近距離下保護(hù)層工作面穿層鉆孔抽采效果分析

閆學(xué)太

(平煤神馬建工集團(tuán)有限公司，河南省平頂山市，467000)

保護(hù)層開采是煤礦瓦斯治理最有效、最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施。在強(qiáng)突出單一煤層條件下，開采煤層頂板或底板薄煤層及松軟泥巖，人為創(chuàng)建保護(hù)層開采條件是眾多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。厚煤層近距離底板薄煤層開采后，開采層頂板裂隙分布特性對(duì)開采層本身的瓦斯治理及被保護(hù)層瓦斯治理方式有重要的影響。

錢鳴高院士在對(duì)我國(guó)開采層覆巖破壞特性研究的基礎(chǔ)上，提出巖層控制的關(guān)鍵層理論，為研究巖層內(nèi)部移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和巖層采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)分布規(guī)律提供了強(qiáng)有力的理論工具；李樹剛教授等通過相似模擬試驗(yàn)分析了采動(dòng)后覆巖關(guān)鍵層活動(dòng)特征對(duì)裂隙帶分布形態(tài)的影響，提出上覆巖層中破斷裂隙和離層裂隙貫通后在空間形成橢拋帶分布特征；程遠(yuǎn)平、俞啟香、袁亮等運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，研究上覆遠(yuǎn)程卸壓巖體移動(dòng)和裂隙分布以及遠(yuǎn)程卸壓瓦斯的滲流流動(dòng)特性，提出了符合遠(yuǎn)程卸壓瓦斯流動(dòng)特性的遠(yuǎn)程瓦斯抽采方法；石必明、俞啟香、周世寧等通過對(duì)緩傾斜煤層保護(hù)層開采遠(yuǎn)距離煤巖破裂變形的研究，得出覆巖垮落及裂隙演化規(guī)律；石必明、俞啟香教授基于相似材料模型試驗(yàn)，應(yīng)用非接觸式數(shù)字近景攝影技術(shù)研究遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采過程中覆巖微變形移動(dòng)特性，得出在遠(yuǎn)距離保護(hù)層開采時(shí)，被保護(hù)層位于彎曲下沉帶內(nèi)，它在一定范圍內(nèi)發(fā)生膨脹變形，引起煤層透氣性增大的特性。這些研究指出了保護(hù)層開采條件瓦斯流動(dòng)路徑和規(guī)律，但對(duì)于近距離巖石保護(hù)層開采后，其頂板裂隙狀況是否仍適用尚無明確認(rèn)識(shí)。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

平煤股份十礦己四采區(qū)己15-16和己17為可采煤層，煤層間間距為4.3 m，均為低透氣性突出煤層。距離己17煤層底板12.9 m的己18屬非突出煤層，賦存厚度約為0.4 m。為對(duì)主采煤層進(jìn)行消突，平煤股份十礦在己18煤層布置己-24130巖石保護(hù)層工作面作為己15-16和己17煤層的下保護(hù)層。己-24130巖石保護(hù)層工作面走向長(zhǎng)709 m，傾斜寬157～160.5 m，切眼斜長(zhǎng)156.8 m，煤層傾角5.9°～13.2°，平均傾角9.5°，采高1.8 m?？紤]到己-24130工作面的降溫及瓦斯管理，工作面采用“兩進(jìn)一回”Y型下行通風(fēng)方式：工作面回采區(qū)域兩條巷道均為進(jìn)風(fēng)，己-24150工作面的切眼及下進(jìn)風(fēng)巷作為己-24130工作面的回風(fēng)巷，己-24130工作面下進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷。工作面布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)工作面布置

2 巖石保護(hù)層頂板裂隙分布特征

根據(jù)己-24130巖石保護(hù)層工作面的實(shí)際情況，對(duì)己-24130巖石保護(hù)層工作面頂板裂隙及“三帶”進(jìn)行了模擬分析，如圖2所示。

由圖2可以看出，頂板“三帶”具體特征如下：

(1)垮落帶。己18煤線工作面頂板垮落帶最大發(fā)育高度約為8.2 m，是工作面采高的4.6倍?？迓鋷虏繋r層為不規(guī)則垮落，上部巖層為規(guī)則垮落，在開切眼和工作面附近均有向采空區(qū)方向發(fā)育的斷裂包絡(luò)線，兩條包絡(luò)線分別與水平夾角為64°、68°且兩側(cè)基本對(duì)稱。上進(jìn)風(fēng)巷煤層傾斜未卸壓范圍為8 m，其卸壓角為67°，下進(jìn)風(fēng)巷煤層傾斜未卸壓范圍為11 m，其卸壓角為60°。

(2)裂隙帶。己18煤線工作面頂板裂隙帶的最大發(fā)育高度約為29.7 m，是工作面采高的16.5倍。由于裂隙帶整體范圍較大，在裂隙帶的中、下部區(qū)域橫向、豎向裂隙絕大部分均相互連通，具備良好的透氣、導(dǎo)水性，稱為貫穿裂隙帶；在裂隙帶上部區(qū)域雖然同樣存在橫向、豎向裂隙相互連通的現(xiàn)象，但是與裂隙帶中、下部相比，裂隙連通的廣度與寬度都相對(duì)較小，稱為非貫穿裂隙帶。己15-16煤層位于己18煤線開采產(chǎn)生的裂隙帶中、下部，其整體性不會(huì)受到破壞，但己15-16煤層及其圍巖均具有高度的裂隙發(fā)育程度，大量瓦斯將得到釋放，進(jìn)入開采巖石工作面的采空區(qū)，若不采取合理的瓦斯治理措施，將進(jìn)入作業(yè)巷道，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

