李村煤礦1303工作面瓦斯應(yīng)力分析及預(yù)抽放工藝設(shè)計(jì)

鮑俊睿

(潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

在我國(guó)現(xiàn)有礦井中，高瓦斯礦井占有比例高達(dá)50%以上。由于地層存在斷層、褶皺、破碎帶以及陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響，使得煤層的原生裂隙遭到破壞，在煤巖層裂隙中積攢了大量瓦斯氣體，且這種狀態(tài)隨著地質(zhì)構(gòu)造的不斷變化而不斷加劇[1-3]。然而這些裂隙的存在導(dǎo)致煤體透氣性降低，進(jìn)行長(zhǎng)距離定向鉆孔時(shí)，成孔困難，易發(fā)生卡鉆、吸鉆、塌孔等動(dòng)力現(xiàn)象。并且在工作面回采時(shí)，由于采動(dòng)應(yīng)力的影響，煤巖體圍巖應(yīng)力形成二次分布，進(jìn)一步破壞了瓦斯鉆孔的抽放效果[4-5]。因此，選擇較為合理的瓦斯預(yù)抽放工藝是解決瓦斯應(yīng)力積聚的一項(xiàng)重要手段。

1 工程概況

根據(jù)礦井資料，李村煤礦1303工作面前方存在著兩條正斷層，分別是FJ17斷層，傾角51°，落差2.5 m；FJ25斷層，傾角39°，落差2 m。由于斷層的存在，使得斷層周圍圍巖形成應(yīng)力集中區(qū)，積聚了大量瓦斯，直接威脅到作業(yè)人員的人身安全。為保障工作面的安全回采，本文以FJ17斷層為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)斷層圍巖的應(yīng)力狀況進(jìn)行分析，并提出合理的瓦斯預(yù)抽放工藝。FJ17斷層周圍圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 FJ17斷層及圍巖參數(shù)

2 工作面過斷層數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

為探析斷層周圍的瓦斯應(yīng)力賦存狀態(tài)，建立FLAC3D斷層分析模型，模型長(zhǎng)×寬×高=150 m×50 m×20 m，根據(jù)不同的地質(zhì)特性，采用節(jié)點(diǎn)控制網(wǎng)格大小的方式進(jìn)行區(qū)分，以FJ17斷層為模型對(duì)網(wǎng)格設(shè)定不同屬性的巖體參數(shù)。網(wǎng)格上下盤的特性銜接由網(wǎng)格導(dǎo)入與導(dǎo)出命令完成。模型頂部施加12.8 MPa的均布載荷，四周施加最大主應(yīng)力14.2 MPa，最小主應(yīng)力7.35 MPa，應(yīng)力邊界比取1.9，如圖1所示。

圖1 斷層分析模型

2.2 斷層尖滅處的應(yīng)力分布分析

由圖2可知，由于斷層的存在，改變了地層的最大主應(yīng)力的分布狀態(tài)，越靠近斷層面時(shí)，主應(yīng)力方位角變化越劇烈，且存在著明顯的不確定性。圖中斷層尖滅處的應(yīng)力矢量較為集中，即在斷層上下兩端存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，且斷層下方的應(yīng)力集中程度更為明顯。

在斷層線兩側(cè)的一定范圍內(nèi)，應(yīng)力分布按斷層面近似呈現(xiàn)為對(duì)稱分布，即斷層兩側(cè)巖體受剪切應(yīng)力作用表現(xiàn)為剪切滑移。在靠近斷層面的小范圍區(qū)域內(nèi)的主應(yīng)力呈現(xiàn)為不對(duì)稱分布，即由于斷層在上下盤錯(cuò)動(dòng)過程中，附近煤體的應(yīng)力發(fā)生不同程度的釋放，進(jìn)而形成斷層破碎帶，因此可通過觀測(cè)斷層周圍的非均布應(yīng)力范圍確定斷層破碎帶的范圍。

