長壁開采覆巖內(nèi)水平定向長鉆孔位置特征與卸壓瓦斯抽采機(jī)理

郭明杰 ，郭文兵 ，趙高博，袁瑞甫 ，王雨生，白二虎

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 深井瓦斯抽采與圍巖控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454000；3.西弗吉尼亞大學(xué) 礦業(yè)工程系,西弗吉尼亞州 摩根敦 26506；4.河南焦煤能源有限公司 九里山礦,河南 焦作 454100)

煤炭是支撐我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，瓦斯作為煤炭長壁開采過程中的伴生氣體，其對(duì)礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。當(dāng)前，隨著煤炭長壁開采向深部轉(zhuǎn)移，加之高產(chǎn)、高效生產(chǎn)模式的普及，使得煤炭長壁開采面臨的瓦斯災(zāi)害問題更加嚴(yán)峻[1-4]。煤與瓦斯共采技術(shù)為解決這一問題提供了方法途徑，其中，在覆巖內(nèi)布置水平定向長鉆孔(以下簡稱“定向長鉆孔”)抽采采空區(qū)卸壓瓦斯具有施工成本低，效率高，抽采時(shí)間長、可有效緩解采掘接替緊張等優(yōu)勢[5-7]，但限于定向長鉆孔自身結(jié)構(gòu)及布置等特點(diǎn)，其對(duì)在采動(dòng)覆巖中的布置抽采條件要求有其特殊性，研究定向長鉆孔位置特征及抽采機(jī)理對(duì)指導(dǎo)礦井定向長鉆孔的布置抽采，發(fā)展現(xiàn)有煤與瓦斯共采理論具有重要實(shí)際意義。

廣大學(xué)者對(duì)采動(dòng)覆巖裂隙內(nèi)卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了廣泛研究。錢鳴高等[8]提出了采動(dòng)裂隙的“O”形圈分布特征，并指出“O”形圈是卸壓瓦斯的流動(dòng)通道和儲(chǔ)存空間。在此基礎(chǔ)上，袁亮等[9]通過研究采動(dòng)覆巖移動(dòng)、裂隙發(fā)育、瓦斯富集區(qū)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)煤層群開采中瓦斯的高效抽采范圍進(jìn)行了判定，并提出了煤層頂板環(huán)形斷裂環(huán)理論和評(píng)價(jià)采動(dòng)裂隙演化的雙圓理論。許家林等[10-11]在分析確定覆巖關(guān)鍵層位置的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)計(jì)導(dǎo)氣裂隙帶高度的新方法，并針對(duì)煤層群開采時(shí)臨近層瓦斯卸壓解吸特征，對(duì)采空區(qū)上覆巖層劃分為導(dǎo)氣裂隙帶、卸壓解吸帶和不易解吸帶。李樹剛等[12]根據(jù)采場覆巖破斷裂隙和離層裂隙的空間動(dòng)態(tài)演化過程，提出了指導(dǎo)卸壓瓦斯抽采的采動(dòng)裂隙橢拋帶理論。馮國瑞等[13]通過物理模擬試驗(yàn)將采空區(qū)瓦斯流動(dòng)空間自上而下劃分為瓦斯高濃度區(qū)、瓦斯過渡區(qū)、瓦斯富集區(qū)和瓦斯無流區(qū)4 個(gè)區(qū)域，指出這些區(qū)域的邊界始終呈“V”形特征。

在對(duì)采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究基礎(chǔ)上，形成了巷道抽采、插(埋)管抽采和鉆孔抽采等多種卸壓瓦斯抽采技術(shù)[14]。近年來，隨著鉆進(jìn)技術(shù)及裝備水平的提升，采用地面垂直鉆孔[15]、普通高位鉆孔[16]、定向長鉆孔[17]等抽采利用卸壓瓦斯得到了廣泛應(yīng)用。其中，定向長鉆孔因其施工及抽采優(yōu)勢，逐漸成為工作面采空區(qū)卸壓瓦斯抽采治理的有效途徑。相關(guān)學(xué)者對(duì)其也進(jìn)行了大量研究探討，林海飛等[18]在采動(dòng)裂隙橢拋帶理論基礎(chǔ)上，采用相似模擬和Fluent 數(shù)值模擬對(duì)定向長鉆孔抽采時(shí)的布置層位進(jìn)行了模擬研究。李宏等[19]采用數(shù)值模擬對(duì)采動(dòng)覆巖破壞及裂隙發(fā)育進(jìn)行了模擬，確定了定向長鉆孔的布置層位，并進(jìn)行了抽采試驗(yàn)。段會(huì)軍等[20]通過工程試驗(yàn)，在對(duì)定向長鉆孔進(jìn)行分區(qū)布設(shè)抽采基礎(chǔ)上，研究確定了鉆孔的合適布置層區(qū)。閆振國[21]通過數(shù)值模擬研究，分析提出了定向長鉆孔布置的優(yōu)化方法，給出了鉆孔在覆巖中的布置區(qū)間范圍。

