煤油氣共生礦井采煤工作面底板卸壓變形規(guī)律研究及應(yīng)用

李 川

（1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵727307；2.應(yīng)急管理部煤礦智能化開采技術(shù)創(chuàng)新中心，陜西 黃陵727307）

我國煤礦主要為地下開采，絕大多數(shù)屬于瓦斯礦井，大多數(shù)礦井瓦斯具有低壓力、低滲透率等特性[1]。煤層采動后頂?shù)装鍛?yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，其結(jié)果可以造成頂?shù)装鍘r體產(chǎn)生位移、變形、甚至破壞，改變圍巖滲透性。研究煤層底板的卸壓和變形破壞特征，對于確定底板瓦斯抽采層位具有十分重要的意義。黃陵礦區(qū)大地構(gòu)造位置屬華北地臺鄂爾多斯大型內(nèi)陸坳陷盆地南部的陜北斜坡帶南緣，礦區(qū)位于黃隴煤田北部[2]。為防治采煤工作面底板卸壓涌出的瓦斯（油型氣），消除油型氣異常涌出的安全隱患，黃陵二號煤礦采用底板下向穿層鉆孔進(jìn)行底板卸壓瓦斯抽采，取得較好效果，但仍存在瓦斯抽采效率不高，鉆孔工程量浪費等情況[3-5]。為實現(xiàn)采煤工作面底板瓦斯抽采高效性和經(jīng)濟性，做到鉆孔布置合理、瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，黃陵二號煤礦采用鉆孔觀測法進(jìn)行采煤工作面底板卸壓過程觀測分析，為優(yōu)化底板穿層瓦斯（油型氣）抽采鉆孔設(shè)計提供依據(jù)[6-8]。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

黃陵二號煤礦203 工作面位于二盤區(qū)的西南。東北部、西北部為未采區(qū)，西南緊鄰201 采空區(qū)，東北部緊鄰205 工作面，工作面走向方位為339°。工作面長度為260 m，留保護煤柱為150 m，可采長度3 000 m。

2 號煤層平均厚度3.2 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定。其物理性質(zhì)為：黑色、塊狀，以半亮型至半暗型煤為主，夾有薄層暗煤，條痕褐黑色，瀝青狀光澤，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙較發(fā)育。2 號煤層直接頂為灰色至深灰色細(xì)粒砂巖,含少量暗色礦物，含植物莖稈化石，含黃鐵礦結(jié)核，波狀層理，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，厚度3.4～26 m；直接底板為灰色至灰黑色細(xì)粒砂巖、粉砂巖，含植物化石碎片及炭屑，泥質(zhì)膠結(jié)，波狀層理，厚度1.0～8.8 m；2 號煤層底板以下發(fā)育有3 號煤層，其煤層厚度在0.8～2.0 m 之間，平均煤厚1.6 m。

2 采煤工作面底板卸壓變形規(guī)律研究

隨著回采工作面推進(jìn)，煤層底板巖層在橫向上劃分為原巖應(yīng)力區(qū)、超前壓力壓縮區(qū)、采動礦壓直接破壞區(qū)和底板巖體應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，煤層底板巖體的滲透性隨著煤炭開采底板巖體變形破壞而呈規(guī)律性變化[9-12]。為了搞清黃陵礦區(qū)底板卸壓變形規(guī)律，以便有針對性地采取技術(shù)措施防治底板瓦斯（油型氣）異常涌出，采用鉆孔觀測法觀測底板變形情況，觀測地點選擇在黃陵二號煤礦203 采煤工作面。

2.1 底板卸壓變形觀測方案

1）觀測目的。通過工作面底板不同深度鉆孔圍巖變形觀測，了解工作面底板采動過程圍巖體卸壓變化過程和深度，為底板瓦斯油型氣抽采技術(shù)參數(shù)設(shè)計提供參考。