圖2 斷層及圍巖中的最大主應(yīng)力矢量

2.3 不同斷層傾角條件下的應(yīng)力分布狀況

當(dāng)?shù)貙又鲬?yīng)力保持不變，改變斷層傾角大小時(shí)，主應(yīng)力垂直于斷層面方向的應(yīng)力分量發(fā)生變化，直接決定斷層破碎帶的范圍大??；平行于斷層面方向的應(yīng)力分量發(fā)生變化，會(huì)影響斷層兩側(cè)巖層的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及端部應(yīng)力集中大小。因此，在應(yīng)力不變的基礎(chǔ)上建立不同斷層傾角的斷層分析模型，分別對(duì)比30°、45°、60°三種斷層傾角下的最大主應(yīng)力分布規(guī)律，如圖3所示。

圖3 不同傾角最大主應(yīng)力分布云圖

圖3表明，隨著斷層傾角變化，斷層面兩側(cè)的地應(yīng)力發(fā)生重新分布，且地應(yīng)力的分布范圍呈現(xiàn)出沿著斷層面向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)。斷層上、下盤圍巖內(nèi)的地應(yīng)力呈現(xiàn)為非對(duì)稱分布狀態(tài)，且斷層上盤的應(yīng)力變化范圍較大。隨著斷層傾角的增大，上下盤兩側(cè)應(yīng)力區(qū)逐漸向斷層面附近靠攏，且斷層尖滅處的應(yīng)力集中現(xiàn)象向斷層下方側(cè)轉(zhuǎn)移。

通過分析可知，斷層無(wú)論傾角怎么改變，其周圍的應(yīng)力場(chǎng)都呈現(xiàn)為非均勻分布狀態(tài)，且斷層的主要塑性破壞區(qū)集中在斷層端部，該塑性區(qū)的破壞方式以剪切破壞為主，斷層兩側(cè)存在受擠壓應(yīng)力作用所形成的塑性破壞區(qū)。而當(dāng)斷層傾角增大后，塑性區(qū)由端部向斷層面轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)的主要破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓破壞。斷層在形成過程中，斷層面周圍的煤巖體長(zhǎng)期受擠壓應(yīng)力作用而發(fā)生破壞，而煤巖層破壞后會(huì)釋放大量的瓦斯，造成斷層面周圍存在瓦斯積聚現(xiàn)象。

2.4 不同回采距離下的應(yīng)力分布狀況

為保障工作面的安全回采，需要根據(jù)斷層的應(yīng)力分布特征確定最小超前預(yù)抽采距離。因此，在原有模型基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行開挖，分析工作面距斷層40 m、30 m、20 m三種情形下的圍巖應(yīng)力分布特征，如圖4所示。

圖4 不同開挖模型下的圍巖主應(yīng)力分布

由圖4可知，工作面在向斷層面推進(jìn)時(shí)，前方煤壁處出現(xiàn)了應(yīng)力增高的現(xiàn)象，且應(yīng)力峰值隨著與斷層間距的縮短而不斷增大。當(dāng)工作面距斷層40 m時(shí)，前方煤壁及斷層尖滅處皆出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中前方煤壁的應(yīng)力峰值大小為11.4 MPa，斷層尖滅處的應(yīng)力峰值為13.8 MPa，且這兩處應(yīng)力集中區(qū)未發(fā)生貫通，前方煤壁未發(fā)生應(yīng)力疊加；當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至斷層前方30 m時(shí)，工作面前方煤壁及斷層尖滅處的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生擴(kuò)散且應(yīng)力峰值增大，前方煤壁的應(yīng)力峰值大小為12.8 MPa，斷層尖滅處的應(yīng)力峰值大小為15.8 MPa，此時(shí)兩應(yīng)力集中區(qū)形成貫通趨勢(shì)但未完全貫通；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至斷層前方20 m時(shí)，兩應(yīng)力集中區(qū)相互疊加，形成貫通，前方煤壁的應(yīng)力峰值減小至11.5 MPa，斷層尖滅處應(yīng)力峰值減小至14 MPa。