上述采動(dòng)裂隙演化及瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究可為普通高位鉆孔、高抽巷在采動(dòng)覆巖中布置抽采層位的確定提供理論依據(jù)。而針對(duì)定向長鉆孔，其自身結(jié)構(gòu)及布置抽采有其特殊性，對(duì)于其在長壁開采覆巖中布置抽采位置的確定，多數(shù)以試驗(yàn)?zāi)M和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，相關(guān)的理論分析方法尚不清晰。因此，研究定向長鉆孔的位置特征，闡述其抽采機(jī)理，進(jìn)而確定鉆孔在采動(dòng)覆巖中的布置抽采位置，是實(shí)現(xiàn)鉆孔穩(wěn)定、高效抽采卸壓瓦斯的關(guān)鍵。

筆者在分析定向長鉆孔位置特征基礎(chǔ)上，對(duì)鉆孔抽采卸壓瓦斯機(jī)理進(jìn)行了研究，提出了定向長鉆孔的位置判據(jù)，給出了確定定向長鉆孔布置抽采位置的方法流程，并結(jié)合數(shù)值模擬和工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法的合理性，對(duì)煤礦提高卸壓瓦斯抽采效率、實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采具有重要理論和實(shí)際意義。

1 定向長鉆孔位置特征

定向長鉆孔抽采治理采空區(qū)卸壓瓦斯技術(shù)原理為：工作面開采前，利用當(dāng)前先進(jìn)的長距離定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備，在煤層頂板沿水平施工定向長鉆孔，鉆孔除開口段外，其余為裸孔施工，并根據(jù)工作面采空區(qū)卸壓瓦斯抽采需要，長度通常為100～1 000 m；隨著工作面開采推進(jìn)，水平鉆孔保持位于穩(wěn)定的采動(dòng)覆巖裂隙區(qū)域，在鉆孔抽采負(fù)壓和瓦斯擴(kuò)散、滲流作用下，工作面上隅角和采空區(qū)內(nèi)卸壓瓦斯會(huì)向鉆孔源源不斷匯入，并經(jīng)由鉆孔抽出，實(shí)現(xiàn)卸壓瓦斯抽采治理的目的，如圖1 所示。

圖1 定向長鉆孔抽采工作面及采空區(qū)卸壓瓦斯Fig.1 Directional long boreholes drainage of pressure-relief gas in working face and goaf

定向長鉆孔布置于采動(dòng)覆巖內(nèi)抽采卸壓瓦斯，其位置特征即是其布置抽采特征。由于定向長鉆孔直徑小(150 mm 左右)、水平布置等特點(diǎn)，其在采動(dòng)覆巖中的位置特征主要表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

(1)鉆孔直徑小，導(dǎo)致其有效抽采半徑小，要求鉆孔布置位置區(qū)域?yàn)橥咚狗e聚區(qū)，即在瓦斯擴(kuò)散、滲流作用下，卸壓瓦斯能夠向鉆孔布置位置區(qū)域自然匯聚，為鉆孔抽采高濃度瓦斯提供條件。通過對(duì)某礦工作面U 型通風(fēng)作用下采空區(qū)瓦斯分布進(jìn)行數(shù)值模擬(圖2)，采空區(qū)瓦斯積聚特征為：采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)整體高于進(jìn)風(fēng)巷側(cè)，上部瓦斯體積分?jǐn)?shù)高于下部。

圖2 采空區(qū)瓦斯分布Fig.2 Gas distribution in goaf

(2)鉆孔斷面積小，直接與鉆孔聯(lián)通的裂隙相應(yīng)就少，要求鉆孔布置位置區(qū)域的巖層裂隙發(fā)育程度好，滲透率高，在鉆孔抽采負(fù)壓作用下，卸壓瓦斯在采空區(qū)內(nèi)可經(jīng)由裂隙向鉆孔布置位置區(qū)域快速流動(dòng)，為鉆孔抽采卸壓瓦斯提供瓦斯源保障。通過對(duì)某礦走向長壁開采工作面進(jìn)行數(shù)值模擬(圖3)，采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育特征為：在采空區(qū)四周存在裂隙發(fā)育區(qū)，呈環(huán)狀特征，中部隨工作面開采推進(jìn)裂隙逐漸被壓密，且整體下部裂隙發(fā)育程度較上部明顯。

