基于“鉆孔-巷道”雙卸壓圈的首采面瓦斯治理研究

李艷奎，王海雷，張家行，李豪君

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司 九里山煤礦，河南 焦作 454171)

隨著開采深度和開采強(qiáng)度的增加，工作面回采初期瓦斯快速釋放導(dǎo)致工作面瓦斯超限事故頻發(fā)，也存在著工作面瓦斯燃燒、瓦斯爆炸的風(fēng)險，成為制約高瓦斯礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)的重要難題[1，2]。尤其是受采動影響較小的首采工作面，前期采動影響小、瓦斯預(yù)抽難度大。當(dāng)工作面開始回采時，在采動應(yīng)力作用下，煤體裂隙發(fā)育、擴(kuò)展，煤體強(qiáng)度急劇下降，煤體內(nèi)部的瓦斯卸壓釋放，使得工作面瓦斯?jié)舛瓤焖僭龈?，使得這一問題更為突出[3-5]。

針對這一問題，我國大多數(shù)高瓦斯礦區(qū)采用裂隙帶鉆孔抽采[6，7]和高抽巷[8，9]等卸壓瓦斯抽采方法。鉆孔由于自身直徑較小，卸壓范圍有限，只能等待工作面回采產(chǎn)生采動裂隙才能發(fā)揮作用，相對于工作面回采存在一定的滯后性[10]。常見的高抽巷的形式有三種，分為常規(guī)的走向或傾向高抽巷、附有尾巷的組合式高抽巷和起始段下彎的高抽巷[11]。高抽巷由于多布置在巖層中，存在著施工工程量大、造價高、設(shè)計適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。同時，高抽巷層位布置的合理性難以保證，導(dǎo)致高抽巷抽采效果存在較大的差異[12]。采用鉆孔和高抽巷抽采裂隙帶、采空區(qū)瓦斯各有利弊[13]，為了同時利用鉆孔控制區(qū)域廣和高抽巷的采動影響范圍大的優(yōu)點(diǎn)，提出了在高抽巷內(nèi)施工下向鉆孔的方法解決首采工作面抽采初期瓦斯治理的難題，并對下向鉆孔常見的問題提出了解決方案，在現(xiàn)場進(jìn)行了工程實踐。

1 “鉆孔-巷道”雙卸壓圈理論分析

1.1 “鉆孔-巷道”雙卸壓圈模型

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，在井下巷道掘進(jìn)過程中，巷道和鉆孔周圍的巖石發(fā)生變形破裂。按照巖石破壞程度和瓦斯流動規(guī)律，將此區(qū)間分為破裂區(qū)、塑性強(qiáng)化區(qū)、彈性變形區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，如圖1所示。煤巖體受力發(fā)生變形，并在外力的作用下，煤巖體內(nèi)裂縫孔隙不斷孕育、擴(kuò)展和溝通[14]。在瓦斯抽采過程中，鉆孔不僅是瓦斯流動的通道，還是新的裂紋、煤巖應(yīng)力釋放的來源，與巷道的卸壓效果一致。

圖1 巷道周圍應(yīng)力和滲透率分布

在現(xiàn)場工程實踐和卸壓圈理論的基礎(chǔ)上，針對煤礦井下的瓦斯抽采特征，提出了“鉆孔-巷道”雙卸壓圈模型，如圖2所示。若巷道與鉆孔之間的距離為l，巷道和鉆孔的卸壓范圍分別是r1、r2。當(dāng)l

圖2 “鉆孔-巷道”雙卸壓圈模型瓦斯流動

1.2 瓦斯運(yùn)移質(zhì)量方程

巷道與鉆孔的卸壓作用相互影響，煤體內(nèi)部的瓦斯壓力隨著二者之間的距離變化而改變。鉆孔與巷道之間某一點(diǎn)的瓦斯壓力[16]如式(1)所示。

Pi(x，y，z)=Pi0(x，y，z)-PM(x，y，z)-PN(x，y，z)

