綜放工作面初采期拋物線型高位鉆孔瓦斯抽采研究

劉清寶， 陳龍， 龔選平， 尉瑞， 成小雨， 丁建勛

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710054；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710054；3.中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X分公司， 山西 河津 043300)

0 引言

隨著煤炭開(kāi)采安全監(jiān)控裝備技術(shù)水平的提高[1-2]，許多煤礦都實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效生產(chǎn)[3]，其中綜采放頂煤工藝技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，使得綜放工作面推進(jìn)速度快、產(chǎn)量高，但同時(shí)也導(dǎo)致初采期回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛绕遊4-5]。初采期是指綜放工作面從開(kāi)切眼回采到基本頂初次垮落的這段時(shí)間[6-7]。初采期頂板巖石逐漸垮落，裂隙帶發(fā)育不充分，而一般的瓦斯抽采主要集中在頂板裂隙帶，造成瓦斯抽采效果不佳，回風(fēng)隅角瓦斯超限，影響礦井的正常生產(chǎn)，因此，初采期的采空區(qū)瓦斯治理是防止瓦斯超限的首要任務(wù)。

周華東等[8]提出用初采傾向高抽巷、走向高抽巷和輔助傾斜高抽巷來(lái)抽采初采期的工作面瓦斯，較好地解決了綜放工作面初采期的瓦斯超限問(wèn)題。張勝利等[9]采用切巷深孔爆破強(qiáng)制放頂充填采空區(qū)方法提高了瓦斯排放效率，降低了綜放工作面的瓦斯?jié)舛?。程志恒等[10]對(duì)初采期的工作面圍巖應(yīng)力-裂隙發(fā)育及分布特征進(jìn)行了研究，根據(jù)研究結(jié)果設(shè)計(jì)了山西呂梁沙曲煤礦的瓦斯抽采鉆孔。張超等[11]開(kāi)發(fā)了多縫線金屬射流定向預(yù)裂爆破技術(shù)，并在山西長(zhǎng)治常村礦進(jìn)行了預(yù)裂增透現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。吳仁倫等[12]采用數(shù)值模擬軟件方法研究了頂板預(yù)裂法對(duì)初采期的瓦斯治理效果。孫家偉[13]對(duì)綜放工作面初采期的高抽巷布置方式進(jìn)行了優(yōu)化，有效解決了初采期的瓦斯超限問(wèn)題。劉洋[14]提出了用大直徑扇形高位鉆孔替代傾向高位巷治理采空區(qū)瓦斯，在山西呂梁沙曲煤礦進(jìn)行了試驗(yàn)，大直徑扇形高位鉆孔抽采效果較為理想。劉志偉[15]針對(duì)低滲煤層開(kāi)展了高壓水射流割縫強(qiáng)化措施，煤層的瓦斯抽采流量和濃度顯著提升。此外，一些學(xué)者分別采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法研究了開(kāi)采穩(wěn)定時(shí)期的采空區(qū)覆巖三帶高度和裂隙發(fā)育，并對(duì)鉆孔或巷道的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[16-19]。

目前學(xué)者們主要研究了開(kāi)采穩(wěn)定時(shí)期的覆巖裂隙規(guī)律，或者采取爆破、預(yù)裂等方法使得初采期的覆巖裂隙盡快與采空區(qū)導(dǎo)通來(lái)抽采采空區(qū)瓦斯，由于對(duì)初采期煤層上覆巖層的裂隙演化規(guī)律掌握不夠，不能更好地設(shè)計(jì)初采期的鉆孔軌跡，導(dǎo)致初采期的瓦斯抽采效果不佳。為此，本文以中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X礦12309綜放工作面為例，通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了初采期煤層頂板覆巖結(jié)構(gòu)和裂隙發(fā)育規(guī)律，并對(duì)初采期的高位定向鉆孔進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了拋物線型高位定向鉆孔瓦斯抽采方法，以期為類似條件的礦井瓦斯防治提供技術(shù)參考。

