基于覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律的高位鉆孔合理布置研究

胡晉林，趙 晶，王栓林，張志榮

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭研究總院)，北京 100013)

煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有很大的比重，其在回采過(guò)程中由于采動(dòng)影響，極易引發(fā)覆巖移動(dòng)及應(yīng)力重構(gòu)，從而導(dǎo)致裂隙大量發(fā)育，滋生礦井瓦斯災(zāi)害[1，2]。采空區(qū)由于其固有的特點(diǎn)，是鄰近層瓦斯與采空區(qū)遺煤瓦斯的溫床，為礦井安全高效回采帶來(lái)了挑戰(zhàn)。工作面回采過(guò)程中，覆巖裂隙發(fā)育形成瓦斯通道，鄰近層瓦斯由通道不斷的向采空區(qū)移動(dòng)，同時(shí)由于礦井回采過(guò)程中存在遺煤現(xiàn)象，也為采空區(qū)帶來(lái)了大量瓦斯；另外，上隅角作為礦井風(fēng)流導(dǎo)通的自然盲區(qū)，導(dǎo)致大量瓦斯在該處積聚，給上隅角瓦斯治理帶來(lái)難點(diǎn)[3-8]。

現(xiàn)階段針對(duì)采空區(qū)瓦斯問(wèn)題有多種舉措，按經(jīng)濟(jì)投入可以分為地面瓦斯井、高抽巷、定向長(zhǎng)鉆孔等高投資措施以及上隅角插管、上隅角埋管、高位鉆孔等低投入措施，各個(gè)措施因其優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用在各大礦井。其中袁亮[9]等以淮南礦業(yè)和澳大利亞的應(yīng)用實(shí)踐，開(kāi)展了大直徑地面鉆井提高瓦斯抽采效果的理論與技術(shù)研究；肖峻峰，樊世星等[10]就高瓦斯近距離煤層群這一礦井特點(diǎn)對(duì)傾向高抽巷的布置進(jìn)行了優(yōu)化；李秀明[11]針對(duì)采空區(qū)瓦斯來(lái)源特點(diǎn)，就高位定向鉆孔布置技術(shù)，分析了其發(fā)展趨勢(shì)；胡晉林[12]就申南凹煤礦特有的礦井地質(zhì)條件，研究了高位鉆孔的布置方法，保證了礦井安全高效回采；于寶種[13]以黨家河煤礦為研究背景，分析了不同插管深度對(duì)瓦斯抽采效果的研究。綜合文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在高位鉆孔布置過(guò)程中，存在鉆孔布置數(shù)量多，抽采效率低下的特點(diǎn)?；诖?，本文通過(guò)相似模擬、理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，以申南凹煤礦20102綜采工作面為研究背景，就高位鉆孔合理布置、高效抽采以及降低經(jīng)濟(jì)投入為目標(biāo)進(jìn)行研究，以期為同類(lèi)型礦井起到指導(dǎo)作用，保證礦井安全高效回采。

1 工作面概況

申南凹煤礦20102綜采工作面開(kāi)采2號(hào)煤層，傾角平均5°，回采區(qū)域內(nèi)為近水平煤層，走向長(zhǎng)度1286m，傾斜長(zhǎng)度為180m，平均厚度為3.84m，采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，風(fēng)量為1950m3/min，煤層瓦斯壓力為0.04～0.14MPa，瓦斯含量為3.08～6.22m3/t，殘余瓦斯含量為2m3/t。煤層賦存結(jié)構(gòu)相比較簡(jiǎn)單，頂板以泥巖、細(xì)砂巖為主，交替分布，工作面周邊無(wú)采空區(qū)，回采過(guò)程不受影響。