(1)

式中，i為巷道與鉆孔之間的任意點(diǎn)；M、N分別為巷道和鉆孔的空間位置；Pi(x，y，z)為巷道與鉆孔之間的任意一點(diǎn)i處的瓦斯壓力，MPa；Pi0(x，y，z)為i點(diǎn)的煤層瓦斯原始壓力，MPa；PM(x，y，z)為巷道對i點(diǎn)瓦斯壓力的影響，MPa；PN(x，y，z)為鉆孔對i點(diǎn)瓦斯壓力的影響，MPa。

吸附態(tài)瓦斯在煤基質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散由菲克定律來計算，如式(2)所示。

m=-Dc

(2)

式中，m為吸附狀態(tài)煤層氣的質(zhì)量擴(kuò)散通量矢量，kg/(m2·s)；D為煤層孔隙系統(tǒng)的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；c為單位體積煤層所含吸附狀態(tài)煤層氣的質(zhì)量，即煤層中吸附狀態(tài)煤層氣擴(kuò)散質(zhì)量濃度，kg/m3。

在煤體內(nèi)部，c可以根據(jù)朗格繆爾公式得到，如式(3)所示。

(3)

式中，VL為煤的最大吸附量，m3/kg；pL為朗格繆爾壓力常量，Pa；p為煤層瓦斯壓力，Pa；Vm為標(biāo)準(zhǔn)條件下甲烷的摩爾體積，m3/mol；ρc是煤密度，kg/m3；Mc是瓦斯的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

游離態(tài)瓦斯在裂隙內(nèi)的滲流符合達(dá)西定律，滲流速度如式(4)所示。

(4)

式中，v是空隙中瓦斯的流動速度，m/s；k為鉆孔四周煤體滲透率，m2；μ為瓦斯動力黏度系數(shù)，Pa·s。

吸附態(tài)瓦斯和游離態(tài)瓦斯均服從理想氣體狀態(tài)方程式，如式(5)所示。

(5)

式中，P為吸附平衡時孔隙系統(tǒng)吸附瓦斯?jié)舛认鄬?yīng)的假想平衡壓力，Pa；R為瓦斯氣體常數(shù)，J/(kg·k)；T為煤層溫度，K；ρ為游離狀態(tài)煤層氣的密度，其與煤層裂隙孔隙率乘積為煤層中游離狀態(tài)煤層氣質(zhì)量濃度，kg/m3。

在煤層中，游離態(tài)瓦斯和吸附態(tài)瓦斯均由質(zhì)量守恒方程控制，如式(6)所示。

(6)

式中，φ為煤體孔隙度，%；t為時間，s。

將式(1)—式(5)帶入式(6)，可以得到鉆孔巷道雙卸壓圈模型中煤層內(nèi)受鉆孔和巷道采動影響的游離瓦斯和吸附瓦斯的質(zhì)量守恒方程，如式(7)所示。

(7)

1.3 雙卸壓圈抽采原理

在工程現(xiàn)場應(yīng)用中，巷道與鉆孔之間的距離l遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二者卸壓范圍(l?r1+r2)的情況更為普遍。若鉆孔長度為L，當(dāng)L>l-r1-r2時，就需要施工鉆孔將二者卸壓區(qū)域溝通起來，形成新的瓦斯流動通道?；谙孪蜚@孔抽采壓力遠(yuǎn)大于裂隙中的瓦斯壓力，此時可以近似忽略下向鉆孔兩端的瓦斯壓力差，式(1)中巷道與鉆孔之間的關(guān)系依然適用。

高抽巷下向鉆孔是“鉆孔-巷道”雙卸壓圈模型在瓦斯抽采中的應(yīng)用。高抽巷與本煤層預(yù)抽鉆孔形成“鉆孔-巷道”雙卸壓圈；下向鉆孔將鉆孔與巷道連通起來形成瓦斯流動通道，同時也相當(dāng)于形成更多的鉆孔卸壓圈，從而促進(jìn)瓦斯抽采，如圖3所示。