對(duì)圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)工作面切眼形成后，改變了原有的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，即工作面前方煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，但由于此時(shí)距斷層較遠(yuǎn)，兩種應(yīng)力所形成的塑性區(qū)并未相互貫通。隨著工作面的不斷推進(jìn)，由于上覆巖層載荷作用，使得前方煤壁與斷層處的應(yīng)力大小不斷升高，且裂隙區(qū)逐漸開始貫通，直至徹底貫通后，前方煤體由于無(wú)法承受頂板如此大的載荷作用而發(fā)生破壞，此時(shí)前方煤壁及斷層處的巖層釋放積攢的彈性能，進(jìn)而呈現(xiàn)出應(yīng)力峰值減小的現(xiàn)象。由此可以得出，在工作面距斷層20 m時(shí)，應(yīng)當(dāng)做好足夠的瓦斯預(yù)抽采工作，提前釋放彈性能，避免事故發(fā)生。

3 瓦斯預(yù)抽采方案

3.1 瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象說明

采用瓦斯預(yù)抽放工藝能夠有效降低煤體內(nèi)部的瓦斯涌出，從而使瓦斯不斷從高壓側(cè)向低壓側(cè)進(jìn)行釋放，實(shí)現(xiàn)降低瓦斯應(yīng)力積聚的效果[6]。

但是在進(jìn)行瓦斯抽放時(shí)，鉆孔內(nèi)壁存在著較大的應(yīng)力梯度，隨著鉆孔深度的不斷增大，鉆孔內(nèi)壁對(duì)鉆桿的夾吸作用也逐漸增強(qiáng)。并且在鉆孔時(shí)，孔內(nèi)的鉆屑若排除不及時(shí)，則會(huì)進(jìn)一步減小鉆桿與鉆孔內(nèi)部的間隙，從而增大鉆孔阻力，甚至出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、塌孔等動(dòng)力現(xiàn)象。根據(jù)1303工作面的試鉆作業(yè)數(shù)據(jù)顯示，靠近斷層應(yīng)力集中區(qū)的鉆孔效果較差，50 m以上的成孔率只占20%，大多數(shù)鉆孔并未滿足成孔要求。

3.2 瓦斯預(yù)抽放工藝設(shè)計(jì)

為緩解瓦斯抽放時(shí)的動(dòng)力現(xiàn)象，可以通過增高鉆孔風(fēng)壓的方式，降低鉆孔內(nèi)外的壓力差，從而放慢瓦斯的瞬間釋放速度，緩解預(yù)抽采區(qū)的瓦斯解吸反應(yīng)，有效降低吸鉆、卡鉆的發(fā)生頻率。并且，在增大孔內(nèi)壓強(qiáng)的同時(shí)，能夠間接地對(duì)鉆孔內(nèi)壁提供一定的支撐力，大大降低了塌孔現(xiàn)象的發(fā)生，并為鉆屑提供更好的輸出空間，有效地改善了抽采環(huán)境[7-8]。

想要有效地實(shí)施孔內(nèi)高壓的抽采工藝，則需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求確定鉆孔出風(fēng)口的最低風(fēng)壓。現(xiàn)已知瓦斯的原始?jí)毫?.25 MPa，假設(shè)瓦斯為理想氣體，鉆屑粒徑一致，且鉆孔排渣空間穩(wěn)定，則有：

(1)

式中：ΔPS0為鉆屑排出所消耗的阻力損失，MPa；P0為大氣壓強(qiáng)，MPa；ΔPS為滿足鉆屑排出要求的最低風(fēng)壓，MPa。

由此能夠得到出風(fēng)口的最低風(fēng)壓應(yīng)不得低于0.704 MPa。由于存在設(shè)備密封性不足及局部風(fēng)量損失的可能，可以得到空壓機(jī)出風(fēng)孔的最低風(fēng)量不得低于0.8～0.9 MPa。因此，可選取ZDY1900S(MKD-5S)型鉆機(jī)實(shí)施孔內(nèi)高壓鉆孔工藝，并選取配套的鉆桿直徑為63.5～73 mm。

3.3 鉆孔工藝參數(shù)

