低透氣性煤層綜放面高位鉆孔層位布置研究

李 寧，王安虎，陳 亮

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000;2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局 信息研究院，北京 100029)

高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯是一種有效的技術(shù)措施，主要以采空區(qū)覆巖移動破壞形成的頂板裂隙為通道來抽放卸壓瓦斯，以減少采空區(qū)瓦斯向工作面及上隅角涌出［1－3］.煤層覆巖冒落變形形成的裂隙發(fā)育區(qū)不但是瓦斯主要的聚集區(qū)域，而且也是瓦斯運移的主要通道［4－6］.通過對采空區(qū)“豎三帶”分析得出，將高位鉆孔終孔位置布置在工作面上隅角頂板上部的裂隙帶中，可達到最佳抽采效果［7］. 因此，如何合理確定裂隙帶高度及準(zhǔn)確把握采空區(qū)瓦斯的運移規(guī)律，成為高位鉆孔能否實現(xiàn)對采空區(qū)瓦斯進行高效抽采的主要制約因素。本文采用UEDC 和Fluent 數(shù)值模擬軟件，對采場上覆巖層中裂隙分布特征與采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律進行了模擬研究，并結(jié)合裂隙帶中瓦斯的分布狀況，合理地優(yōu)化鉆孔布置參數(shù)，實現(xiàn)高位鉆孔對裂隙帶富集瓦斯的高效抽采。

1 工作面概況

郭村煤礦12041 工作面煤層瓦斯含量為8 ～10 m3/t，平均厚度為5.5 m，傾角為18°，煤層透氣性系數(shù)為2.5 ×10－4～4.2 ×10－4m2/MPa2d，屬于低透氣性難抽采煤層，工作面走向長度為590 m，傾向長度為180 m，采用走向長壁綜采放頂煤回采工藝，頂板管理為全部垮落法。根據(jù)經(jīng)驗公式計算，工作面冒落帶高10.1 ～14.5 m，裂隙帶高度為50 ～82.56 m，平均66.28 m.

2 采空區(qū)上覆巖層冒落規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為全面掌握回采期間工作面采空區(qū)上覆巖層的冒落變形情況，將模型設(shè)計為沿工作面走向的二維計算模型，為了觀測到巖塊的垮落變形現(xiàn)象，在整個模型垂直方向施加重力加速度為9.8 m/s2. 同時在頂板中布置了4 條觀測線(2 m、20 m、40 m、60 m 處)，用于觀測采場覆巖變形及應(yīng)力變化規(guī)律，見圖1.

圖1 模型邊界條件示意圖

2.2 模型物理力學(xué)參數(shù)

模型的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 模型的物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 邊界條件

模型前后左右4 個側(cè)面為單約束邊界，邊界水平位移為零，邊界結(jié)點只允許沿垂直方向運動;模型底部為全約束邊界，即底部邊界結(jié)點水平位移、垂直位移均為零;模型上部邊界載荷依據(jù)模型埋深，上覆巖石自重應(yīng)力加載［8］.

2.4 模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果顯示:當(dāng)工作面推進20 m、40 m、60 m時，上覆巖層冒落形態(tài)見圖2.

由圖2 可知，工作面推進20 m 時，直接頂開始呈“拱”形冒落;工作面推進40 m 時直接頂發(fā)生離層現(xiàn)象并出現(xiàn)垮落，頂板中的滑移裂隙和張開裂隙區(qū)域均有所增加，采空區(qū)上方張開裂隙已延伸至頂板50 m處，50 ～65 m 處存在不同程度的張開裂隙，滑移裂隙向工作面推進方向擴大延伸且主要分布于未開采的煤體上方;工作面推進60 m 時，頂板已垮落接底，采空區(qū)上方頂板中張開裂隙分布區(qū)域再次擴大，50 ～65 m處張開裂隙增加，由于工作面推進60 m 時，亞關(guān)鍵層斷裂垮落，破斷巖層逐步填滿采空區(qū)，導(dǎo)致裂隙延伸高度至65 m 處不再向上發(fā)展，裂隙帶高度最大為65 m.

根據(jù)以上模擬結(jié)果顯示，頂板完全跨落后，裂隙帶最大延伸高度約為65 m，結(jié)合經(jīng)驗公式理論計算值，裂隙帶高度為50 ～82.56 m，平均66.28 m，可確定采空區(qū)裂隙帶高度約為50 ～65 m.

