高瓦斯煤層群頂板定向長鉆孔抽采技術(shù)研究

張育磊

(山西金暉萬峰煤礦有限公司，山西 孝義 032300)

瓦斯是影響煤礦安全高效生產(chǎn)的主要因素之一[1-3]，特別是高瓦斯煤層，由于瓦斯含量高，開采期間容易出現(xiàn)上隅角瓦斯超限的問題。對于采空區(qū)瓦斯的治理，國內(nèi)外學者進行了大量的研究，形成了高抽巷、采空區(qū)埋管、普通高位鉆孔等抽采方式[4-7],對采空區(qū)瓦斯的治理均達到了一定的效果，但不可避免地也存在一些缺點，如：采用高抽巷抽采時，掘進和維護費用較高；采空區(qū)埋管抽采效率偏低；普通高位鉆孔存在抽采時間短、有效抽采孔段短等問題。

近年來我國出現(xiàn)了頂板定向長鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯技術(shù)，該技術(shù)是通過在煤層頂板布置鉆孔，利用工作面回采時頂板產(chǎn)生的裂隙來抽采采空區(qū)瓦斯，達到“以孔代巷”的目的，并對該技術(shù)進行了大量研究。許超[8]、李平[9]、趙建國[10]等對定向鉆機在高位定向鉆孔施工技術(shù)方面進行了闡述；段會軍[11]、李彥明[12]等利用定向鉆機裝備進行了煤層頂板定向長鉆孔施工，研究了定向鉆孔在上隅角瓦斯抽采中的應(yīng)用；王勇[13]、李文剛[14]、李宏[15]等采用數(shù)值模擬方法對頂板高位定向長鉆孔的合理布置層位進行了研究；侯國培等[16]根據(jù)“O形圈”理論，通過對比分析不同布孔高度定向長距離鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)及效果，得出布置定向鉆孔的最佳高度；武旭東等[17]利用Fluent數(shù)值模擬軟件研究了頂板走向長鉆孔間距和數(shù)量對瓦斯抽采效果的影響；程志恒等[18]采用數(shù)值模擬、理論分析與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，研究了采空區(qū)頂板高位走向長鉆孔高效抽采瓦斯作用機制；曹文超等[19]定量指出綜放工作面采空區(qū)覆巖斷裂帶分布范圍，并對高位定向鉆孔的合理布置參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。

綜上所述，前人采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法，對定向長鉆孔的抽采效果、布孔參數(shù)、抽采機理進行了研究，但是研究對象多為單一煤層，對近距離煤層群開采條件下定向長鉆孔抽采的研究較少。筆者以萬峰煤礦1201工作面為例，采用數(shù)值模擬方法研究工作面回采后對鄰近層的影響，采用理論計算方法得出鉆孔的合理布置位置，試驗分析了抽采效果。

1 工程概況

金暉萬峰煤礦位于山西省呂梁市文水縣境內(nèi)，生產(chǎn)能力為120 萬t/a，屬高瓦斯礦井，井田采用立井、單水平、分煤組集中下山開拓方式。

1201回采工作面處于礦井西南淺部區(qū)域，走向長約1 125 m，傾向長160 m，采用“U”形通風，最大配風量為1 512 m3/min。1201回采工作面開采1號煤層，煤層平均傾角為4°，平均埋深540 m，平均厚度為 1.5 m，采高1.6 m，距上部1上煤層5.5 m，距下部 2號煤層11.0 m，1上煤層平均厚度0.68 m，2號煤層平均厚度0.74 m；南鄰1103工作面采空區(qū)，北部為三采區(qū)上山保護煤柱，東部為二采區(qū)下山，西部為三采區(qū)。經(jīng)測試1號煤層原始瓦斯含量為8.11～11.92 m3/t，1上煤層原始瓦斯含量為11.05～11.90 m3/t，均為高瓦斯煤層。1201回采工作面巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 1201回采工作面巖層柱狀圖

2 工作面回采期間對鄰近層的影響及抽采機理分析

2.1 模型建立

根據(jù)萬峰煤礦1201回采工作面巖層柱狀圖，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件構(gòu)建工作面回采期間采空區(qū)頂?shù)装鍛?yīng)力演化的三維數(shù)值計算模型，模型尺寸為 200 m×4 m×76.5 m，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型圖

根據(jù)煤層埋深及開挖工作面與模型上邊界的距離，在計算模型頂部邊界施加12.25 MPa的等效載荷，其余5個邊界面均設(shè)置成速度為0的固定邊界。在數(shù)值模擬計算過程中，從距模型邊界40 m處開始開挖，第一次開挖長度為 20 m，之后依次增加10 m。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)模型計算結(jié)果，將工作面不同開挖長度的計算結(jié)果以云圖的形式顯示出來，如圖3所示。