在選取抽放鉆孔半徑時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的瓦斯積聚情況設(shè)計(jì)不同的鉆孔參數(shù)。為探明鉆孔參數(shù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法在巷道選取了兩組瓦斯流量測(cè)點(diǎn)打設(shè)預(yù)抽孔，兩組預(yù)抽孔分別距斷層15 m與40 m，每組測(cè)點(diǎn)布設(shè)4個(gè)測(cè)試孔，其中，1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)按照2 m間隔布設(shè)，2號(hào)和3號(hào)按照3 m間隔布設(shè)，每個(gè)測(cè)試孔長(zhǎng)為50 m、孔徑為94 mm，預(yù)抽孔與2號(hào)測(cè)試孔的孔間距為1 m，見圖5，分別對(duì)未抽采以及抽采30 min后的瓦斯流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖5 瓦斯流量測(cè)孔布置

通過實(shí)驗(yàn)可知，靠近斷層側(cè)的測(cè)試組抽放后與未抽放相比：2號(hào)孔瓦斯流量提高了將近22.8%，3號(hào)孔瓦斯流量提高了將近2.9%，1號(hào)、4號(hào)孔未發(fā)生太大變化，因此靠近斷層側(cè)的鉆孔間距應(yīng)設(shè)置為1 m。遠(yuǎn)離斷層側(cè)的測(cè)試組抽放后與未抽放相比：2號(hào)孔瓦斯流量提高了將近33.4%，3號(hào)孔瓦斯流量提高了將近20.3%，1號(hào)孔瓦斯流量提高了將近7.8%，4號(hào)孔未發(fā)生明顯變化，因此遠(yuǎn)離斷層側(cè)的鉆孔間距應(yīng)設(shè)置為2 m。

但是，在瓦斯的實(shí)際抽放過程中，常采用多孔密集布置，相鄰鉆孔的瓦斯在抽放過程中存在著抽采半徑相互疊加的現(xiàn)象，而且鉆孔數(shù)量增多會(huì)加大成本，延長(zhǎng)工期。因此，可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，在理論值的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大抽采半徑，即將遠(yuǎn)離斷層側(cè)的鉆孔間距選取2.5 m。鉆孔高度以便于施工為宜，通常為1.5 m，施鉆方向與煤壁呈傾斜向上2°為宜。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過分析斷層圍巖的主應(yīng)力分布，可以發(fā)現(xiàn)斷層在形成及錯(cuò)動(dòng)過程中，改變了原有的應(yīng)力分布狀況，從而在斷層尖滅處及斷層面兩側(cè)形成瓦斯應(yīng)力集中區(qū)。

2) 斷層傾角較小時(shí)，圍巖破壞類型以剪切破壞為主，且主要塑性區(qū)集中在斷層尖滅處；斷層傾角較大時(shí)，圍巖破壞類型主要以擠壓破壞為主，且主要塑性區(qū)會(huì)向斷層面兩側(cè)轉(zhuǎn)移。

3) 工作面在推進(jìn)過程中，前方煤壁與斷層尖滅處的應(yīng)力集中區(qū)會(huì)呈現(xiàn)出貫通趨勢(shì)。在工作面距斷層20 m時(shí)，受上覆巖層載荷的作用，兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生貫通，易發(fā)生瓦斯事故。因此，應(yīng)超前工作面20 m實(shí)施瓦斯預(yù)抽放工藝。

4) 根據(jù)瓦斯抽采的本質(zhì)，提出增強(qiáng)孔內(nèi)風(fēng)壓的施工工藝，能夠降低瓦斯的瞬間釋放速度，增大鉆孔內(nèi)壁支撐力，且空壓機(jī)出風(fēng)口的最低風(fēng)壓不得低于0.8～0.9 MPa。

5) 通過測(cè)試瓦斯流量，能夠得到最佳的鉆孔布置參數(shù)，即近斷層側(cè)孔間距為1 m，遠(yuǎn)斷層側(cè)孔間距為2.5 m，鉆高1.5 m，鉆角為傾斜向上2°。

6) 采用此工藝能夠提高瓦斯抽采效果，有效避免工作面過斷層時(shí)發(fā)生瓦斯事故，并大大降低了瓦斯抽放過程中卡鉆、吸鉆、塌孔的可能，提高了瓦斯抽采效率。