2）卸壓觀測內(nèi)容。鉆孔套管前端3 m 觀測段采動過程的鉆孔壁的變形、觀測段鉆孔內(nèi)滲漏水等礦壓顯現(xiàn)。

3）觀測鉆孔要求。采煤工作面內(nèi)20～40 m 底板下實施卸壓觀測鉆孔，在觀測鉆孔內(nèi)下套管，注漿固管后，套管內(nèi)二次鉆進(jìn)超過套管長度3 m，形成鉆孔套管前端3 m 觀測段。鉆孔施工采用ZDY-4200S鉆機。先施工φ94 mm 鉆孔，再擴孔至φ113 mm。鉆孔內(nèi)下外徑φ89 mm 水煤管。鉆孔施工后及時下外徑φ89 mm 水煤管，孔口段5 m 套管采用聚胺酯和525 水泥及外加劑進(jìn)行封孔固定，管內(nèi)壓力灌注水泥漿，注漿壓力不小于5 MPa。待水泥固化7 d 后，采用φ65 mm 鉆頭及配套鉆桿在套管內(nèi)二次鉆進(jìn)，鉆進(jìn)超過套管前端3 m 進(jìn)入底板煤巖石區(qū)段，形成卸壓觀測鉆孔。

4）觀測方法。煤巖體結(jié)構(gòu)觀察與測試的方法有很多。在煤巖體被揭露的地方，其結(jié)構(gòu)暴露出來，可以通過肉眼直接進(jìn)行觀察和描述。對于沒有被工程揭露的煤巖體，要想了解煤巖體結(jié)構(gòu)，就應(yīng)在煤巖體中打鉆孔[13-15]。采用鉆孔窺視儀進(jìn)行鉆孔孔壁變化情況觀測，鉆孔窺視法具備直觀省力的優(yōu)點[16-18]。

5）觀測點布置。工作面前方150 m 外布2 組底板鉆孔，每組4 個鉆孔，鉆孔間距6 m，2 組間距30 m，每組鉆孔深度分別為底板下10、20、30、40 m，鉆孔與工作面150 斜交，觀測點布置平面圖如圖1。

圖1 觀測點布置平面圖

2.2 底板卸壓變形觀測結(jié)果

1 號測點、2 號測點分別實施4 個觀測鉆孔，各鉆孔觀測情況統(tǒng)計見表1、表2。測點位置為與回采工作面的距離，以測點位置為0 點，工作面未推過測點時距離為正值，工作面推過測點后距離為負(fù)值（即測點處于采空區(qū)范圍內(nèi)）。

由表1 可知，鉆孔位于工作面前方10 m 時，底板下-10 m 處已出現(xiàn)鉆孔變形，在鉆孔位于工作面至采空區(qū)120 m 期間，底板下-10～-40 m 變形量和變形速度急劇增加，至工作面采空區(qū)120 m 后，底板下-40 m 進(jìn)入流變松散膨脹變形階段。

由表2 可知，鉆孔位于工作面前方10 m 時，底板下-10 m 處已出現(xiàn)鉆孔變形，在鉆孔位于工作面下方至采空區(qū)60～100 m 期間，底板下-10～-40 m變形量和變形速度急劇增加，至工作面采空區(qū)100 m 后，底板下-40 m 進(jìn)入流變松散膨脹變形階段。

3 底板鉆孔瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測及瓦斯壓力測定

在底板鉆孔變形觀測期間，開展了鉆孔瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測和瓦斯壓力測定工作，測點1 鉆孔瓦斯?jié)舛取⑼咚箟毫﹄S工作面距離變化曲線如圖2、圖3。由圖2 分析，鉆孔處在工作面前方20～10 m，鉆孔瓦斯油型氣濃度由1%左右逐漸上升至50～80%，在鉆孔處于工作面下方，上升90～100%，后處于高濃度持續(xù)階段，當(dāng)處于工作面采空區(qū)后方40～80 m，瓦斯?jié)舛戎饾u下降，處于80 m 以后，濃度逐漸衰竭。

表1 測點1 各鉆孔觀測情況統(tǒng)計

表2 測點2 各鉆孔觀測情況統(tǒng)計

圖2 測點1 鉆孔瓦斯?jié)舛入S工作面距離變化曲線

圖3 測點1 鉆孔瓦斯壓力隨工作面距離變化曲線

由圖3 分析，鉆孔處在工作面前方20～10 m，鉆孔瓦斯壓力由0 MPa 逐漸上升至0.2 MPa，在鉆孔處于工作面下方，上升1 MPa 左右，處于采空區(qū)10～30 m 期間壓力上升到最高，處于工作面采空區(qū)后方30～60 m，壓力快速下降，處于60 m 以后，瓦斯壓力衰竭。