1 工程背景

王家?guī)X礦12309綜放工作面平均煤層厚度約為6 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；傾向長(zhǎng)度為260 m，走向長(zhǎng)度為1 321 m。采用長(zhǎng)壁后退式采煤法及綜合機(jī)械化放頂煤工藝，工作面采用U型通風(fēng)方式，膠帶巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷回風(fēng)，采用自然跨落法管理采空區(qū)頂板。12309綜放工作面實(shí)測(cè)瓦斯含量為2.75～3.17 m3/t，整體瓦斯含量無(wú)較大變化。

王家?guī)X礦設(shè)計(jì)日產(chǎn)量大，綜放工作面生產(chǎn)強(qiáng)度大，瓦斯涌出量大，曾在多個(gè)工作面的初采期采用常規(guī)的高位定向鉆孔抽采瓦斯，但抽采效果不理想，導(dǎo)致工作面的瓦斯?jié)舛容^高。降低初采期采空區(qū)的瓦斯?jié)舛?、防止回風(fēng)隅角瓦斯超限成為該礦井目前亟需解決的問(wèn)題。

2 初采期覆巖裂隙演化規(guī)律

2.1 物理相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本次相似模擬實(shí)驗(yàn)的幾何相似常數(shù)取值為100，密度相似取1.5，泊松比相似常數(shù)取值為1.0。根據(jù)王家?guī)X礦實(shí)際地質(zhì)條件、覆巖性質(zhì)等各因素選擇相似模擬材料的配比號(hào)(表1)，構(gòu)建2 m走向的物理相似模型，結(jié)合模型的大小，逐層計(jì)算各分層材料的用量并填充，工作面物理相似模型如圖1所示。

圖1 工作面物理相似模型

表1 巖層分布及其物理學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

采用UDEC數(shù)值模擬軟件，根據(jù)2號(hào)煤層頂板巖層物理力學(xué)性質(zhì)(表2)設(shè)計(jì)走向?yàn)?00 m、高度為200 m的模型，煤層開(kāi)采高度為6 m，工作面推進(jìn)速度為6 m/d，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。模型左右和底部邊界位移固定，頂部施加5 MPa均布載荷模擬上覆巖層應(yīng)力，覆巖采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用符合莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。在模型左右各留50 m的邊界影響區(qū)域，研究初采期工作面推進(jìn)至50 m范圍內(nèi)的覆巖裂隙演化規(guī)律。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表2 煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)

2.3 采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律

初采期不同推進(jìn)距離下覆巖結(jié)構(gòu)及裂隙演化模擬如圖3所示(紅色代表裂隙發(fā)育)。由圖3可知，工作面煤層開(kāi)采后，引起覆巖處應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致巖體發(fā)生不同程度的變形和破壞，在覆巖內(nèi)部形成采動(dòng)裂隙。當(dāng)工作面推進(jìn)至20 m時(shí)，煤層頂板裂隙發(fā)育的范圍較小，裂隙數(shù)量較少，出現(xiàn)了破斷裂隙和少量的離層裂隙。隨著工作面的推進(jìn)，頂板裂隙逐步發(fā)育，裂隙發(fā)育的高度和范圍隨著推進(jìn)距離的增加而增大，當(dāng)工作面推進(jìn)至35 m時(shí)直接頂出現(xiàn)離層。當(dāng)工作面推進(jìn)至50 m時(shí)，直接頂離層垮落，采空區(qū)覆巖破壞大幅增加，覆巖破斷裂隙和離層裂隙的數(shù)量增多，范圍進(jìn)一步增大，在覆巖13 m處產(chǎn)生較大破壞，形成較多縱向穿層裂隙，破壞一直延伸至28 m高度處，產(chǎn)生若干離層裂隙，覆巖破壞分布形態(tài)呈現(xiàn)出近似橢圓拋物狀，與初采期覆巖的裂隙發(fā)育比較，可判定工作面推進(jìn)至約50 m時(shí)為工作面初次來(lái)壓。因此，在工作面從開(kāi)切眼推進(jìn)至50 m時(shí)，根據(jù)初采期煤層頂板裂隙的發(fā)育情況，若布置常規(guī)高位定向水平鉆孔，由于此時(shí)期裂隙發(fā)育高度較低，未達(dá)到鉆孔控制范圍，不能有效抽采初采期采空區(qū)的低位瓦斯，可能引起抽采效果不佳或者回風(fēng)隅角瓦斯超限等。

