基于采動覆巖三維裂隙場演化規律的地面L型鉆井瓦斯抽采技術*

張小龍，王 飛，劉紅威,3，高瑞青,高亞斌，李子文，賀志宏，劉振明，郝亞兵

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.山西煤礦安全研究生教育創新中心,山西 太原 030024;3.伍倫貢大學 土木、采礦與環境工程學院，澳大利亞 新南威爾士州 2500；4.西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030000)

0 引言

當前，隨著地層淺部煤炭資源的開采殆盡，我國煤炭資源的開采逐步向深部轉移，深部開采帶來的高地應力、高瓦斯壓力使得礦井開采難度增加[1-2]。目前，針對礦井瓦斯災害防治的瓦斯抽采方式包括：高位鉆孔抽采[3-4]、高抽巷抽采[5-6]、采空區埋管[7]和地面鉆井抽采[8]等。

地面鉆井通過對煤層的卸壓進而對煤層瓦斯進行預抽，使得煤層瓦斯的壓力降低，進而消除瓦斯災害，同時，地面鉆井還可以對采空區瓦斯進行抽采以減少采空區瓦斯涌出、上隅角瓦斯和工作面回風巷瓦斯濃度超限的問題[9-10]。目前，我國大部分礦井采用的都是地面垂直井，存在施工量大、前期投資高和瓦斯抽采效果不理想等問題。劉愷德等[11]提出的采動區綜采工作面地面L型鉆井瓦斯抽采技術，結合 “地面鉆井”和“井下水平井”等技術優勢，達到了較好的瓦斯抽采和治理效果。目前針對地面L型鉆井的研究，是通過理論分析、公式計算、相似模擬和數值模擬來確定鉆井孔位的布置方式，并通過相應的工程實踐取得了不錯的效果。

基于地面L型抽采鉆井對礦井瓦斯治理的突出效果,提出基于覆巖采動裂隙的地面“L”型鉆井瓦斯抽采技術，開展地面“L”型鉆井提高瓦斯抽采效率的理論和實踐研究。運用PFC3D顆粒流離散元數值模擬軟件，模擬出覆巖采動影響下的覆巖結構、裂隙和孔隙率的變化[12]，得到鉆井布置位置，并且進行工程實踐驗證。

1 采動覆巖三維裂隙場演化規律數值模擬

采用PFC3D顆粒流離散元數值模擬軟件，對屯蘭礦12507工作面Ⅱ段采動影響下覆巖形態、覆巖裂隙、孔隙率變化進行數值模擬，為地面L型鉆井提供設計依據。

1.1 PFC3D數值模擬模型建立和參數選擇

PFC3D數值模擬軟件從細觀角度對對象進行模擬，細觀參數與宏觀參數具有一定的相關性，Wang等[13]進行了大量的單軸壓縮實驗和巴西裂劈實驗，并將實驗得到的數據進行擬合，得到了關于部分細觀參數和宏觀參數相互轉換的經驗公式。

屯蘭礦12507工作面Ⅱ段位于南五盤區左翼，12507工作面Ⅱ段工作面傾斜長220 m，該工作面2、3號煤層厚度穩定，合并開采，2號煤厚2.35～3.24 m，平均約2.74 m；3號煤厚0.20～1.20 m，平均約0.63 m；煤巖總厚均約3.98 m，煤層最大傾角8°，最小傾角3°，平均5.5°。屯蘭礦絕對瓦斯涌出量為289.76 m3/min，相對瓦斯涌出量為33.17 m3/t。結合屯蘭礦地質資料和經驗公式，得到模型的細觀參數見表1。

表1 屯蘭礦12507工作面模型細觀參數Table 1 Micro-parameters of model for 12507 working face in Tunlan Mine

表1(續)

PFC3D模型如圖1所示，長度為400 m、寬度為260 m、高度為100 m，煤巖層總數為23層，通過伺服，即通過模型邊界的調整，使得顆粒體系間的接觸盡可能快的達到理想狀態，然后在其基礎上開展加載分析。