圖3 采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育特征Fig.3 Fracture characteristics of mining overburden

(3)鉆孔水平布置于煤層頂板，且斷面積小，其在抽采階段受采動(dòng)影響極易發(fā)生塌孔、堵孔等破壞，導(dǎo)致鉆孔失效，要求鉆孔布置位置區(qū)域巖層受采動(dòng)影響穩(wěn)定性較好，巖層發(fā)生斷裂但仍能保持原層狀特征，無垮塌、錯(cuò)動(dòng)等發(fā)生，為布置于其內(nèi)鉆孔提供穩(wěn)定性條件。通過對(duì)某礦走向長壁開采工作面進(jìn)行相似模擬(圖4)，布置于采動(dòng)覆巖垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶內(nèi)定向長鉆孔穩(wěn)定性特征為：①垮落帶內(nèi)鉆孔隨采動(dòng)巖層的垮落發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)，極易發(fā)生塌孔、堵孔等破壞；②裂縫帶內(nèi)鉆孔隨采動(dòng)巖層斷裂發(fā)生拉剪破壞，但仍能保持原層狀特征，對(duì)鉆孔穩(wěn)定性存在一定程度的影響；③彎曲下沉帶鉆孔隨采動(dòng)巖層發(fā)生彎曲下沉，無斷裂產(chǎn)生，鉆孔穩(wěn)定性好。

因此，定向長鉆孔布置抽采的位置特征可簡要概述為：鉆孔位置區(qū)域瓦斯積聚程度高、采動(dòng)巖層滲透率高、采動(dòng)鉆孔穩(wěn)定性強(qiáng)。

文獻(xiàn)[22]在“O”形圈理論基礎(chǔ)上，通過分析采動(dòng)覆巖裂隙分布特征及巖層破斷“砌體梁”結(jié)構(gòu)，對(duì)傳統(tǒng)“豎三帶”中的裂縫帶沿橫向劃分為4 個(gè)區(qū)域，分別為：原巖裂隙區(qū)、拉張裂隙區(qū)、結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)和壓密裂隙區(qū)。其中，結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)在采場范圍內(nèi)呈環(huán)狀分布，區(qū)內(nèi)巖層呈“砌體梁”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載，破斷巖層裂隙發(fā)育明顯且保持穩(wěn)定。通過理論分析對(duì)區(qū)域各界面進(jìn)行了界定：豎向上，界定的上、下界面為距煤層的法向距離，也即裂縫帶的上、下界面；橫向上，界定的外、內(nèi)界面為距臨近側(cè)煤柱的水平距離，外界面以巖層破斷角為界，內(nèi)界面以“砌體梁”結(jié)構(gòu)巖層離層裂隙率0.3%處為界。在此研究基礎(chǔ)上，結(jié)合前述鉆孔位置特征的定性分析可知，鉆孔的適宜布置抽采范圍在豎向上應(yīng)位于裂縫帶，橫向上應(yīng)位于結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)回風(fēng)巷側(cè)區(qū)域(以下簡稱結(jié)構(gòu)裂隙區(qū))，其三維示意如圖5 所示。

圖5 定向長鉆孔布置抽采三維示意Fig.5 3D perspective diagram of directional long boreholes layout and drainage in coal mine roof

2 定向長鉆孔抽采卸壓瓦斯機(jī)理

通過對(duì)定向長鉆孔的位置特征分析可知，其對(duì)布置抽采位置條件要求苛刻，要實(shí)現(xiàn)定向長鉆孔穩(wěn)定、高效抽采卸壓瓦斯，需進(jìn)一步對(duì)其位置特征進(jìn)行量化分析，揭示定向長鉆孔在采動(dòng)覆巖中的布置抽采機(jī)理，進(jìn)而給出定向長鉆孔位置判據(jù)，明確其在采動(dòng)覆巖中的具體位置。

2.1 定向長鉆孔位置判據(jù)

現(xiàn)定義定向長鉆孔位置判據(jù)用Ce表示，其可分解為采動(dòng)裂隙內(nèi)瓦斯積聚程度Ra、采動(dòng)巖層滲透率Rp和采動(dòng)鉆孔穩(wěn)定性Rs三個(gè)因素指標(biāo)，具體計(jì)算公式可表達(dá)為

通過定量分析定向長鉆孔在采動(dòng)覆巖中的3 個(gè)方面位置特征，可得到鉆孔位置判據(jù)的3 個(gè)因素指標(biāo)，進(jìn)而可從判據(jù)值的大小確定鉆孔的布置位置次序，實(shí)現(xiàn)鉆孔的有效布置抽采。

2.2 采動(dòng)裂隙內(nèi)瓦斯積聚程度分析(Ra)