4 底板卸壓變形規(guī)律和瓦斯涌出分析

黃陵二號煤礦203 采煤工作面底板卸壓變形觀測結(jié)果表明，總體上，采煤工作面推進(jìn)至距底板鉆孔約10 m 時，底板卸壓并開始發(fā)育裂隙，隨著采煤工作面推進(jìn)至底板鉆孔后，逐漸遠(yuǎn)離底板鉆孔，底板卸壓范圍逐漸向底板深部擴大，底板鉆孔（測點）位置鉆孔變形和破壞越來越嚴(yán)重。

底板觀測鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚箟毫y定結(jié)果表明，采煤工作面推進(jìn)至據(jù)底板鉆孔約10 m 時，鉆孔瓦斯?jié)舛乳_始增大，采煤工作面推過測點后約10 m時，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到峰值，后進(jìn)入高濃度階段，約遠(yuǎn)離測點40 m 后，瓦斯?jié)舛戎饾u下降。底板鉆孔瓦斯壓力在采煤工作面推進(jìn)至0～-30 m 時，瓦斯壓力迅速增大，期間最大瓦斯壓力達(dá)到1 MPa。

綜合分析可知，采空區(qū)后方10～30 m 范圍內(nèi)，工作面底板下10～30 m，出現(xiàn)最大卸壓變形以及瓦斯（油型氣）的大量涌出。為取得底板鉆孔瓦斯抽采效果的最大化，應(yīng)優(yōu)先在此區(qū)域進(jìn)行底板卸壓瓦斯的攔截抽采，鉆孔終孔垂直深度應(yīng)控制在底板下30 m 范圍內(nèi)。

5 工作面底板瓦斯（油型氣）抽采技術(shù)

根據(jù)203 采煤工作面底板卸壓變形規(guī)律的分析結(jié)果，對205 采煤工作面底板瓦斯（油型氣）抽采鉆孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

205 工作面底板鉆孔鉆孔終孔于煤層下15 m，鉆場間距60 m，每個鉆場布置4 個鉆孔，鉆孔間距15 m，鉆孔孔底間距37 m，鉆孔直徑φ97 mm。

底板鉆孔瓦斯抽采效果考察期間，監(jiān)測了工作面回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯?jié)舛龋?0 個月內(nèi)，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.30%～0.61%，均未超過黃陵礦業(yè)公司規(guī)定的回風(fēng)瓦斯?jié)舛劝?.80%管理的界限?？梢?，考察期內(nèi)，通過對底板煤層和油氣層卸壓瓦斯及油型氣的抽采，滿足了采煤工作面瓦斯治理的要求。

6 結(jié) 語

在黃陵二號煤礦203 采煤工作面實施底板鉆孔，并采用鉆孔窺視儀進(jìn)行底板卸壓和鉆孔孔壁變形情況觀測，期間對鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛群屯咚箟毫ψ兓闆r進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，采煤工作面推進(jìn)至距底板鉆孔約10 m 時，底板卸壓并開始發(fā)育裂隙，隨著采煤工作面推進(jìn)至底板鉆孔后，逐漸遠(yuǎn)離底板鉆孔，底板卸壓范圍逐漸向底板深部擴大，底板鉆孔（測點）位置鉆孔變形和破壞越來越嚴(yán)重。采空區(qū)后方10～30 m 范圍內(nèi)，工作面底板下10～30 m，出現(xiàn)最大卸壓變形以及瓦斯（油型氣）的大量涌出。將203采煤工作面煤層底板煤巖體卸壓變形特征的觀測結(jié)果，用于指導(dǎo)205 采煤工作面底板煤層及油氣層卸壓瓦斯及油型氣的攔截抽采，結(jié)果表明，基于對采煤工作面底板卸壓變形規(guī)律的認(rèn)識而采取的底板卸壓抽采技術(shù)措施是有效的，能夠保障煤油氣共生礦井采煤工作面的安全生產(chǎn)。