圖1 PFC3D數值模擬模型Fig.1 PFC3D numerical simulation model

1.2 采動覆巖破壞與裂隙演化規律

當工作面在回采過程中，上覆巖層形成的采動裂隙經歷了形成、發育和逐步擴展的演化過程。在這個過程中逐步形成裂隙分區和瓦斯運移通道。如圖2所示，當煤層開采至24 m時基本頂出現垮落，并且頂板巖層在張拉應力的作用下出現初次來壓，上覆巖層出現離層裂隙，離層裂隙高度最高至亞關鍵層的底板位置，高度為33.47 m。基本頂與亞關鍵層之間的巖層隨著基本頂的垮落破斷形成破斷裂隙。隨著回采工作面持續向前推進，工作面上覆巖層出現持續垮落和破斷，巖層變化趨勢逐漸明顯，形狀大致呈現梯形。當煤層開采至68 m時，亞關鍵層出現初次破斷，出現破斷裂隙，亞關鍵層和主關鍵層之間出現離層裂隙，且主關鍵層上部部分較硬巖層間出現少許裂隙。

圖2 工作面回采至24，68，100，280 m,y=100 m方向上的運動裂隙Fig.2 Movement fractures in directions of 24,68,100,280 m of working face mining and y=100 m

當煤層開采至100 m時，前期開采垮落的巖石逐漸被壓實，裂隙密實程度增加，亞關鍵層出現第1次周期破斷，基本頂及其上部巖層的破斷裂隙增加明顯更有利于瓦斯氣體的運移上浮。隨著工作面的推進，覆巖裂隙高度基本維持不變，離層裂隙和破斷裂隙數量逐漸增多，由此瓦斯運移的通道增加。工作面回采至280 m時，煤層上覆巖層主關鍵層發生初次破斷，亞關鍵層出現4次破斷，形成的破斷裂隙與基本頂之間巖層形成的破斷裂隙導通，提供大量的瓦斯上浮通道，可為后期的瓦斯抽采提供充分條件。

1.3 采動覆巖孔隙率演化規律

模型開挖過程中，采空區覆巖孔隙率呈逐漸升高的趨勢，工作面開采至24 m時孔隙率最高為0.28，直接頂和基本頂垮落區域孔隙率大于上覆巖層的其它區域。回采至68 m時，煤層開采處的孔隙率增加至0.32，后方垮落帶孔隙率逐漸降低。隨著工作面的推進，裂隙帶的孔隙率逐漸增大，垮落帶的孔隙率逐漸降低，工作面開采至100 m以后裂隙帶孔隙率增加和垮落帶孔隙率降低速率變得緩慢，工作面開采至280 m時，煤層開采處孔隙率最大為0.42，垮落帶隨著上覆巖層不斷下沉壓實，靠近開切眼處孔隙率呈減小趨勢。

2 基于采動覆巖三維裂隙場演化規律的地面L型鉆井瓦斯抽采

2.1 地面L型鉆井參數設計

1)地面L型鉆井垂直位置的選擇

根據模擬的結果得到上覆巖層的垮落帶的高度和裂隙帶的高度[14-15]對地面鉆井和定向長鉆孔孔位的選擇具有指導作用。模擬過程中，推進距離較小時覆巖垮落帶較小，裂隙帶不形成，隨著工作面的持續推進，形成裂隙帶，且垮落帶和裂隙帶至上而下不斷發育，高度隨之不斷增大，工作面開采至140 m時，垮落帶的高度達到最大值15.87 m，垮落帶的高度不再增加。工作面開采至200 m時，裂隙帶的高度達到最大值，距煤層底板的高度為49.46 m，裂隙帶的高度不再增加。由此得到屯蘭礦垮落帶的高度為15.87 m，裂隙帶的高度最為49.46 m。根據垮落帶和導水裂隙帶的高度計算公式：

①垮落帶高度計算如式(1)所示：

Hm=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2

(1)

式中：M為煤層厚度，m；Hm為垮落帶高度，m。

②導水裂隙帶高度計算如式(2)所示：

Hn=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6

(2)

式中：Hn為裂隙帶高度，m。

根據以上計算公式得到屯蘭礦垮落帶的高度為12.78 m，導水裂隙帶的高度為45.6 m。裂隙帶是瓦斯運移和賦存的空間，在此空間內瓦斯濃度最高，將鉆孔布置在此空間內瓦斯抽采效果最好，故在裂隙帶和瓦斯運移通道的變化過程中選擇將地面“L”型鉆井的裸孔部分布置在15～50 m范圍內。