煤層開采導(dǎo)致賦存于煤層和巖體內(nèi)的瓦斯大量解吸涌出，卸壓解吸的瓦斯在采空區(qū)內(nèi)各處體積分?jǐn)?shù)分布不同，在壓力和體積分?jǐn)?shù)梯度作用下瓦斯氣體會(huì)在采動(dòng)覆巖裂隙內(nèi)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，造成區(qū)域內(nèi)各處瓦斯積聚程度不均。研究成果表明[12]，隨著距離煤層底板高度的增加，瓦斯分布體積分?jǐn)?shù)ρg變化規(guī)律為

式中，a為待定系數(shù)；δ為考慮瓦斯在采空區(qū)裂隙通道中純擴(kuò)散及壓強(qiáng)擴(kuò)散時(shí)的系數(shù)，可取0.018[13]；s為距離采空區(qū)底部的高度，m。

特定區(qū)域內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)越高代表瓦斯積聚程度越高，因此，在給定系數(shù)的情況下，由式(2)可計(jì)算采動(dòng)裂隙內(nèi)特定位置瓦斯分布的體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而量化鉆孔位置判據(jù)中的采動(dòng)裂隙內(nèi)瓦斯積聚程度指標(biāo)Ra。

2.3 采動(dòng)巖層滲透率分析(Rp)

煤層開采導(dǎo)致覆巖變形破壞及裂隙演化發(fā)育，在鉆孔抽采負(fù)壓作用下，瓦斯氣體在裂隙通道內(nèi)運(yùn)移流動(dòng)。由于采動(dòng)覆巖各處裂隙發(fā)育程度不同，造成滲透率也不相同，瓦斯氣體的流動(dòng)速度大小也有很大差別。因此，建立模型對(duì)采動(dòng)覆巖孔隙率進(jìn)行分析，是掌握采動(dòng)巖層滲透率分布的基礎(chǔ)。

2.3.1 模型坐標(biāo)

根據(jù)煤層開采情況，建立采動(dòng)覆巖孔隙率分布數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)如圖6 所示。模型坐標(biāo)設(shè)定為：沿工作面走向?yàn)閤軸，向采空區(qū)方向?yàn)檎较?；沿工作面傾向?yàn)閥軸，向工作面回風(fēng)巷方向?yàn)檎较?；沿采場高度方向?yàn)閦軸，向上為正方向；依據(jù)采動(dòng)覆巖破壞的對(duì)稱特性，模型坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置于工作面傾向中間煤層底板處。

圖6 數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)Fig.6 Mathematical model coordinates

2.3.2 孔隙率分布數(shù)學(xué)模型

(1)x方向孔隙率分布模型。在工作面走向上(x軸方向)，采動(dòng)巖層孔隙率?(x)呈指數(shù)函數(shù)分布特征，且采空區(qū)兩端孔隙率大，向中部延伸孔隙率逐漸減小，呈近似對(duì)稱分布[23]：

式中，B為采空區(qū)走向長度，m；x為距煤柱的水平距離，m，取值范圍為(0，B)。

(2)xy平面孔隙率分布模型。在工作面傾向上(y軸方向)，采動(dòng)巖層孔隙率亦呈采空區(qū)兩端孔隙率大，向中部延伸孔隙率逐漸減小的分布特征。若以?′(y)表示孔隙率的變化系數(shù)，則在建立的模型坐標(biāo)條件下，沿y軸方向，巖層孔隙率變化系數(shù)[24]可表述為

式中，L為工作面傾向長度，m；y取值范圍為(-L/2，L/2)。

聯(lián)立式(3)和式(4)，可構(gòu)建xy平面上采動(dòng)巖層孔隙率分布模型：

(3)xyz三維空間孔隙率分布模型。設(shè)?為巖層孔隙率，其與巖石碎脹系數(shù)k之間的關(guān)系可表示為

前述分析可知，定向長鉆孔在豎向上的布置區(qū)域?yàn)榱芽p帶，因此，僅對(duì)裂縫帶斷裂巖層的孔隙率分布進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[25]在對(duì)某礦頂板碎脹系數(shù)測量的基礎(chǔ)上，提出了裂縫帶范圍內(nèi)巖層碎脹系數(shù)由下向上近似呈對(duì)數(shù)函數(shù)衰減變化特征：