2 回采過(guò)程中覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律模擬

2.1 相似模擬實(shí)驗(yàn)建立

根據(jù)申南凹煤礦礦井開(kāi)采背景，以相似理論為基礎(chǔ)，確定搭建幾何相似常數(shù)為200，容重相似常數(shù)為1.6，應(yīng)力相似常數(shù)為320，時(shí)間相似常數(shù)為14.1，載荷相似常數(shù)為1.28×107，泊松比常數(shù)為1的二維相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。上覆巖層模擬材料以清洗河沙為模擬主料，部分煤層及泥巖選用粉煤灰作為主料進(jìn)行模擬，石膏與大白粉用作補(bǔ)充模擬煤巖層硬度，以期提高模擬度。各種材料按不同配比混合制作模型，分層鋪墊達(dá)到模擬覆巖效果。模型力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，其中底板不是研究的主要部分未做模擬，將2號(hào)煤層直接與實(shí)驗(yàn)架接觸。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)長(zhǎng)×寬×高=3000mm×200mm×1200mm，兩邊預(yù)留長(zhǎng)度為500mm的邊界煤柱，覆巖上部未及巖層由鐵磚等效代替。受實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的技術(shù)限制，以實(shí)驗(yàn)一次采全高20mm(開(kāi)挖19.2mm難以控制，且影響相對(duì)可以忽略)模擬礦井實(shí)際開(kāi)采3.84m，位移、應(yīng)力、裂隙發(fā)育狀況等實(shí)時(shí)記錄。

表1 相似模擬實(shí)驗(yàn)力學(xué)參數(shù)

2.2 回采過(guò)程中覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，共記錄了工作面回采150m過(guò)程中，覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律，如圖1所示。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析可知，工作面回采過(guò)程中，覆巖裂隙呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。回采初期隨著煤層開(kāi)采，覆巖整體應(yīng)力平衡受到破壞，應(yīng)力向下作用，橫向裂隙發(fā)育，煤巖層受力加大，巖層出現(xiàn)破壞，縱向裂隙發(fā)育進(jìn)而形成大范圍擴(kuò)張裂隙區(qū)。隨工作面推進(jìn)已經(jīng)形成的裂隙區(qū)開(kāi)始閉合，并且周期性的向前發(fā)展。因此，抽采重點(diǎn)在于確定裂隙擴(kuò)張區(qū)的發(fā)育規(guī)律，從而確定高位鉆孔的布置位置，以期達(dá)到高效抽采的目標(biāo)。通過(guò)分析圖1可知：

圖1 工作面回采過(guò)程中覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律模擬結(jié)果

1)工作面回采至46m處，橫向裂隙以及縱向裂隙大量發(fā)育，直接頂超過(guò)其最大承重范圍，開(kāi)始出現(xiàn)梁式結(jié)構(gòu)破斷，頂板開(kāi)始垮落并產(chǎn)生初次來(lái)壓。

2)工作面回采至54m時(shí)，鉸接結(jié)構(gòu)大量形成，新的裂隙大量發(fā)育，隨后發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，右側(cè)覆巖破斷角為55°左側(cè)為68°，頂板周期來(lái)壓。

3)工作面回采至86m時(shí)，覆巖裂隙大量向上發(fā)展關(guān)鍵層隨即發(fā)生破壞，右側(cè)覆巖破斷角為58°左側(cè)為60°，初期形成的裂隙擴(kuò)張區(qū)壓實(shí)，并向前發(fā)育。

4)工作面回采至150m時(shí)，右側(cè)覆巖破斷角為55°左側(cè)為60°，可見(jiàn)裂隙擴(kuò)張區(qū)移動(dòng)明顯，整體裂隙移動(dòng)規(guī)律顯現(xiàn)。

2.3 回采過(guò)程中覆巖裂隙擴(kuò)張區(qū)發(fā)育規(guī)律分析

通過(guò)相似模擬結(jié)果分析，選取回采過(guò)程中覆巖7次來(lái)壓分布規(guī)律，如圖2所示，由圖2可知，隨工作面回采覆巖裂隙擴(kuò)張區(qū)隨裂隙帶高度升高呈現(xiàn)增高趨勢(shì)，隨裂隙帶高度發(fā)展趨于平穩(wěn)呈現(xiàn)穩(wěn)定向前發(fā)育狀態(tài)。通過(guò)對(duì)結(jié)果分析可知裂隙帶發(fā)育高度最大為52m。

圖2 工作面回采過(guò)程中覆巖裂隙擴(kuò)張區(qū)分布

學(xué)者認(rèn)為單一煤層開(kāi)采過(guò)程中，裂隙帶發(fā)育高度的確定可以借鑒導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算方法[14]。因此，本文以前蘇聯(lián)學(xué)者格維爾茨曼[15]提出的全部垮落法采煤時(shí)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算公式(見(jiàn)下式)為基礎(chǔ)，驗(yàn)證相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而得出準(zhǔn)確的裂隙擴(kuò)張區(qū)發(fā)育結(jié)果。