圖3 高抽巷下向鉆孔瓦斯抽采布置

根據(jù)2022版《煤礦安全規(guī)程》第一百九十四條，“煤層瓦斯壓力達(dá)到或者超過3MPa的區(qū)域，可采用井下頂?shù)装逑锏肋h(yuǎn)程操控方式施工區(qū)域防突措施鉆孔”[17]，鉆孔巷道雙卸壓圈理論亦可為突出礦井的防突措施提供理論依據(jù)。

1.4 三帶高度的確定

根據(jù)上覆巖層運(yùn)移的“分帶”理論，煤層上方巖層在豎直方向上分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，是鄰近層瓦斯抽采理論依據(jù)[18]。為保證抽采瓦斯的濃度，高抽巷需布置在裂隙帶的中上部；為避免高抽巷下向鉆孔與采空區(qū)相連，下向鉆孔的終孔需在冒落帶上部。因而，裂隙帶、冒落帶高度的確定是布置高抽巷及其內(nèi)部下向鉆孔的前提。

現(xiàn)場觀測及實驗結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)不同開采階段采動裂隙發(fā)育、擴(kuò)展影響范圍具有明顯的動態(tài)分層特性。初采階段，采動裂隙層位發(fā)育范圍在豎直方向上較低，沒有達(dá)到裂隙帶高度；但在水平方向范圍較大，具體由鄰近關(guān)鍵層的強(qiáng)度決定，強(qiáng)度越高，范圍越大[19，20]。正常開采期，采動裂隙層位向上逐漸發(fā)育，最終達(dá)到穩(wěn)定高度，即裂隙帶高度。采動裂隙影響范圍呈漏斗狀，瓦斯抽采的目標(biāo)層位包括裂隙帶底部、中下部及上部[21]。高抽巷位于裂隙帶中上部，此范圍內(nèi)離層裂隙較為發(fā)育，鉆孔可以溝通層間裂隙和穿層裂隙，為瓦斯流動提供通道。

冒落帶最大高度由式(8)計算：

(8)

式中，a為冒落帶高度，m；h為煤層開采高度，m；Kp為冒落巖石的碎脹系數(shù)；α為煤層傾角，(°)。

裂隙帶高度即從煤層頂板起至裂隙帶上部的高度，一般中硬頂板裂隙帶上部最大高度計算如式(9)所示。

(9)

式中，b為裂隙帶最大高度，m。

2 工程試驗

2.1 工作面概況

試驗工作面為沁水盆地余吾煤業(yè)1301首采工作面，布置在3號煤層中。煤層平均厚度為4.76m，采用“U型+高抽巷”的形式布置采煤巷道，即1301運(yùn)輸巷(斷面5.5m×4.2m)，1301回風(fēng)巷(斷面5.5m×3.8m)和1301高抽巷(斷面3.2m×2.8m)，工作面長度240m，推進(jìn)長度480m左右，可采儲量約62萬t，設(shè)計采用大采高一次采全厚采煤工藝，全部垮落法管理頂板。煤層透氣性系數(shù)為0.000206m2/(MPa2·d)，衰減系數(shù)0.011d-1，百米煤孔初始瓦斯流量為0.128m3/(min·hm)，3號煤層的透氣性較差，屬于較難抽采類型。

2.2 高抽巷及下向鉆孔布置

2.2.1 高抽巷布置

經(jīng)式(8)、式(9)計算，1301工作面冒落帶和裂隙帶高度分別約為11.2m、42.4m。高抽巷布置為走向高抽巷，與回風(fēng)巷內(nèi)錯45m，距煤層頂板高度為30～44.119m。設(shè)計掘進(jìn)長度500m，其中，開口段矩形斷面長度為10m，斷面尺寸為3.8m×2.9m，采用“錨網(wǎng)噴+錨索+鋼筋梯子梁”支護(hù)；其余巷道斷面為半圓拱形斷面，掘進(jìn)寬度為3.2m，掘進(jìn)高度為2.8m，采用錨網(wǎng)支護(hù)；施工坡度為3‰。

