高瓦斯突出煤層底抽巷穿層鉆孔動(dòng)壓瓦斯二次抽采技術(shù)及應(yīng)用

李延河，翟 成，丁 熊

（1.平頂山天安煤業(yè)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(tuán)有限責(zé)任公司，河南平頂山 467000；3.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

隨著采深的增加及開采規(guī)模的增大，瓦斯壓力、地應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)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(yán)重[1-2]。采動(dòng)影響下，煤體地應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致工作面前方煤體產(chǎn)生破壞變形，改變煤體的孔裂隙網(wǎng)絡(luò)，為瓦斯的涌出和運(yùn)移提供流動(dòng)通道[3-6]。因此，降低工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)，提高采動(dòng)區(qū)煤層瓦斯抽采效率對(duì)煤層回采安全生產(chǎn)意義重大。目前研究表明，地應(yīng)力重分布對(duì)煤體破壞和瓦斯抽采有著重要影響。林柏泉等[7]研究了應(yīng)力集中對(duì)于煤體瓦斯分布流動(dòng)的影響，提出工作面前方煤體的垂向應(yīng)力方程和瓦斯流動(dòng)方程；林柏泉等[8]、齊黎明等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值模擬，結(jié)合巖石力學(xué)和損傷力學(xué)理論，得出工作面前方煤體沿走向和傾向上的主應(yīng)力變化特征，研究地應(yīng)力變化對(duì)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(qū)寬度及其煤體穩(wěn)定性，研究并試驗(yàn)了卸壓區(qū)淺孔抽放技術(shù)；吳仁倫等[11-12]依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤層瓦斯抽采結(jié)果，結(jié)合應(yīng)力分布將工作面前方煤體分為4 個(gè)抽采區(qū)，并估算各區(qū)大致范圍；鄭吉玉等[13]在計(jì)算卸壓區(qū)寬度時(shí)考慮瓦斯壓力影響，建立卸壓區(qū)寬度求解方程并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)卸壓區(qū)寬度相驗(yàn)證；許江等[14]、CHEN Y 等[15]開展采動(dòng)影響下工作面前方瓦斯抽采的物模試驗(yàn)，研究了卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)B透率變化規(guī)律和抽采效果。

傳統(tǒng)的底板巖巷主要用于預(yù)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(shù)，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(jìn)行二次抽采上覆煤層受采動(dòng)卸壓瓦斯。高效抽采上覆煤層的采動(dòng)卸壓瓦斯的同時(shí)，既保證了工作面的安全生產(chǎn)，也提高了底板巖巷的利用率。現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)壓區(qū)瓦斯抽采數(shù)據(jù)表明，動(dòng)壓區(qū)瓦斯二次抽采關(guān)鍵技術(shù)能夠有效提高回采期間工作面瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)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(jié)構(gòu)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?guī)r，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(zhì)條件復(fù)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(hù)層開采條件。

2 工作面回采數(shù)值模擬

分析回采期間底抽巷穿層鉆孔動(dòng)壓瓦斯抽采效果需要結(jié)合工作面采動(dòng)影響下動(dòng)壓區(qū)應(yīng)力分布情況和塑性破壞規(guī)律，根據(jù)首山一礦采面布置和地質(zhì)條件使用FLAC3D軟件和摩爾庫倫模型進(jìn)行12110 工作面回采數(shù)值模擬。

煤巖體巖層力學(xué)參數(shù)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(jìn)煤巷320 m，步長4 m。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanics parameters of rock formation

2.1 工作面應(yīng)力分布

模擬煤層回采長度為60、120、180 m，對(duì)其中煤層回采長度為120、180 m 時(shí)工作面前方150 m 范圍內(nèi)的煤體地應(yīng)力值變化進(jìn)行分析，回采期間工作面前方應(yīng)力分布如圖1。

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

當(dāng)煤層回采長度為120、180 m 時(shí)，煤體垂直峰值應(yīng)力分別為64.1、67.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)K 為2.8～3.0。隨著回采長度的增加，應(yīng)力峰值和應(yīng)力集中系數(shù)都逐漸增大并趨于穩(wěn)定。工作面回采過程中，x、y、z 向應(yīng)力峰值點(diǎn)分別位于回采工作面前方9、12、9 m 處，卸壓區(qū)分別在工作面前方3～4 、5～6、3～4 m 范圍內(nèi)。在地應(yīng)力變化影響煤層滲透率過程中，垂直應(yīng)力占主導(dǎo)地位。以應(yīng)力峰值點(diǎn)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(nèi)煤體破壞，擴(kuò)容膨脹，裂隙貫穿發(fā)展，滲透率逐漸增大。在峰后卸載階段后期即卸壓區(qū)內(nèi)，即工作面前方3～4 m，會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)破裂區(qū)域，煤層透氣性系數(shù)急劇增大。