(a) 工作面推進(jìn)20 m時(shí)的覆巖結(jié)構(gòu)

3 初采期工作面瓦斯涌出特征

3.1 工作面瓦斯?jié)舛?/h3>

分別對(duì)初采期的綜放工作面不同位置處的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，沿工作面傾向布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為在20、60、100、125、150號(hào)支架處，沿工作面走向分別布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為距煤壁300 mm、前刮板輸送機(jī)、支架行人道、后刮板輸送機(jī)處，初采期工作面不同位置的瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。其中05-25—27、05-29—31、06-02—03、06-05、06-07—09對(duì)應(yīng)的是檢修班工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)，05-28、06-01、06-04、06-06對(duì)應(yīng)的是生產(chǎn)班工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)。

圖4 初采期工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)

由圖4可知，檢修期間，不同日期和不同支架處的瓦斯體積分?jǐn)?shù)差別不大，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.02%～0.12%，工作面暴露煤體自然釋放瓦斯量最大僅為1.2 m3/min，分析認(rèn)為此時(shí)涌出量即為工作面在檢修時(shí)暴露煤體的瓦斯涌出量。05-28之前，生產(chǎn)班與檢修班工作面不同位置處的瓦斯?jié)舛茸兓苄?，這是由于在初采階段采空區(qū)范圍較小，漏風(fēng)迅速，將采空區(qū)瓦斯排出；05-28—06-06，生產(chǎn)班的瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，沿工作面傾向，同一日期生產(chǎn)班的不同支架處瓦斯體積分?jǐn)?shù)不同，但瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律相似，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)從20～150架支架逐漸增大，且在100～150架支架處瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增幅較大，沿工作面走向，由工作面煤壁300 mm→前刮板輸送機(jī)→支架行人道→后刮板輸送機(jī)瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，后刮板輸送機(jī)的最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.6%，這是由于隨著采空區(qū)面積的增大，采空區(qū)內(nèi)存在大量瓦斯，漏風(fēng)風(fēng)流將采空區(qū)積存的瓦斯由100～150架支架的尾部排出，導(dǎo)致工作面的瓦斯體積分?jǐn)?shù)較大。因此，在初采期間，需要設(shè)計(jì)參數(shù)合理的瓦斯抽采鉆孔,對(duì)采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽采。

3.2 瓦斯涌出來(lái)源

綜放工作面的瓦斯按照來(lái)源的不同可以分為煤壁瓦斯涌出、采落煤瓦斯涌出以及采空區(qū)瓦斯涌出。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛群蛨?bào)表統(tǒng)計(jì)法得出了工作面的瓦斯來(lái)源及構(gòu)成，如圖5所示。初采期，采落煤釋放的瓦斯一部分隨著風(fēng)流排出，另一部分被漏風(fēng)帶入采空區(qū)，加之初采期煤層頂板覆巖裂隙發(fā)育不充分，采空區(qū)遺煤釋放的瓦斯和采落煤漏入采空區(qū)的瓦斯大量積存到采空區(qū)中，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的50%以上。因此，在初采期，采空區(qū)的瓦斯涌出是工作面瓦斯涌出的主要來(lái)源，需采取高位鉆孔對(duì)采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽采，防止采空區(qū)頂板來(lái)壓時(shí)工作面瓦斯?jié)舛壬呋蛘叱蕖?/p>