式中，k1為裂縫帶底邊界碎脹系數(shù)；b為衰減系數(shù)；z為距離煤層的法向距離，m。

將式(7)代入式(6)，得裂縫帶內(nèi)沿z軸方向的孔隙率函數(shù)為

則其沿z軸方向孔隙率的變化率為

則在裂縫帶內(nèi)，沿z軸方向孔隙率的變化系數(shù)?′(z)可表述為

進(jìn)而可得采空區(qū)裂縫帶高度范圍內(nèi)xyz三維空間孔隙率分布模型為

在得到采動(dòng)巖層孔隙率分布模型基礎(chǔ)上，進(jìn)而可對(duì)采動(dòng)巖層滲透率分布模型進(jìn)行分析。

2.3.3 滲透率分布數(shù)學(xué)模型

采動(dòng)裂隙發(fā)育造成巖層滲透率顯著增大，將采空區(qū)斷裂巖層視為多孔介質(zhì)，研究表明[26]，采空區(qū)斷裂巖層滲透率K與孔隙率?的關(guān)系可表述為

式中，μ為空氣的動(dòng)力黏性系數(shù)，室溫下μ=18.34 μPa·s。

將式(11)代入式(12)，則可得采空區(qū)裂縫帶高度范圍巖層滲透率分布數(shù)學(xué)模型為

由式(13)可分析求解卸壓瓦斯在采動(dòng)巖層中的滲透率，進(jìn)而量化鉆孔位置判據(jù)中的采動(dòng)巖層滲透率指標(biāo)Rp。

2.4 采動(dòng)鉆孔穩(wěn)定性分析(Rs)

根據(jù)定向長鉆孔施工特點(diǎn)，鉆孔水平抽采段為裸孔施工，位于裂縫帶，其與巖層發(fā)生同步變形、破斷。破斷巖層間離層對(duì)鉆孔穩(wěn)定性影響較小，而巖層的斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)鉆孔穩(wěn)定性影響很大，可導(dǎo)致鉆孔發(fā)生堵孔、塌孔等而失效。因此，對(duì)裂縫帶巖層斷裂巖塊的斷裂特征進(jìn)行分析是掌握采動(dòng)鉆孔穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

(1)巖層斷裂裂隙面積計(jì)算?！捌鲶w梁”結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂帶內(nèi)巖層斷裂分布形態(tài)進(jìn)行了較好的描述，因此，以工作面傾向剖面巖層斷裂“砌體梁”結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，取第1 層(最底層)巖層為分析對(duì)象，如圖7 所示。

圖7 裂縫帶第一破斷巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)Fig.7 Voussoir beam structure of the first broken stratum in the fractured zone

假設(shè)周期性破斷巖塊長度相同，即l1=l2=…=ln=l，n為采動(dòng)巖層破斷巖塊的數(shù)量，裂縫帶第一破斷巖層破斷塊體1 與水平線夾角為θ1,1，對(duì)“砌體梁”全結(jié)構(gòu)曲線的位移規(guī)律分析可知，破斷巖塊回轉(zhuǎn)角度滿足

結(jié)合地表下沉變形特征，巖層破斷“砌體梁”結(jié)構(gòu)曲線[27]可表示為

式中，Wx為巖層斷裂“砌體梁”結(jié)構(gòu)位移曲線，m；W0為巖層最大下沉值，m；x為距煤柱的水平距離，m；l為破斷巖塊長度，(h為巖層厚度，m；RT為巖層的極限抗拉強(qiáng)度，MPa；q為巖層承受載荷，kN)；a取0.25l。