(3)彎曲下沉帶。己18煤線工作面的彎曲下沉帶為裂隙帶頂部直至地表，該帶內(nèi)巖層移動(dòng)、沉陷過程是連續(xù)、規(guī)律的，并保持一定的整體性和層狀效果，在豎直方向上，各層間移動(dòng)值相差很小。

3 下進(jìn)風(fēng)巷頂板巖層斷裂位置

為減少工作面上覆的己15-16和己17煤層瓦斯在工作面回采時(shí)涌入工作面，在己-24130工作面下進(jìn)風(fēng)巷布置穿層鉆孔，抽采己15-16和己17煤層卸壓瓦斯。

下進(jìn)風(fēng)巷側(cè)頂板巖層破斷位置對(duì)穿層鉆孔抽采有很大的影響，為此在下進(jìn)風(fēng)巷預(yù)先施工穿層鉆孔，通過考察穿層鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓卸ㄆ茢辔恢谩?/p>

3.1 鉆孔布置

根據(jù)理論分析，己24130工作面開采后，其頂部巖層發(fā)生破斷，破斷平面將切割穿層鉆孔。為此設(shè)計(jì)了不同仰角的穿層鉆孔，每排布置13個(gè)鉆孔，沿工作面傾向布置；沿工作面走向，每5 m布置1排，如圖3所示。根據(jù)理論分析，1#～7#鉆孔終孔位于下進(jìn)風(fēng)巷下幫及巷道頂部，巖石破斷平面將不會(huì)直接切割這些鉆孔，鉆孔被切割情況重點(diǎn)分析8#～13#鉆孔。

3.2 鉆孔抽采瓦斯變化特征

己24130工作面下進(jìn)風(fēng)巷共布置120組穿層鉆孔。當(dāng)工作面推采46 m時(shí)，頂板已經(jīng)完成初次垮落。第113～120組鉆孔均處于采空區(qū)。其中，第114組距初切眼約30 m，距工作面約15 m；第115組距初切眼約25 m，距工作面約20 m，均處于采空區(qū)中部，鉆孔抽采受頂板破斷影響顯著。對(duì)其進(jìn)行鉆孔瓦斯?jié)舛确治觯梢暂^好地分析頂板破斷情況。第114組和115組鉆孔抽采瓦斯?jié)舛惹闆r如圖4所示。

圖3 穿層鉆孔布置圖

圖4 第114組和115組鉆孔抽采瓦斯?jié)舛惹闆r

由圖4(a)可以看出，該組鉆孔明顯的特征是：鉆孔位于工作面前方時(shí)，抽采瓦斯?jié)舛炔桓撸s20%左右；隨著鉆孔距工作面距離的減小，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛纫蚕陆?，這是受工作面前方應(yīng)力集中的影響，煤體透氣性降低；當(dāng)鉆孔在工作面前方約5 m至后方20 m左右時(shí)，6#和7#鉆孔抽采瓦斯?jié)舛妊杆偕仙⒈３殖椴筛邼舛韧咚?，這是卸壓增透效應(yīng)的體現(xiàn)。但上幫仰角較小的8#～13#鉆孔隨著工作面的推進(jìn)以致進(jìn)入采空區(qū)均未能抽采高濃度瓦斯，這是因工作面前方應(yīng)力集中時(shí)，鉆孔已經(jīng)受壓破壞。

由圖4(b)可以看出，該組鉆孔明顯的特征是：7#、8#和9#鉆孔在工作面影響區(qū)域以外時(shí)，抽采的是原始煤層瓦斯，濃度在20%左右；進(jìn)入采動(dòng)影響區(qū)域，抽采的瓦斯?jié)舛妊杆偕仙踔脸^90%，但高濃度持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，不超過20 d。當(dāng)鉆孔進(jìn)入采空區(qū)位置，距離工作面約15 m左右，8#鉆孔瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)了再一次的上升，表明8#鉆孔未受采動(dòng)影響破壞，抽采的是被保護(hù)的己17、己15-16煤層卸壓瓦斯。但9#及角度更小的鉆孔因抽采瓦斯?jié)舛冗^低而關(guān)閉。應(yīng)該是這些鉆孔受采動(dòng)影響發(fā)生了破壞，與采空區(qū)漏風(fēng)聯(lián)通導(dǎo)致抽采瓦斯?jié)舛冗^低。

按設(shè)計(jì)參數(shù)施工的8#穿層鉆孔，鉆孔仰角約59°±5°，與相似材料模擬得到的斷裂角相近，既能避開受采動(dòng)影響而破壞，又能抽采到被保護(hù)的己17煤層和己15-16煤層的瓦斯，是最佳鉆孔。

4 結(jié)論

(1)垮落帶。己18煤線工作面頂板垮落帶最大發(fā)育高度約為8.2 m，為工作面采高的4.6倍。下進(jìn)風(fēng)巷煤層傾斜未卸壓范圍為11 m，其卸壓角為60°。

(2)下進(jìn)風(fēng)巷鉆孔角度小于60°的穿層鉆孔，在采空區(qū)抽采濃度很低，說明鉆孔被冒落巖層斷裂而與采空區(qū)連通，失去了抽采上覆煤層卸壓瓦斯作用。

(3)下進(jìn)風(fēng)巷鉆孔仰角介于6#與8#鉆孔之間(59°～80°)的鉆孔在采空區(qū)未被破壞，與采空區(qū)連通程度較低，是抽采上覆煤層卸壓瓦斯最佳角度。

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