圖5 瓦斯來(lái)源及比例

3.3 瓦斯涌出量

初采期工作面瓦斯涌出量如圖6所示。從圖6可看出，在初采期，工作面瓦斯涌出量整體上呈上升的趨勢(shì)，且有明顯的階段性特征，大致可分為3個(gè)階段：直接頂垮落前、直接頂垮落至基本頂初次垮落、基本頂垮落后。直接頂垮落前，工作面瓦斯涌出量不超過(guò)5 m3/min；隨著工作面的推進(jìn)，直接頂逐漸垮落，造成工作面瓦斯涌出量增大，在05-31達(dá)到5.45 m3/min，之后維持在5 m3/min左右；06-05由于基本頂?shù)目迓?，瓦斯涌出量大幅度增加，最大瓦斯涌出量接? m3/min。

圖6 初采期工作面瓦斯涌出量

初采期，采空區(qū)瓦斯一部分由工作面風(fēng)流經(jīng)回風(fēng)隅角帶入回風(fēng)流中，一部分積聚在靠近回風(fēng)一側(cè)的采空區(qū)深部，當(dāng)工作面初次來(lái)壓時(shí)，采空區(qū)基本頂短時(shí)間內(nèi)垮落，采空區(qū)深部瓦斯短時(shí)間內(nèi)經(jīng)回風(fēng)隅角被擠出，可能造成工作面回風(fēng)隅角瓦斯超限。由初采期的覆巖裂隙演化規(guī)律可知，初采期間的裂隙發(fā)育不充分，常規(guī)的裂隙帶高位定向水平鉆孔不能有效抽采初采期采空區(qū)的低位瓦斯，因此，需對(duì)初采期間的高位定向鉆孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止基本頂來(lái)壓時(shí)引起回風(fēng)隅角瓦斯超限。

4 拋物線型高位定向鉆孔設(shè)計(jì)

一般情況下，工作面初采期間基本頂初次來(lái)壓前，采空區(qū)上覆巖層垮落高度較低，裂隙發(fā)育較少，上部裂隙帶還未完全形成，瓦斯不能及時(shí)地浮生到裂隙帶，若采用常規(guī)設(shè)計(jì)的高位定向水平鉆孔(圖7)抽采采空區(qū)瓦斯，由于覆巖的裂隙發(fā)育較少且層位較低，會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯抽采效果不佳。王家?guī)X礦曾在多個(gè)工作面的初采期采用常規(guī)的高位定向水平鉆孔抽采瓦斯，但抽采效果不理想，導(dǎo)致工作面的瓦斯?jié)舛容^高，因此，為了提高初采期高位定向鉆孔的抽采效果，需要對(duì)高位定向鉆孔的軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖7 常規(guī)設(shè)計(jì)的高位定向鉆孔

根據(jù)對(duì)初采期覆巖裂隙演化規(guī)律模擬結(jié)果可知，在基本頂初次來(lái)壓前，頂板裂隙發(fā)育不充分，因此，根據(jù)工作面實(shí)際情況，將工作面初采期的第1組高位鉆孔設(shè)計(jì)成拋物線軌跡，該鉆孔軌跡將1-3和1-4鉆孔終孔位置設(shè)計(jì)在煤層里，能夠和采空區(qū)直接導(dǎo)通，用于工作面初采期采空區(qū)低位瓦斯抽采，解決了高位水平鉆孔初采期層位較高的問(wèn)題，避免了工作面基本頂初次來(lái)壓時(shí)采空區(qū)瓦斯短時(shí)間內(nèi)排出瓦斯造成的上隅角瓦斯?jié)舛绕叩膯?wèn)題。隨著工作面的推進(jìn)，高位鉆孔的層位逐漸升高，與裂隙帶導(dǎo)通，抽采卸壓瓦斯。初采期設(shè)計(jì)的拋物線型高位定向鉆孔剖面圖如圖8所示，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

圖8 初采期設(shè)計(jì)的拋物線型高位定向鉆孔

表3 高位鉆孔參數(shù)