(a)開挖20 m

從圖3中可以看出，隨著開挖距離的增加，頂?shù)装鍛?yīng)力降低區(qū)的高度逐漸增加。開挖到50 m時，應(yīng)力降低區(qū)的高度開始穩(wěn)定；開挖到40 m時，采空區(qū)中部應(yīng)力開始升高，表明采空區(qū)頂?shù)装逡呀?jīng)接觸；開挖到60 m時，采空區(qū)中部應(yīng)力開始接近原巖應(yīng)力，表明采空區(qū)開始出現(xiàn)重新壓實，且隨著開挖距離的增加，重新壓實的區(qū)域也逐漸增大。在重新壓實區(qū)內(nèi)，受采動影響產(chǎn)生的裂隙會在垂直應(yīng)力作用下重新閉合。同時也可以看出，隨著開挖距離的增加，1號煤層上方的1上煤層、下方的2號煤層和2下煤層均處于應(yīng)力降低區(qū)范圍，表明這些煤層均受到了 1號煤層回采的影響。

2.3 煤層群瓦斯抽采機理分析

煤層在開采過程中會對其頂?shù)装鍘r層產(chǎn)生影響，在豎直方向上自煤層以上會依次形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶，斷裂帶的形成為瓦斯的存儲和流動提供了空間和通道；煤層以下的底板也會在回采過程中受到不同程度的破壞。從上述模擬中可以看出，在開采1號煤層時，其上方5.5 m處的1上煤層、下方11.0 m處的2號煤層和13.2 m處的2下煤層均受到影響，會經(jīng)歷卸壓階段，產(chǎn)生大量裂隙，從而導(dǎo)致煤層發(fā)生卸壓增透，大量瓦斯從煤體中解吸出來。由于瓦斯氣體的密度低于其他氣體密度，在浮力作用下會向上流動，即從下方2號煤層、2下煤層解吸出的瓦斯會向采空區(qū)流動，上方的1上煤層的瓦斯會向采空區(qū)上方斷裂帶流動，最終上下鄰近層和本煤層采空區(qū)中的瓦斯漂浮到斷裂帶頂部大量積聚，同時在采空區(qū)漏風風流的作用下積聚的瓦斯會向回風巷一側(cè)移動。瓦斯流場如圖4所示。

圖4 煤層群開采瓦斯流場示意圖

通過在煤層頂板回風巷一側(cè)的斷裂帶范圍內(nèi)布置走向長鉆孔，在抽采負壓及浮力和風流的作用下，能夠?qū)Σ煽諈^(qū)瓦斯進行有效截流，防止瓦斯在上隅角積聚。同時，由于斷裂帶會隨著工作面回采長期存在，保障了鉆孔抽采的長期性。

3 鉆孔布置位置理論計算

從上述分析可知，近距離高瓦斯煤層群開采過程中，上隅角瓦斯的來源除了本煤層采空區(qū)外，還有上下鄰近層，同時工作面推進、頂板垮落，重新壓實區(qū)內(nèi)裂隙閉合，也會影響瓦斯流動。為了保障瓦斯抽采效果，頂板定向長鉆孔在垂向上應(yīng)布置在靠近回風巷的斷裂帶范圍內(nèi)，在水平方向上應(yīng)避開重新壓實區(qū)，對流向上隅角的瓦斯進行攔截，改變采空區(qū)瓦斯流場，保障抽采的有效性。

3.1 鉆孔高度位置確定

頂板定向長鉆孔高度范圍可通過采空區(qū)“豎三帶”中的垮落帶高度Hm、斷裂帶高度Hl經(jīng)驗公式計算得出，頂板定向長鉆孔高度H的取值范圍為Hm

表1 垮落帶和斷裂帶高度經(jīng)驗公式

萬峰煤礦1201回采工作面采高1.6 m，1號煤層上部主要為砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，頂板巖性為中硬，根據(jù)垮落帶與斷裂帶高度經(jīng)驗公式可以計算得出垮落帶與斷裂帶高度分別為3.8～8.2、20.4～31.6 m，即鉆孔高度應(yīng)位于8.2～31.6 m內(nèi)。

3.2 鉆孔水平位置確定

頂板定向長鉆孔水平范圍應(yīng)在靠近回風巷附近且要避開采空區(qū)重新壓實區(qū)，即：

S1

(1)