2)地面L型鉆井水平位置的選擇

根據數值模擬的結果，裂隙帶中沿傾向方向距離采空區邊界20～100 m的范圍內覆巖裂隙發育較明顯，孔隙率處于較高且較穩定狀態。根據通風對采空區瓦斯運移的影響和采動裂隙“O”型圈理論[16]，故將地面“L”型鉆井水平方向上布置在靠近回風巷一側20～100 m的范圍內。

2.2 地面L型鉆井現場應用

根據屯蘭礦12507工作面Ⅱ段的地面情況并結合地面L型鉆井位置的選擇，將地面L型鉆井的孔位設定在對坡村西，孔口相對應的井下位置位于12507工作面Ⅱ段停采線往開切眼方向53 m，距離工作面回風巷70 m。地面L型鉆井的瓦斯抽采層位即地面L型鉆井井下近水平裸孔段位于工作面煤層頂板裂隙帶內，高度在40～50 m的范圍內。地面L型鉆井布置在瓦斯富集區，用以解決12507工作面Ⅱ段煤層采動過程中產生的卸壓瓦斯對煤層開采的影響。采用三開井身結構，一開直徑為311.15 mm，二開直徑為241.3 mm，三開直徑為171.4 mm。地面L型鉆井井位設計如圖3所示。

圖3 地面L型鉆井平面布置Fig.3 Plane layout of ground L-type drilling

3 地面L型鉆井抽采效果

3.1 地面L型鉆井抽采效果

如圖4所示，12507工作面Ⅱ段地面L型鉆井瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采純量的工程實踐結果。采用地面L型鉆井的12507工作面Ⅱ段，在149 d的工程實踐過程中，單日抽采濃度最高為68%，最低為41%，平均為52.52%。單日抽采純量最高為12.64 m3/min,最低為4.82 m3/min，平均為9.48 m3/min。由圖4可知，地面L型鉆井瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量具有相同的變化趨勢，前期數值較大，瓦斯抽采效果最好，后期數值下降后趨于平穩，但是在抽采周期內，地面L型鉆井的保持著較高的瓦斯抽采效率。

圖4 地面L型鉆井瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采純量的變化Fig.4 Change of concentration and pure amount of gas drainage in ground L-type drilling

3.2 地面L型鉆井瓦斯治理效果

如圖5所示，地面L型鉆井瓦斯抽采期間12507工作面Ⅱ段上隅角瓦斯濃度的變化。 可以看出，上隅角瓦斯峰值濃度僅為0.4%，平均值為0.21%，遠低于煤礦安全規程所規定的臨界值，采動裂隙帶地面L型鉆孔能夠有效地對12507工作面Ⅱ段瓦斯進行治理。

圖5 上隅角瓦斯濃度變化Fig.5 Change of gas concentration in upper corner

4 結論

1)針對目前地面鉆井在瓦斯治理方面存在的問題，提出基于覆巖采動裂隙的地面“L”型鉆井瓦斯抽采技術方案，并且在屯蘭礦12507工作面Ⅱ段進行工程實踐，地面L型鉆井一開直徑為311.15 mm，二開直徑為241.3 mm，三開直徑為171.4 mm。

2)通過PFC3D數值模擬得到屯蘭礦12507工作面Ⅱ段的垮落帶高度為15.87 m裂隙帶高度為49.46 m，采空區上方15～50 m、沿傾向方向距離采空區邊界20～100 m的范圍內裂隙較發育，孔隙率高且穩定。

3)通過研究將地面L型鉆井布置在屯蘭礦12507工作面Ⅱ段上方40～50 m,靠近回風巷70 m的位置上對工作面采空區瓦斯進行抽采，得到在149 d的工程實踐過程中，單日抽采濃度最高為68%，最低為41%，平均為52.52%。單日抽采純量最高為12.64 m3/min,最低為4.82 m3/min,平均為9.48 m3/min。上隅角瓦斯峰值濃度僅為0.4%，平均值為0.21%。