式中，K1為極限曲率；q0為最大下沉系數(shù)；M為工作面采高，m；Hs為裂隙帶發(fā)育高度，m；δ0為巖層移動(dòng)的極限角，(°)；φ3為充分采動(dòng)角，(°)。該公式[15]可以簡(jiǎn)化為下式：

通過(guò)上式計(jì)算確定申南凹裂隙帶發(fā)育高度為30.72～46.08m，與相似模擬結(jié)果基本吻合，所以證明相似模擬的準(zhǔn)確性。

3 高位鉆孔布置及抽采效果分析

裂隙擴(kuò)張區(qū)為覆巖裂隙高度貫通區(qū)域，該區(qū)域裂隙大量發(fā)育，是鄰近層與采空區(qū)瓦斯的通道，具有瓦斯?jié)舛却蟮忍攸c(diǎn)，是高位鉆孔的布置區(qū)域。

3.1 高位鉆孔布置參數(shù)

高位鉆孔的布置高度基于裂隙擴(kuò)張區(qū)發(fā)育高度確定，距回風(fēng)巷水平距離可依據(jù)覆巖垮落角確定。綜合前文相似模擬裂隙帶最高發(fā)育到52m以及理論分析裂隙帶高度為30.72～46.08m，確定試驗(yàn)鉆孔布置范圍為30～50m范圍內(nèi)；通過(guò)對(duì)相似模擬結(jié)果分析可知覆巖垮落角為55°～60°，所以距回風(fēng)巷距離為21～28m。抽采鉆孔施工選用ZDY4000鉆機(jī)施工，鉆孔直徑為94mm，鉆孔長(zhǎng)度為100m。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 高位鉆孔布置參數(shù)

3.2 高位鉆孔抽采效果分析

根據(jù)前文確定的鉆孔抽采參數(shù)，在20102綜采工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置高位鉆孔，分別記錄每個(gè)鉆孔給從開(kāi)始抽采以來(lái)23d內(nèi)的抽采純量數(shù)據(jù)，如圖3所示，由圖3可以看出：?jiǎn)慰壮椴杉兞侩S抽采時(shí)間呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后緩慢下降的趨勢(shì)，其中，增長(zhǎng)速率較快，下降相比較緩慢；單孔瓦斯抽采純量最大時(shí)峰值為1.98m3/min，抽采峰值最小是1號(hào)抽采鉆孔，為1.11m3/min；單孔抽采純量基本保持在1.3m3/min左右。

圖3 鉆孔抽采純量曲線(xiàn)

10月1日至11月10日抽采純量和濃度數(shù)據(jù)如圖4所示，由圖4中可以看出抽采濃度比較穩(wěn)定，保持在15%左右，證明抽采鉆孔布置銜接等合理且有效，說(shuō)明鉆孔布置的是否合理直接影響到瓦斯抽采濃度的穩(wěn)定性。同時(shí)，可以看出抽采純量最大值為14.81m3/min，最小值為8.05m3/min，說(shuō)明高位鉆孔抽采效果較好。

圖4 抽采純量和濃度曲線(xiàn)

為了綜合確定高位鉆孔的抽采效果，分別收集了鉆孔10月1號(hào)抽采后及未抽采前上隅角瓦斯?jié)舛茸兓瘮?shù)據(jù)如圖5所示。分析圖5可以看出，抽采前上隅角瓦斯?jié)舛茸畲筮_(dá)到0.83%，平均0.7%；抽采后瓦斯?jié)舛认陆得黠@，最大為0.51%，平均為0.4%。由此，可以看出高位鉆孔抽采效果明顯。

圖5 鉆孔抽采前后上隅角瓦斯?jié)舛?/p>

4 結(jié) 論

1)相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出覆巖裂隙發(fā)育最大高度為52m，理論分析得出覆巖裂隙發(fā)育高度為30.72～46.08m，所以確定高位鉆孔布置高度為30～50m。

2)相似模擬實(shí)驗(yàn)得出覆巖破斷角為55°～60°，結(jié)合覆巖裂隙發(fā)育高度可以得出高位鉆孔終孔距回風(fēng)巷距離為21～28m。

3)根據(jù)確定的高位鉆孔布置參數(shù)可以得出，高位鉆孔抽采鉆孔單孔抽采量平均為1.3m3/min，抽采濃度平均為15%，上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.51%，平均0.4%，抽采效果明顯，保證了礦井安全高效生產(chǎn)。