由于煤層埋深約為900 m，屬于σHv型構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，初始y 向水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。峰前加載階段垂直應(yīng)力加載速率遠(yuǎn)大于水平應(yīng)力，當(dāng)煤層回采長度為120、180 m 時(shí)，在工作面前方55～65 m 處垂直應(yīng)力由中間主應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲笾鲬?yīng)力，會(huì)對(duì)煤體破壞和滲透率變化產(chǎn)生影響。

2.2 工作面前方塑性區(qū)分布

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

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

結(jié)合應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可知工作面塑性破壞范圍與垂直應(yīng)力峰后卸載區(qū)域基本重合，表明垂直應(yīng)力在工作面前方煤體破壞和滲透率變化過程中起主導(dǎo)作用，在塑性破壞區(qū)內(nèi)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(dòng)壓瓦斯二次抽采技術(shù)

3.1 動(dòng)壓瓦斯抽采范圍

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，工作面前方塑性破壞區(qū)約為7～9 m 范圍內(nèi)，卸壓區(qū)寬度約為3～4 m 范圍內(nèi)，主要應(yīng)力集中區(qū)位于卸壓區(qū)至工作面前方35～65 m處，集中應(yīng)力影響區(qū)位于工作面前方35～65 m 以遠(yuǎn)?；夭善陂g初始動(dòng)壓瓦斯抽采范圍為工作面前方0～100 m，包括塑性破壞區(qū)、卸壓區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。

3.2 動(dòng)壓區(qū)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(dòng)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(dòng)壓瓦斯技術(shù)，在12110 采面回采期間利用中抽巷進(jìn)行工作面前方煤體動(dòng)壓瓦斯二次抽采，實(shí)現(xiàn)底板瓦斯抽采巷道的“一巷多用”。在中抽巷敷設(shè)2 趟抽采管路，提高抽采負(fù)壓，分別用于穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域瓦斯和穿層鉆孔二次抽采采動(dòng)卸壓區(qū)瓦斯，動(dòng)壓區(qū)瓦斯二次抽采如圖3。

圖3 動(dòng)壓區(qū)瓦斯二次抽采Fig.3 Secondary extraction of gas in dynamic pressure zone

利用12110 中抽巷對(duì)應(yīng)采面切眼向外100 m 范圍內(nèi)原施工穿層鉆孔（水力沖孔）敷設(shè)專用抽采管路加強(qiáng)動(dòng)壓區(qū)抽采。穿層鉆孔設(shè)計(jì)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(gè)，單雙號(hào)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(gè)用以加強(qiáng)動(dòng)壓區(qū)抽采，抽采回采工作面中抽巷向外80 m 范圍全部煤體區(qū)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4.1 鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)

動(dòng)壓區(qū)抽采鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)在12110 中抽巷進(jìn)行。檢測(cè)工作面前方100 m 范圍內(nèi)每組動(dòng)壓抽采鉆孔編號(hào)為1#～12#的12 個(gè)鉆孔，共進(jìn)行3 次體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)，鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化如圖5。

圖5 工作面前方鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)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(nèi)的鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)發(fā)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?jǐn)?shù)較高，隨著遠(yuǎn)離工作面，瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；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?jǐn)?shù)最高，結(jié)合工作面前方塑性破壞區(qū)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(dòng)影響較大，煤體破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆孔漏風(fēng)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低；工作面前方20 m 內(nèi)鉆孔瓦斯平均體積分?jǐn)?shù)均超過了20%，而在距離工作面較遠(yuǎn)區(qū)域，96～90 組處于原始應(yīng)力區(qū)，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定且較低，普遍低于10%。

由圖5（b）可以看出：二次體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)鉆孔為88～102 組的3#、4#、9#、10#鉆孔。與一次檢測(cè)相似，鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)與一次檢測(cè)相比更低，4#、10#瓦斯體積分?jǐn)?shù)已低于20%；瓦斯體積分?jǐn)?shù)在第101 組時(shí)達(dá)到最大值，10#鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過50%；20 m 內(nèi)鉆孔平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)也超過了20%，在20～50 m 范圍內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于波動(dòng)下降階段并趨于穩(wěn)定。