裂縫帶第一破斷巖層的最大下沉值(W0)可表示為

式中，M為煤層開采厚度，m；為第一破斷巖層下方巖層總厚度，m；ks1為第一破斷巖層下方巖層的平均殘余碎脹系數(shù)。

據(jù)巖層破斷“砌體梁”結(jié)構(gòu)曲線假設(shè)，聯(lián)立式(14)，破斷塊體1 的下沉位移為

聯(lián)立式(14)～(17)，可得

則對(duì)于裂縫帶內(nèi)第j破斷巖層(從下向上順序排列)破斷巖塊1 與水平線的夾角可表示為

分析圖7 可知，兩相鄰破斷巖塊間夾角可由兩破斷巖塊與水平線的夾角相減求得，因此，第一破斷巖層兩相鄰破斷巖塊間夾角可表示為

式中，α1,i～i+1為第一破斷巖層破斷巖塊i與i+1 間的夾角，(°)；θ1,i為第一破斷巖層破斷巖塊i與水平線的夾角，(°)。

同理，第j破斷巖層兩相鄰破斷巖塊間夾角可表示為

設(shè)第j層相鄰兩破斷塊體間形成開度為d的等腰三角形，巖層厚度為hj，則開度dj,i～i+1與等腰三角形的面積Sj,i～i+1可分別表示為

聯(lián)立式(21)～(23)，第j破斷巖層相鄰兩破斷塊體間斷裂裂隙面積可表示為

將式(19)代入式(24)，得

通過對(duì)巖層破斷塊體間斷裂裂隙面積大小的計(jì)算，可進(jìn)一步分析布置于其位置的鉆孔穩(wěn)定性程度。

(2)鉆孔相對(duì)穩(wěn)定程度分析。巖層破斷、下沉特征不同，裂隙發(fā)育大小也不相同，進(jìn)而對(duì)布置于巖層中的鉆孔穩(wěn)定性的影響程度也各不相同，因此，可由巖層斷裂裂隙的大小間接反映布置于巖層中鉆孔受采動(dòng)影響的穩(wěn)定程度。由式(25)可計(jì)算得到裂縫帶內(nèi)各層破斷巖塊間斷裂裂隙面積，通過對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，并與1 取差值，即可得到布置于相應(yīng)破斷巖塊處鉆孔受采動(dòng)影響的相對(duì)穩(wěn)定程度，進(jìn)而量化鉆孔位置判據(jù)中的采動(dòng)鉆孔穩(wěn)定性指標(biāo)Rs。

2.5 定向長鉆孔位置確定方法流程

根據(jù)前述對(duì)定向長鉆孔位置特征及鉆孔布置抽采機(jī)理的分析，鉆孔在采動(dòng)覆巖中的布置抽采位置可參照圖8 的方法流程確定。

圖8 定向長鉆孔位置確定方法流程Fig.8 Method and process for determining the position of directional long boreholes

3 定向長鉆孔布置抽采數(shù)值模擬

以河南能源化工集團(tuán)焦煤九里山礦16051 工作面地質(zhì)采礦條件為背景，按照提出的方法流程確定定向長鉆孔在采動(dòng)覆巖中的布置位置，并采用COMSOL Multiphysics 數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)定向長鉆孔布置抽采進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證依據(jù)鉆孔位置判據(jù)進(jìn)行鉆孔布置抽采的合理性，分析確定鉆孔布置數(shù)量。

3.1 工程地質(zhì)條件

16051 工作面開采煤層為二疊系山西組二1 煤，煤層傾角12°，采用走向長壁分層開采，走向長495 m，傾斜長160 m，開采厚度3.0 m，平均埋深388.5 m。工作面經(jīng)區(qū)域瓦斯治理后，殘余瓦斯含量3.53～5.76 m3/t，預(yù)計(jì)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量2.32～4.77 m3/min[28]，工作面配風(fēng)量1 065 m3/min。工作面部分煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.2 定向長鉆孔位置確定

按照定向長鉆孔位置確定方法流程，首先對(duì)結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)邊界進(jìn)行界定，確定鉆孔在采動(dòng)覆巖中的布置范圍。然后通過量化分析定向長鉆孔3 方面位置特征，得到區(qū)域內(nèi)各位置布置鉆孔的判據(jù)值，進(jìn)而確定鉆孔的布置位置(實(shí)際應(yīng)用中，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量和配風(fēng)量會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)布置鉆孔的整體抽采量有一定影響，而對(duì)鉆孔具體布置位置確定仍以鉆孔3 方面位置特征為依據(jù))。

3.2.1 鉆孔布置范圍

前述通過對(duì)定向長鉆孔位置特征的分析，確定鉆孔的適宜布置抽采范圍為結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)，因此，采用理論計(jì)算公式[22]對(duì)此區(qū)域各界面進(jìn)行界定。豎向上界定的上、下界面為距煤層的法向距離，分別為5.3、36.6 m；橫向上界定的界面為距臨近側(cè)煤柱的水平距離，依據(jù)鉆孔布置特點(diǎn)，需確定沿傾向方向的外、內(nèi)界面，分別為0.47Hi和(0.47Hi+36.3)m(Hi為第i層巖層與煤層的法向距離)。

3.2.2 鉆孔布置位置

相關(guān)研究表明，采動(dòng)覆巖中定向長鉆孔的有效抽采半徑為5 m 左右[29]，為減小鉆孔抽采相互影響，提高單孔抽采效率，鉆孔間距應(yīng)為有效抽采半徑的2 倍，約10 m。計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)范圍(鉆孔布置的區(qū)域范圍)為：寬度36.3 m，高度31.3 m。因此，根據(jù)鉆孔有效抽采半徑及布置間距大小，為進(jìn)一步精準(zhǔn)確定鉆孔位置，可將結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)沿傾向剖面劃分為九宮格塊段，單個(gè)塊段寬度和高度均為10 m 左右，鉆孔布置于各塊段的中心位置。以工作面開采相似模擬試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)區(qū)域的塊段劃分及塊段內(nèi)鉆孔布置位置示意如圖9 所示。現(xiàn)對(duì)各塊段鉆孔位置判據(jù)3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化分析。

