 m×400 m×200 m。在模型四周約束法向位移，在底部約束三向位移，模型頂部距地表約800 m，施加荷載20 MPa。12110 工作面寬260 m，沿y 軸方向開采180 m，步長4 m。工作面開采前沿y 軸掘進煤巷320 m，步長4 m。

表1 巖層力學參數Table 1 Mechanics parameters of rock formation

2.1 工作面應力分布

模擬煤層回采長度為60、120、180 m，對其中煤層回采長度為120、180 m 時工作面前方150 m 范圍內的煤體地應力值變化進行分析，回采期間工作面前方應力分布如圖1。

圖1 回采期間工作面前方應力分布Fig.1 Stress distribution in front of the working face during mining

當煤層回采長度為120、180 m 時，煤體垂直峰值應力分別為64.1、67.2 MPa，應力集中系數K 為2.8～3.0。隨著回采長度的增加，應力峰值和應力集中系數都逐漸增大并趨于穩定。工作面回采過程中，x、y、z 向應力峰值點分別位于回采工作面前方9、12、9 m 處，卸壓區分別在工作面前方3～4 、5～6、3～4 m 范圍內。在地應力變化影響煤層滲透率過程中，垂直應力占主導地位。以應力峰值點為邊界可以將工作面前方煤體劃分為峰前加載和峰后卸載階段。峰后卸載階段在工作面前方0～9 m，在此范圍內煤體破壞，擴容膨脹，裂隙貫穿發展，滲透率逐漸增大。在峰后卸載階段后期即卸壓區內，即工作面前方3～4 m，會出現松動破裂區域，煤層透氣性系數急劇增大。

由于煤層埋深約為900 m，屬于σHv型構造應力場，初始y 向水平應力大于垂直應力。峰前加載階段垂直應力加載速率遠大于水平應力，當煤層回采長度為120、180 m 時，在工作面前方55～65 m 處垂直應力由中間主應力轉變為最大主應力，會對煤體破壞和滲透率變化產生影響。

2.2 工作面前方塑性區分布

當工作面回采至60、120、180 m 時，工作面前方塑性破壞范圍均為0～7 m。回采長度為180 m 時煤層傾向中部工作面前方塑性區分布如圖2。

圖2 回采180 m 工作面前方塑性區分布Fig.2 Distribution of plastic zone in front of the workface at mining 180 m

結合應力分布數據可知工作面塑性破壞范圍與垂直應力峰后卸載區域基本重合，表明垂直應力在工作面前方煤體破壞和滲透率變化過程中起主導作用，在塑性破壞區內煤體破裂，原生裂隙和新生裂隙相互貫通，有利于煤層瓦斯抽采。

3 底抽巷穿層鉆孔動壓瓦斯二次抽采技術

3.1 動壓瓦斯抽采范圍

根據數值模擬結果，工作面前方塑性破壞區約為7～9 m 范圍內，卸壓區寬度約為3～4 m 范圍內，主要應力集中區位于卸壓區至工作面前方35～65 m處，集中應力影響區位于工作面前方35～65 m 以遠。回采期間初始動壓瓦斯抽采范圍為工作面前方0～100 m，包括塑性破壞區、卸壓區和應力集中區。

3.2 動壓區瓦斯二次抽采方案

為提高底板巖巷利用率，有效地解決抽采采動影響下回采工作面瓦斯涌出問題，提出底抽巷穿層鉆孔二次抽采動壓瓦斯技術，在12110 采面回采期間利用中抽巷進行工作面前方煤體動壓瓦斯二次抽采，實現底板瓦斯抽采巷道的“一巷多用”。在中抽巷敷設2 趟抽采管路，提高抽采負壓，分別用于穿層鉆孔預抽回采區域瓦斯和穿層鉆孔二次抽采采動卸壓區瓦斯，動壓區瓦斯二次抽采如圖3。

圖3 動壓區瓦斯二次抽采Fig.3 Secondary extraction of gas in dynamic pressure zone

利用12110 中抽巷對應采面切眼向外100 m 范圍內原施工穿層鉆孔（水力沖孔）敷設專用抽采管路加強動壓區抽采。穿層鉆孔設計如下：從停采線外20 m 開始，在12110 中抽巷向煤層施工穿層鉆孔，每組鉆孔14 個，單雙號分排施工。在中抽巷中鉆孔起始組間距6.4 m，排間距3.2 m，后期在每組鉆孔中間施工加密鉆孔5 個用以加強動壓區抽采，抽采回采工作面中抽巷向外80 m 范圍全部煤體區域。中抽巷頂板穿層鉆孔俯視圖如圖4。

圖4 中抽巷頂板穿層鉆孔俯視圖Fig.4 Top view of crossing boreholes in the middle gas extraction roadway

4 現場應用效果

4.1 鉆孔瓦斯體積分數檢測

動壓區抽采鉆孔瓦斯體積分數檢測在12110 中抽巷進行。檢測工作面前方100 m 范圍內每組動壓抽采鉆孔編號為1#～12#的12 個鉆孔，共進行3 次體積分數檢測，鉆孔瓦斯體積分數變化如圖5。

圖5 工作面前方鉆孔瓦斯體積分數Fig.5 Gas concentration of boreholes in front of the working face