2.2.2 下向鉆孔布置

在高抽巷兩側(cè)巷壁施工鉆孔?？拷仫L(fēng)巷方向，布置傾斜平行指向工作面下向鉆孔，增大抽采量，特別是預(yù)防工作面回采過程中上隅角瓦斯積聚；靠近進(jìn)風(fēng)巷方向，依次布置傾斜平行指向工作面順層鉆孔，擴(kuò)大抽采影響范圍。鉆孔參數(shù)見表1，高抽巷及下向鉆孔的空間位置如圖4所示。

表1 下向鉆孔參數(shù)

圖4 高抽巷及下向鉆孔剖面布置

2.2.3 鉆孔施工措施

高抽巷下向鉆孔施工困難，排水、排渣難以解決，同時鉆孔的密封性難以控制，限制了其現(xiàn)場應(yīng)用的范圍。為了解決此問題，提出以下改進(jìn)措施：

1)增加下向鉆孔設(shè)計長度，終孔位置穿過冒落帶頂部1m左右，使殘余的鉆屑及鉆井液流入預(yù)留長度中，減少對瓦斯抽采的影響。

2)鉆孔內(nèi)加設(shè)高壓氣管，使用空壓機(jī)產(chǎn)生的1.5MPa高壓氣流沖孔，排出鉆孔內(nèi)的鉆屑及水分；鉆孔起鉆時，帶風(fēng)作業(yè)。

3)采用多步段封孔技術(shù)，隔絕鉆孔的封孔段與圍巖裂隙的連通，提高封孔嚴(yán)密性。

2.3 抽采結(jié)果及分析

1301首采工作面采取在高抽巷施工下向鉆孔的措施避免開采初期的工作面瓦斯超限，高抽巷與下向鉆孔采取“高負(fù)壓低流量”的原則設(shè)置獨(dú)立的抽采管路。記錄工作面推進(jìn)距離與高抽巷瓦斯抽采數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 高抽巷及下向鉆孔隨工作面推進(jìn)抽采瓦斯量

根據(jù)現(xiàn)場測定，回采工作面初次來壓步距為22m，預(yù)計此時高抽巷抽采瓦斯量達(dá)到最大值。然而，與圖5對比分析發(fā)現(xiàn)，在工作面推進(jìn)12m左右，高抽巷抽采的瓦斯?jié)舛染鸵呀?jīng)開始增加。因而，通過施工高抽巷及下向鉆孔，1301首采工作面瓦斯抽采濃度和流量的峰值提前了10m。通過實施高抽巷及下向鉆孔瓦斯抽采措施，1301首采工作面初采期間，回采工作面沒有出現(xiàn)瓦斯超限斷電情況，抽采效果符合預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié) 論

1)通過對巷道和鉆孔周邊的巖石力學(xué)和瓦斯流動機(jī)理的分析，提出“鉆孔-巷道”雙卸壓圈模型，將巷道、鉆孔周圍分為破碎區(qū)、塑性增強(qiáng)區(qū)、彈性變形區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。在采動應(yīng)力作用下，巷道和鉆孔之間裂隙不斷孕育發(fā)生擴(kuò)展，增強(qiáng)煤層滲透率和瓦斯流動通道。

2)為了解決首采工作面回采初期的瓦斯超限問題，提出了高抽巷內(nèi)施工下向鉆孔的瓦斯抽采方法，并針對下向鉆孔的施工難題提出了解決方案。

3)通過在1301首采工作面實施高抽巷及下向鉆孔工程試驗，瓦斯抽采流量和濃度峰值超前于初次來壓步距10m，改善了首采工作面抽采初期瓦斯超限問題，為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。