基于頂板周期來壓規(guī)律的高位抽采鉆孔參數(shù)確定研究

王 震，李曉疆，婁 芳，賈永勇

(1.新疆煤炭科學(xué)研究所，新疆 烏魯木齊 830091； 2.新疆煤與煤層氣工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830091)

綜放工作面包括采煤機割煤及放煤等環(huán)節(jié)，煤炭產(chǎn)量高、開采強度大，易導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量增加，從而引起工作面上隅角瓦斯超限，威脅煤礦安全生產(chǎn)。一直以來，許多專家及學(xué)者致力于解決綜放工作面上隅角瓦斯超限的理論及技術(shù)研究，并取得了諸多成果，其中，高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)由于成本低、效果好、施工簡單的特點，在許多礦區(qū)得到了良好應(yīng)用[1-10]。高位鉆孔抽采效果取決于鉆孔參數(shù)的合理與否。本文在對11B801綜放工作面回采過程中呈現(xiàn)“大、小周期”來壓規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究了“大、小周期”與瓦斯運移及聚集關(guān)系，并基于“大、小周期”來壓步距確定了高位鉆孔有效抽采長度，反推計算出鉆孔孔深、仰角、壓茬距等參數(shù)，現(xiàn)場實踐表明利用該方法設(shè)計抽采鉆孔參數(shù)的合理性。

1 礦井概況

11B801綜放工作面位于塔河煤礦一采區(qū)，主采B8煤層，煤層傾向在北東15°～20°之間，傾角24°～28°，工作面內(nèi)無褶皺和斷裂構(gòu)造。B8煤層為一結(jié)構(gòu)較簡單的厚煤層，厚度在0.84～9.10m之間，平均為5.23m。煤層平均埋深411.5m。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚度7.0m；老頂為粉砂巖與細(xì)砂巖互層夾雜砂質(zhì)泥巖，總厚度34.5m，其上部有一層厚度38m的中硬粗砂(關(guān)鍵層)。巖煤層直接底板巖性為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度為2.4m；煤層老底為細(xì)砂巖局部夾雜煤線，平均厚度20.06m，巖層柱狀圖如圖1所示。11B801綜放工作面走向長度1900m，傾斜長為120m，采放比1∶1.7。B8煤層平均瓦斯含量8.62m3/t。工作面回采前，計劃采用高位抽采鉆孔來解決瓦斯超限問題。

圖1 巖層柱狀圖

2 采動覆巖破斷特征相似模擬

2.1 相似模擬實驗方案

根據(jù)礦井實際地質(zhì)條件及相似定理設(shè)計本次模擬實驗，實驗分走向和傾向兩部分，走向模型尺寸3000mm(長)×200mm(寬)×(高)1100mm，傾向模型尺寸2000mm(長)×200mm(寬)×1300mm(高)。模型幾何相似常數(shù)為100，容重相似常數(shù)為1.7，應(yīng)力及強度相似常數(shù)為170。根據(jù)各巖層物理力學(xué)參數(shù)配制符合要求的模擬材料，模型鋪設(shè)完成晾干后，在模型表面設(shè)置4條測線，采用遠(yuǎn)景攝影測量系統(tǒng)觀測位移變化。

2.2 工作面走向覆巖破斷特征

工作面沿走向不同推進距離上覆巖層破壞情況如圖2所示。工作面推進30m，頂板初次來壓，頂板覆巖破壞高度約17.5m，其上部形成的“空洞”高度約3.0m，如圖2(a)所示；工作面推進42m，老頂破斷，發(fā)生第1次周期來壓，來壓步距12.0m，覆巖破壞高度23.1m，其上部形成的“空洞”高度增大到4.4m，如圖2(b)所示；工作面推進62m，頂板第2次周期來壓，來壓步距20.0m，覆巖破壞高度35.5m，其上部形成的“空洞”高度增大到6.9m，如圖2(c)所示；之后隨著工作面的推進，“空洞”高度不斷增加，但增幅越來越小，工作面推進76m，頂板第3次周期來壓，來壓步距14.0m，覆巖破壞高度39.5m，其上部形成的“空洞”高度增大到7.7m；工作面推進91m，頂板第4次周期來壓，來壓步距15.5m，覆巖破壞高度42.0m，其上部形成的“空洞”高度已趨于穩(wěn)定，為7.9m；工作面推進95m時關(guān)鍵層由于懸露距離超過其極限跨度而發(fā)生破斷，關(guān)鍵層所控制的上方巖層彎曲下沉量迅速增大，將其下方“空洞”的高度急劇壓縮，如圖2(d)所示。之后，由于老頂破斷引起第5、第6、第7次周期來壓，在此期間，“空洞”又逐漸形成并擴大，工作面推進160.0m，關(guān)鍵層再次破斷，“空洞”再次被壓縮，如圖2(e)所示。

工作面回采完畢，覆巖破壞高度為46.5m，其中距離采空區(qū)頂板0～12m為不規(guī)則冒落帶，12～18.6m為規(guī)則冒落帶，18.6～46m為裂隙帶。

經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)分析，將由于老頂破斷導(dǎo)致的頂板來壓叫“小周期”，將關(guān)鍵層破斷產(chǎn)生的頂板來壓叫“大周期”，則小周期平均來壓步距約15.5m，大周期平均來壓步距約65.0m。大、小周期與瓦斯的富集場所“空洞”發(fā)育及瓦斯鉆孔有效抽采長度密切相關(guān)。