由圖5（a）可以看出：在工作面前方100 m 內的鉆孔瓦斯抽采體積分數發生了明顯的變化；在距離工作面較近的位置，鉆孔瓦斯體積分數較高，隨著遠離工作面，瓦斯體積分數呈現下降的趨勢；在15 組鉆孔中，位于工作面前方6.4～12.8 m 的103 組鉆孔平均體積分數最高，結合工作面前方塑性破壞區分布范圍，由于煤體破壞，裂隙貫通，煤體透氣性增加。而104 組鉆孔由于受采動影響較大，煤體破壞嚴重，導致鉆孔漏風，瓦斯體積分數降低；工作面前方20 m 內鉆孔瓦斯平均體積分數均超過了20%，而在距離工作面較遠區域，96～90 組處于原始應力區，瓦斯抽采體積分數穩定且較低，普遍低于10%。

由圖5（b）可以看出：二次體積分數檢測鉆孔為88～102 組的3#、4#、9#、10#鉆孔。與一次檢測相似，鉆孔瓦斯體積分數由于距離工作工作面長度不同而差異較大。距離工作面最近的102 組瓦斯體積分數與一次檢測相比更低，4#、10#瓦斯體積分數已低于20%；瓦斯體積分數在第101 組時達到最大值，10#鉆孔瓦斯體積分數超過50%；20 m 內鉆孔平均瓦斯體積分數也超過了20%，在20～50 m 范圍內瓦斯體積分數處于波動下降階段并趨于穩定。

由圖5（c）可以看出：三次瓦斯體積分數檢測鉆孔為85～99 組的5#、～8#鉆孔，在工作面前方20 m內鉆孔瓦斯抽采濃度較高，隨著與工作面距離變大，瓦斯抽采體積分數逐漸降低至5%左右。

根據鉆孔瓦斯體積分數的變化，可以將采面前方動壓區在走向上劃分為3 個區域：第1 個區域為工作面前方20 m 范圍內的瓦斯高效抽采區，此區域煤體擴容破碎，裂隙發育貫通，瓦斯易于流動，在靠近工作面的位置煤體瓦斯在采面風流的影響下從裂隙中逸散，所以鉆孔瓦斯體積分數相對較低；距離采面稍遠的位置，解吸至裂隙中瓦斯受到采面風流的影響較小，大部分瓦斯由抽采鉆孔抽出，抽采瓦斯體積分數相對較大；第2 個區域為瓦斯有效抽采區，煤體處于應力集中區，瓦斯抽采體積分數隨著與工作面距離增加而波動降低。 距離工作面較遠的邊界大約為50～60 m，根據工作面前方主應力變化分析可知，此邊界與最大主應力轉變邊界相似，所以垂直主應力的大幅度增加從而變成最大主應力是導致瓦斯抽采體積分數增加的原因之一；第3 個區域為50～60 m 以遠的原始抽采區，在這個范圍內的鉆孔瓦斯體積分數基本穩定在10%以下，煤體處于原始應力區或者應力集中程度很小，不受采動影響或者所受影響較小。

4.2 動壓區月瓦斯抽采量

動壓區瓦斯抽采從2020 年2 月開始實施，12110 采面中抽巷瓦斯抽采月抽采量見表2。

表2 中抽巷瓦斯抽采月抽采量Table 2 Monthly gas extraction volume of the middle gas extraction roadway

2 月動壓區抽采鉆孔數量為非動壓區穿層抽采鉆孔數量的6.857%，共抽采65 768 m3瓦斯，為非動壓區抽采穿層鉆孔當月抽采量的48.87%；3 月動壓區抽采鉆孔數量為非動壓區穿層抽采鉆孔數量的5.486%，共抽采55 763 m3瓦斯，為非動壓區穿層抽采鉆孔當月抽采量的31.68%；4 月動壓區抽采鉆孔數量為非動壓區穿層抽采鉆孔數量的9.05%，共抽采155 690 m3瓦斯，為非動壓區穿層抽采鉆孔當月抽采量的74.01%。利用中抽巷進行采動區瓦斯二次抽采效果顯著，能夠有效保障采面的安全高效生產。

5 結 語

1）垂直應力峰后卸載階段和塑性破壞區域均在工作面前方7～9 m 之內，表明垂直應力在工作面前方煤體破壞過程中起主導作用，在此范圍內煤體擴容膨脹破壞，裂隙貫穿發育，滲透率逐漸增大，有利于煤層瓦斯抽采。

2）根據現場瓦斯體積分數監測將工作面前方煤體分為高效抽采區、有效抽采區和原始抽采區。高效抽采區在工作面前方20 m 以內，平均瓦斯抽采體積分數為30%以上。有效抽采區瓦斯抽采受到動壓影響，瓦斯抽采體積分數隨著與工作面距離增大而波動下降。原始抽采區范圍為50～60 m 以遠，鉆孔瓦斯體積分數基本穩定在10%以下，受采動影響較小。有效抽采區與原始抽采區邊界在最大主應力轉變區域，垂直應力由中間主應力轉變為最大主應力，會對煤體破壞和滲透率變化產生影響。

3）高瓦斯突出煤層底抽巷穿層鉆孔動壓瓦斯二次抽采技術在12110 工作面中抽巷應用效果較好，動壓區抽采鉆孔數量很少，為非動壓區抽采鉆孔數量的5%～10%，但動壓區月抽采量最高可達到非動壓區月抽采量的74.01%。實現充分利用中抽巷實現回采過程中采動區瓦斯二次高效抽采，降低工作面瓦斯體積分數。