5 初采期瓦斯抽采效果考察

5.1 高位鉆孔抽采效果

為了對(duì)比初采期常規(guī)高位定向鉆孔的抽采效果和拋物線型高位定向鉆孔的抽采效果，分別對(duì)常規(guī)高位定向鉆孔和拋物線型高位定向鉆孔的抽采純量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖9、圖10所示。

圖9 常規(guī)高位定向鉆孔抽采純量

圖10 拋物線型高位定向鉆孔抽采純量

從圖9、圖10可看出，初采期鉆孔的抽采純量整體上呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明隨著工作面的不斷回采，工作面采空區(qū)裂隙逐漸發(fā)育，鉆孔與裂隙導(dǎo)通導(dǎo)致抽采流量逐漸增大。常規(guī)高位定向鉆孔的抽采純量在前期較低，不超過(guò)0.3 m3/min，而拋物線型高位定向鉆孔的抽采純量在0.65 m3/min以上。常規(guī)高位定向鉆孔的平均抽采純量為0.45 m3/min，拋物線型高位定向鉆孔的平均抽采純量為0.71 m3/min，平均瓦斯抽采純量提高了約37%，表明在初采期間拋物線型高位定向鉆孔的抽采效果較好，在工作面采空區(qū)基本頂初次來(lái)壓之前有效地抽采了采空區(qū)積存的瓦斯。

5.2 工作面瓦斯治理效果

初采期高位鉆孔抽采下的工作面上隅角和回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖11所示。從圖11可看出，利用拋物線型高位定向鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，采空區(qū)瓦斯能被及時(shí)抽出，防止了瓦斯涌出到工作面，初采期間上隅角最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.12%～0.50%，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.36%，回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.01%～0.13%，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.06%，瓦斯體積分?jǐn)?shù)均小于0.80%，達(dá)到了工作面瓦斯治理的預(yù)期效果，工作面能夠安全高效生產(chǎn)。因此，工作面初采期利用拋物線型高位定向鉆孔抽采瓦斯，在保障工作面的安全回采中起到了至關(guān)重要的作用。

圖11 初采期工作面上隅角和回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)

6 結(jié)論

(1) 初采期的煤層頂板裂隙較少，隨著工作面的推進(jìn)，頂板裂隙逐步發(fā)育，裂隙發(fā)育的高度和范圍隨著推進(jìn)距離的增加而增大，裂隙最大發(fā)育高度約為28 m，工作面初采來(lái)壓步距約為50 m。

(2) 沿工作面傾向，瓦斯?jié)舛葟?0～150架支架逐漸增大；沿工作面走向，由工作面煤壁300 mm→前刮板輸送機(jī)→支架行人道→后刮板輸送機(jī)瓦斯?jié)舛戎饾u增大。初采期工作面瓦斯涌出量呈上升趨勢(shì)，采空區(qū)瓦斯涌出量占比超過(guò)50%，是工作面瓦斯涌出的主要來(lái)源。

(3) 為了優(yōu)化初采期高位鉆孔的抽采效果，結(jié)合初采期覆巖裂隙演化規(guī)律，對(duì)初采期的高位定向鉆孔的軌跡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。將工作面初采期的高位水平長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)成拋物線軌跡，該鉆孔軌跡將鉆孔終孔位置設(shè)計(jì)在煤層里，能夠和采空區(qū)直接導(dǎo)通，用于工作面初采期采空區(qū)低位瓦斯抽采，解決了高位水平鉆孔初采期層位較高的問(wèn)題，避免了工作面基本頂初次來(lái)壓時(shí)采空區(qū)瓦斯短時(shí)間內(nèi)排出造成的上隅角瓦斯?jié)舛绕叩膯?wèn)題。

(4) 對(duì)比了常規(guī)高位定向鉆孔和拋物線型高位定向鉆孔的抽采純量，拋物線型高位定向鉆孔抽采效果較好，平均瓦斯抽采純量提高了約37%。采用拋物線型高位定向鉆孔抽采后，上隅角和回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別為0.50%和0.13%，均小于0.80%，達(dá)到了瓦斯抽采的預(yù)期效果，保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。