圖9 結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)塊段劃分及鉆孔位置(傾向剖面)Fig.9 Block division of structural fractured zone and position of borehole (dip section)

(1)塊段瓦斯積聚程度(Ra)。設(shè)結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)下邊界距離采空區(qū)底部高度為H，區(qū)域高度為3h，則區(qū)域上、中、下部巖層各塊段(圖9)距采空區(qū)底部的平均高度可分別表示為H+5h/2、H+3h/2 和H+h/2。據(jù)結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)邊界的計(jì)算結(jié)果，得H=8.3 m，H+3h=39.6 m，則由式(2)可得結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)內(nèi)上、中、下部巖層各塊段瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別為1.86a、1.54a、1.28a。

以各塊段瓦斯體積分?jǐn)?shù)代表瓦斯積聚程度，取結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)整體瓦斯積聚程度為1，則各塊段相對(duì)瓦斯積聚程度經(jīng)歸一化處理后見表2。

表2 各塊段相對(duì)瓦斯積聚程度Table 2 Relative gas accumulation degree of each block

(2)塊段巖層滲透率(Rp)。結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)為裂縫帶沿橫向劃分的一個(gè)分區(qū)，采用式(13)可對(duì)區(qū)域內(nèi)各塊段鉆孔位置判據(jù)中的巖層滲透率指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析。如圖9 所示，鉆孔在豎向上分別位于區(qū)域上、中、下部巖層的中間層位，因此，取k1=1.35[30-31]，B=300 m，L=160 m，b=0.09；煤層采高3.0 m，垮落帶高度為8.3 m，裂縫帶高度為39.6 m，經(jīng)計(jì)算，可分別得到裂縫帶內(nèi)上、中、下各部分巖層中間層位的滲透率分布函數(shù)曲面，如圖10 所示。由圖10 可知，隨著巖層距煤層頂板高度的不斷增大，整體滲透率逐漸降低，但幅度較?。粚?duì)于特定巖層而言，由于巖層破斷“砌體梁”結(jié)構(gòu)的存在，其四周滲透率高，中部壓實(shí)區(qū)域滲透率顯著降低。

圖10 斷裂帶內(nèi)上、中、下部巖層中間層位滲透率分布Fig.10 Permeability distribution in the middle layer of upper,middle,and lower strata in fractured zone

根據(jù)結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)在裂縫帶內(nèi)的位置范圍，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)塊段劃分情況，分別對(duì)圖10 上、中、下部巖層滲透率分布曲面在相應(yīng)塊段范圍進(jìn)行積分計(jì)算，得到了各塊段巖層的滲透率積分面積。取結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)內(nèi)采動(dòng)巖層整體滲透率為1，則各塊段內(nèi)巖層相對(duì)滲透率經(jīng)歸一化處理后見表3。

表3 各塊段巖層相對(duì)滲透率Table 3 Relative permeability of strata in each block

(3)塊段鉆孔穩(wěn)定性(Rs)。采用式(25)對(duì)結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)沿傾向剖面破斷巖塊間斷裂裂隙面積進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算各參數(shù)取值見表4。經(jīng)計(jì)算，得結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)各層破斷巖塊間斷裂裂隙面積，然后對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，并與1 取差值，得到布置于相應(yīng)巖塊處鉆孔受采動(dòng)影響的相對(duì)穩(wěn)定程度，見表5 (巖層為由下向上順序排列)。

表4 計(jì)算參數(shù)取值Table 4 Values of calculation parameters

表5 各層相鄰破斷巖塊間斷裂裂隙面積與鉆孔相對(duì)穩(wěn)定性指標(biāo)Table 5 Fracture area of broken rock blocks and relative stability index of borehole

根據(jù)結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)各劃分塊段所包含的破斷巖塊(每個(gè)塊段包含3 層巖層，各層包含2 個(gè)破斷巖塊，見表5 中不同填充顏色)，可得到各塊段內(nèi)布置鉆孔時(shí)其受采動(dòng)影響的相對(duì)穩(wěn)定程度，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理(取結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)內(nèi)布置鉆孔的整體穩(wěn)定性為1)，可得到相應(yīng)塊段內(nèi)布置鉆孔的相對(duì)穩(wěn)定性指標(biāo)，見表6。

表6 各塊段內(nèi)鉆孔相對(duì)穩(wěn)定性Table 6 Relative stability of boreholes in each block %

(4)鉆孔位置確定。將表2、3、6 中各塊段的3 個(gè)指標(biāo)分別代入式(1)，則可得到各塊段位置布置鉆孔時(shí)的判據(jù)值。由于得到的判據(jù)值較小，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理后如圖11 所示。