2.3 工作面傾向覆巖破斷特征

傾向模型覆巖破壞特征如圖3所示，由圖3可知，傾斜方向煤層回采后覆巖最大破壞高度約48m，其中冒落帶高度約20.5m，工作面上端頭垮落角約為53°，下端頭垮落角約為60°。

在煤層頂板巖層上沿傾向設(shè)置4條測線，分別距頂板10m、20m、30m、40m，四條測線位移下沉量變化曲線如圖4所示。由圖4中各測線的間距變化可知，從上端頭沿工作面傾向方向向下，頂板破斷巖層的壓實度越來越大，這是由于巖層傾角的存在，上端頭側(cè)破斷巖塊在自重的作用下沿傾向方向滑移，導(dǎo)致下端頭頂板覆巖載荷增加的結(jié)果。在上端頭側(cè)30～60m的范圍，測線間距明顯比其他處大，是裂隙發(fā)育區(qū)，為瓦斯運移提供了良好通道，抽采鉆孔的平距應(yīng)分布于此范圍。

圖4 傾向模型四條測線下沉量變化曲線

3 鉆孔參數(shù)確定

3.1 鉆場布置

將高位鉆場布置在11B801工作面回風(fēng)巷實體煤一側(cè)，沿巷幫起坡45°角掘進至煤層頂板，鉆場長4m，寬3.6m，高2.6m。鉆場設(shè)置上、下兩排鉆孔，每排4個鉆孔，上排孔距離鉆場底板2.0m，下排孔距鉆場底板1.5m。

3.2 鉆孔參數(shù)反推計算

結(jié)合前文的分析，將上排孔終孔層位上限設(shè)為關(guān)鍵層底部，下排孔終孔層位設(shè)為規(guī)則冒落帶頂部。鉆孔的有效抽采長度相當(dāng)于大周期來壓步距L(L=65m)，規(guī)則冒落帶頂部至關(guān)鍵層高度H(H=44m)，則推算出上排孔仰角θ=arctan(H/L)=21.8°；利用鉆場至規(guī)則冒落帶頂部的高度h(15.4m)，可計算出鉆孔壓茬長度L0=h/tanθ=37.3m；鉆場間距L1等于大周期來壓步距L，L1=L=65m；通過鉆孔仰角θ，又可以計算出上排孔孔深L2=109.4m。下排孔參數(shù)采用類似的計算方法。

鉆孔平距合理范圍為距回風(fēng)巷5～25m，考慮到鉆孔平距及煤層傾角因素，反推計算鉆孔參數(shù)如圖5所示，最終計算出鉆孔的布置參數(shù)見表1。

圖5 鉆孔布置參數(shù)示意圖

類型孔號孔深/m垂高/m平距/m仰角/(°)下排孔178.4 17.0 6.0 15.9 277.8 18.5 12.7 16.2 380.2 17.2 16.9 15.7 484.2 18.0 20.0 17.4 上排孔5110.5 42.0 5.0 23.16114.3 39.5 10.0 21.9 7118.5 41.014.824.4 8116.2 39.8 19.5 22.9

4 高位鉆孔抽采效果驗證

4.1 大小周期來壓鉆孔濃度變化

為了驗證鉆孔參數(shù)是否合理，11B801工作面回采過程對液壓支架工作阻力及鉆孔抽采濃度進行了實時監(jiān)測，后期通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)梳理，得到上、下排鉆孔平均抽采濃度變化與大、小周期來壓的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 大、小周期來壓期間抽采鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖6可知，2016年10月1日—18日，頂板產(chǎn)生了四次小周期來壓，上、下排鉆孔瓦斯平均濃度穩(wěn)步上升，上排孔濃度峰值達(dá)到50%左右，下排孔由于層位較低，規(guī)則冒落帶含有大量空氣且不易于瓦斯聚集，因此下排孔抽采濃度在20%以下。2016年10月19日，工作面發(fā)生壓架事故，推測原因是關(guān)鍵層破斷產(chǎn)生的大周期來壓導(dǎo)致的，在處理壓架事故期間，上排孔抽采濃度呈明顯下降趨勢，而下排孔濃度則上升到30%，超過上排孔，這是由于關(guān)鍵層的破斷使上位瓦斯儲集場所“空洞”及裂隙空間被壓實，瓦斯向上運移聚集過程受阻導(dǎo)致的。

4.2 瓦斯治理效果分析

11B801綜放工作面實施高位鉆孔進行瓦斯抽采后，工作面上隅角及回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r如圖7所示，上隅角瓦斯最大濃度為0.47%，回風(fēng)巷瓦斯最大濃度為0.35%?？梢?，利用高位鉆孔抽采瓦斯，將工作面上隅角、回風(fēng)巷最大瓦斯?jié)舛染刂圃诎踩秶詢?nèi)，保障了11B801工作面安全高效生產(chǎn)。

圖7 上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓€

5 結(jié) 論

1)11B801綜采工作回采過程中存在“大、小周期”來壓現(xiàn)象，小周期平均來壓步距約15.5m，大周期平均來壓步距約65.0m，“大、小周期”與瓦斯運移通道及聚集場所的發(fā)育密切相關(guān)。

2)基于“大、小周期”來壓步距確定了高位鉆孔有效抽采長度，并反推計算出鉆孔孔深、仰角、壓茬距等參數(shù)。

3)通過對工作面回采過程中頂板來壓及鉆孔抽采濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗證了利用“大、小周期”來壓步距反推計算鉆孔參數(shù)的合理性；高位鉆孔的實施，使工作面上隅角瓦斯控制在0.47%以下，保證了11B801綜放工作面安全高效生產(chǎn)。