由圖5（c）可以看出：三次瓦斯體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)鉆孔為85～99 組的5#、～8#鉆孔，在工作面前方20 m內(nèi)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?jǐn)?shù)逐漸降低至5%左右。

根據(jù)鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化，可以將采面前方動(dòng)壓區(qū)在走向上劃分為3 個(gè)區(qū)域：第1 個(gè)區(qū)域?yàn)楣ぷ髅媲胺?0 m 范圍內(nèi)的瓦斯高效抽采區(qū)，此區(qū)域煤體擴(kuò)容破碎，裂隙發(fā)育貫通，瓦斯易于流動(dòng)，在靠近工作面的位置煤體瓦斯在采面風(fēng)流的影響下從裂隙中逸散，所以鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低；距離采面稍遠(yuǎn)的位置，解吸至裂隙中瓦斯受到采面風(fēng)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?jǐn)?shù)相對(duì)較大；第2 個(gè)區(qū)域?yàn)橥咚褂行С椴蓞^(qū)，煤體處于應(yīng)力集中區(qū)，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)隨著與工作面距離增加而波動(dòng)降低。 距離工作面較遠(yuǎn)的邊界大約為50～60 m，根據(jù)工作面前方主應(yīng)力變化分析可知，此邊界與最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)變邊界相似，所以垂直主應(yīng)力的大幅度增加從而變成最大主應(yīng)力是導(dǎo)致瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)增加的原因之一；第3 個(gè)區(qū)域?yàn)?0～60 m 以遠(yuǎn)的原始抽采區(qū)，在這個(gè)范圍內(nèi)的鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定在10%以下，煤體處于原始應(yīng)力區(qū)或者應(yīng)力集中程度很小，不受采動(dòng)影響或者所受影響較小。

4.2 動(dòng)壓區(qū)月瓦斯抽采量

動(dòng)壓區(qū)瓦斯抽采從2020 年2 月開始實(shí)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(dòng)壓區(qū)抽采鉆孔數(shù)量為非動(dòng)壓區(qū)穿層抽采鉆孔數(shù)量的6.857%，共抽采65 768 m3瓦斯，為非動(dòng)壓區(qū)抽采穿層鉆孔當(dāng)月抽采量的48.87%；3 月動(dòng)壓區(qū)抽采鉆孔數(shù)量為非動(dòng)壓區(qū)穿層抽采鉆孔數(shù)量的5.486%，共抽采55 763 m3瓦斯，為非動(dòng)壓區(qū)穿層抽采鉆孔當(dāng)月抽采量的31.68%；4 月動(dòng)壓區(qū)抽采鉆孔數(shù)量為非動(dòng)壓區(qū)穿層抽采鉆孔數(shù)量的9.05%，共抽采155 690 m3瓦斯，為非動(dòng)壓區(qū)穿層抽采鉆孔當(dāng)月抽采量的74.01%。利用中抽巷進(jìn)行采動(dòng)區(qū)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(chǎn)。

5 結(jié) 語

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

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)將工作面前方煤體分為高效抽采區(qū)、有效抽采區(qū)和原始抽采區(qū)。高效抽采區(qū)在工作面前方20 m 以內(nèi)，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為30%以上。有效抽采區(qū)瓦斯抽采受到動(dòng)壓影響，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)隨著與工作面距離增大而波動(dòng)下降。原始抽采區(qū)范圍為50～60 m 以遠(yuǎn)，鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定在10%以下，受采動(dòng)影響較小。有效抽采區(qū)與原始抽采區(qū)邊界在最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)變區(qū)域，垂直應(yīng)力由中間主應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲笾鲬?yīng)力，會(huì)對(duì)煤體破壞和滲透率變化產(chǎn)生影響。

3）高瓦斯突出煤層底抽巷穿層鉆孔動(dòng)壓瓦斯二次抽采技術(shù)在12110 工作面中抽巷應(yīng)用效果較好，動(dòng)壓區(qū)抽采鉆孔數(shù)量很少，為非動(dòng)壓區(qū)抽采鉆孔數(shù)量的5%～10%，但動(dòng)壓區(qū)月抽采量最高可達(dá)到非動(dòng)壓區(qū)月抽采量的74.01%。實(shí)現(xiàn)充分利用中抽巷實(shí)現(xiàn)回采過程中采動(dòng)區(qū)瓦斯二次高效抽采，降低工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)。