式中：S1為未卸壓區(qū)域水平長度,m;S為頂板定向長鉆孔距回風巷水平距離,m;S2為重新壓實區(qū)邊界到回風巷的距離,m。

S1可根據(jù)圖5求出。圖5中α為煤層傾角，β為頂板覆巖卸壓角，ΔS為保證頂板長鉆孔充分位于卸壓區(qū)域內(nèi)應(yīng)偏移的水平長度。

圖5 頂板走向長鉆孔水平位置確定圖

根據(jù)圖5可以得出：

(2)

所以：

(3)

重新壓實區(qū)邊界到回風巷的距離可以按下式計算[20]：

(4)

式中L為工作面長度,m。

由式(1)、式(3)和式(4)可得：

(5)

頂板覆巖卸壓角取65°，工作面長度為160 m，根據(jù)公式(5)計算得到頂板定向長鉆孔距回風巷的水平距離為5.76～53.33 m。

4 工業(yè)性試驗

4.1 鉆孔布置參數(shù)

根據(jù)理論計算，結(jié)合煤層上方巖性，確定頂板定向長鉆孔高度布置在1號煤層上部13.2 m厚度為 10 m 的砂質(zhì)泥巖中；為了保證頂板定向長鉆孔充分位于卸壓區(qū)域內(nèi)且避開重新壓實區(qū)，選取距回風巷水平距離為20～40 m?，F(xiàn)場施工時，在1201回風巷距開切眼345 m位置施工頂板定向長鉆孔鉆場，鉆場寬5 m、高3.4 m，鉆場內(nèi)共施工5個鉆孔，鉆孔直徑153 mm，鉆孔設(shè)計長度350 m，從距頂板14 m、距回風巷20 m開始施工第一個鉆孔。頂板定向長鉆孔施工參數(shù)見表2，布置圖如圖6所示。

表2 頂板定向長鉆孔施工參數(shù)

(a)鉆孔布置平面圖

4.2 抽采效果分析

工作面開始回采后，分別記錄回采不同距離時頂板定向長鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù)，下同)和瓦斯純流量、采空區(qū)上隅角瓦斯?jié)舛?，并將其繪制成曲線，如圖7所示。

(a)抽采瓦斯?jié)舛?/p>

從圖7中可以看出，隨著回采過程中鉆場與工作面的距離不同，即隨工作面回采距離的增大，頂板定向長鉆孔抽采可以分為3個階段：增長階段、穩(wěn)定階段和衰減階段，且穩(wěn)定階段抽采距離較長。在穩(wěn)定階段，抽采瓦斯?jié)舛冗_60%～70%、瓦斯純流量可達5～6 m3/min，且整個階段抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞髁坎▌硬淮?，在此期間，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.3%～0.4%，表明抽采效果較好，能夠有效防止上隅角瓦斯超限。

在增長階段和衰減階段，上隅角瓦斯?jié)舛葧兴黾樱治稣J為，在增長階段工作面回采距離較短，斷裂帶范圍未發(fā)展到頂板定向長鉆孔位置，裂隙不發(fā)育；在衰減階段，鉆孔高度有所降低，受采動影響增加，破壞了鉆孔的完整性。在這兩個抽采階段，可以輔助采用其他抽采方式，加強對鄰近層和采空區(qū)瓦斯的抽采，以更好地保障工作面安全回采。

5 結(jié)論

1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，近距離高瓦斯煤層群開采時，隨著開挖距離的增大，頂?shù)装鍛?yīng)力降低區(qū)的高度逐漸增加后趨于穩(wěn)定，上下鄰近煤層受采動影響發(fā)生卸壓導(dǎo)致煤層瓦斯解吸，在浮力和漏風風流影響下向回風巷一側(cè)積聚。

2)通過理論分析，頂板定向長鉆孔應(yīng)布置在靠近回風巷的斷裂帶范圍內(nèi)，由于斷裂帶會隨著工作面回采長期存在，抽采鉆孔能夠長時間、穩(wěn)定地抽出瓦斯。

3)隨著回采過程中鉆場與工作面的距離不同，頂板定向長鉆孔抽采可以分為3個階段：增長階段、穩(wěn)定階段、衰減階段，且穩(wěn)定階段抽采距離較長。增長階段和衰減階段抽采效果有所降低，分析認為是由于斷裂帶范圍未發(fā)展到頂板定向長鉆孔位置和鉆孔高度降低后鉆孔完整性遭到破壞而導(dǎo)致的，可采取輔助措施對這兩個階段的鄰近層和采空區(qū)瓦斯加強抽采。