3 采空區(qū)瓦斯分布特征數(shù)值模擬

3.1 模型建立

圖2 隨工作面推進上覆巖層冒落形態(tài)圖

為準(zhǔn)確把握采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律及分布特征，運用Fluent 軟件建立了U 型通風(fēng)下回采工作面采空區(qū)物理模型，采空區(qū)長200 m，寬180 m，高65 m，進風(fēng)巷和回風(fēng)巷長20 m，寬3 m，工作面寬為5 m，見圖3.

圖3 采空區(qū)數(shù)值模擬物理模型圖

3.2 邊界條件

12041 回采工作面采空區(qū)的瓦斯涌出量為10.5 m3/min，瓦斯密度為0.7 kg/m3.因此，模擬過程所設(shè)置參數(shù)如下:

采空區(qū)瓦斯源項:

運輸巷進風(fēng)口風(fēng)速:

3.3 模擬結(jié)果及分析

運用上述模型，模擬得出采空區(qū)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)立體分布云圖見圖4.

圖4 采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)立體分布云圖

沿回采工作面方向，瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖見圖5.

圖5 沿工作面方向的瓦斯?jié)舛确植荚茍D

為更直觀了解距上隅角不同位置，瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布狀況，特截取距離上隅角0 m、15 m、20 m、25 m時的瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比結(jié)果圖，見圖6.

圖6 距離上隅角不同位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比圖

由圖4 ～6 可以看出:沿采空區(qū)方向，離工作面越遠，瓦斯體積分?jǐn)?shù)越高;沿工作面方向，瓦斯體積分?jǐn)?shù)在進風(fēng)巷采空區(qū)內(nèi)較低，而在回風(fēng)巷的上隅角處較高，結(jié)合距上隅角不同位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比結(jié)果，得出距上隅角平面約30 m 范圍內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高;沿垂直方向，裂隙帶內(nèi)上部瓦斯體積分?jǐn)?shù)高于冒落帶內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，并在50 ～65 m 達到最大。造成前兩個現(xiàn)象的直接原因為:工作面漏風(fēng)將瓦斯隨風(fēng)流攜帶到上隅角，而裂隙帶瓦斯?jié)舛雀哂诿奥鋷咚節(jié)舛仁怯捎谕咚官|(zhì)量分?jǐn)?shù)較空氣輕，造成瓦斯上浮［9］.綜合上述分析可得，在距離上隅角平面距約30 m，距回采面垂高50 ～65 m 的范圍內(nèi)，為瓦斯富集區(qū)域，應(yīng)是高位鉆孔終孔重點布置層位。

4 高位鉆孔抽放工藝設(shè)計及抽放效果

4.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計

在回風(fēng)巷內(nèi)做高位鉆場，然后施工高位鉆孔對距離回風(fēng)巷30 m、工作面上部50 ～65 m 區(qū)域內(nèi)進行抽放。高位鉆場布置在煤層頂板穩(wěn)定的巖層中，鉆場內(nèi)高位鉆孔終孔位置處于工作面上方50 ～65 m，兩鉆孔終孔之間距離不大于7 m，每兩鉆場鉆孔之間的壓茬不低于20 m.鉆孔直徑110 mm，孔內(nèi)下置89 mm抽放管，水泥沙漿封孔，見圖7.

圖7 高位鉆孔布置示意圖

4.2 抽放效果

該抽放方法有效地利用了頂板垮塌后采空區(qū)上部的裂隙發(fā)育帶。在抽放負(fù)壓的作用下，采空區(qū)上部積聚的高濃度瓦斯通過裂隙帶不斷進入抽放管路。回風(fēng)巷1#～4#高位鉆場數(shù)據(jù)顯示，高位鉆場抽采瓦斯純量最大達3.64 m3/min，平均為2.40 m3/min，且抽采濃度在30% ～60%，抽采效率較高，有效降低了工作面上隅角瓦斯涌出，抑制了上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

5 結(jié) 語

1)通過UDEC 數(shù)值模擬軟件，模擬研究了開采煤層上覆巖層冒落變形形態(tài)與裂隙分布特征，得出裂隙帶延伸高度約為65 m，結(jié)合經(jīng)驗公式計算的理論值，確定采空區(qū)裂隙帶高度為50 ～65 m.

2)運用Fluent 軟件，模擬了U 型通風(fēng)方式下工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯運移規(guī)律，得出在距離上隅角平面約30 m，距回采面垂高50 ～65 m 的范圍內(nèi)為瓦斯富集區(qū)域，是高位鉆孔終孔重點布置層位。

3)針對瓦斯富集區(qū)域，確定了高位鉆場瓦斯抽放鉆孔的終孔層位，并對鉆孔參數(shù)進行了優(yōu)化?，F(xiàn)場抽采試驗表明:抽采效率較高，有效地抑制了上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

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