圖11 各塊段位置布置鉆孔的判據(jù)值Fig.11 Borehole layout criteria for the position of each block

據(jù)圖11 可知，鉆孔在結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)內(nèi)布置位置優(yōu)先次序?yàn)椋簤K段Ⅰ—塊段Ⅱ—塊段Ⅳ—塊段Ⅴ—塊段Ⅲ—塊段Ⅷ—塊段Ⅵ—塊段Ⅶ—塊段Ⅸ。

3.3 定向長鉆孔抽采數(shù)值模擬

采用COMSOL Multiphysics 數(shù)值計(jì)算軟件建立模型，按照得到的鉆孔位置次序，對(duì)布置于塊段Ⅰ和塊段Ⅱ位置單鉆孔和雙鉆孔抽采采空區(qū)卸壓瓦斯進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬假設(shè)采空區(qū)內(nèi)垮落、斷裂巖層為多孔介質(zhì)體，氣體不可壓縮且溫度恒定。

3.3.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬選擇流體模塊并進(jìn)行三維空間的穩(wěn)態(tài)求解，物理場接口選擇自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)接口與化學(xué)物質(zhì)傳遞接口下的稀物質(zhì)傳遞進(jìn)行耦合建模，并對(duì)建立幾何模型的結(jié)構(gòu)裂隙區(qū)進(jìn)行塊段劃分，雙鉆孔布置幾何模型如圖12 所示。

圖12 雙鉆孔布置采場幾何模型Fig.12 Geometric model of stope with double borehole layout

對(duì)模型賦參數(shù)如下：

(1)孔隙率及滲透率。對(duì)模型各劃分區(qū)域孔隙率和滲透率的賦值見表7。

表7 采場各區(qū)域孔隙率和滲透率Table 7 Porosity and permeability of each area of stope

(2)模型邊界條件。模型采用U 型通風(fēng)，邊界條件設(shè)置如下：

①自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)物理場。工作面、進(jìn)回風(fēng)巷及定向長鉆孔為自由流動(dòng)區(qū)域，采空區(qū)為多孔介質(zhì)區(qū)域；模型初始值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為速度入口，1.12 m/s；回風(fēng)巷和定向長鉆孔均設(shè)置為壓力出口邊界條件，其中回風(fēng)巷設(shè)置壓力為99 325 Pa，定向長鉆孔設(shè)置壓力為81 325 Pa；其余固體邊界設(shè)置為壁面。

②多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞物理場。自由流動(dòng)與多孔介質(zhì)區(qū)域設(shè)置與上述物理場一致；模型初始值設(shè)置為整個(gè)采場內(nèi)均為空氣；進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為風(fēng)流入口，均為空氣；回風(fēng)巷和鉆孔設(shè)置為出口；工作面內(nèi)瓦斯涌出源為底板及煤壁，通量為2.43×10-3mol/(m2·s)，采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出源為底板及3 側(cè)煤壁，通量為8.42×10-5mol/(m2·s)；其余固體邊界設(shè)置為壁面。

(3)模型網(wǎng)格劃分。采用物理場控制網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中，雙鉆孔布置模型共包含1 549 359 個(gè)域單元、160 624 個(gè)邊界元和8 722 個(gè)邊單元，如圖13 所示。

圖13 雙鉆孔布置模型網(wǎng)格劃分Fig.13 Grid division of double borehole layout model

3.3.2 鉆孔抽采分析

塊段Ⅰ和塊段Ⅱ位置單鉆孔和雙鉆孔抽采條件下工作面及采空區(qū)瓦斯分布如圖14 和15 所示。

圖14 鉆孔抽采瓦斯分布傾向切面云圖Fig.14 Inclination section nephogram of gas distribution of borehole drainage

由圖14 可知，在定向長鉆孔抽采作用下，工作面整體瓦斯體積分?jǐn)?shù)小，采空區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于30%，但仍存在部分高濃度瓦斯積聚區(qū)域，沿走向(x方向)y=34 m 位置附近瓦斯積聚程度最高。其中，雙鉆孔較單鉆孔抽采效果顯著，采空區(qū)瓦斯積聚區(qū)范圍很小；單鉆孔抽采時(shí)，塊段Ⅰ位置鉆孔較塊段Ⅱ位置鉆孔抽采效果好。

圖15 為沿走向y=34 m 切面瓦斯分布云圖，圖中黃色線條對(duì)應(yīng)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為55%左右，分別對(duì)其在x軸和z軸方向上的分布進(jìn)行了標(biāo)注。對(duì)鉆孔抽采瓦斯純量及工作面、采空區(qū)瓦斯分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表8，采場內(nèi)各處瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值均位于煤壁(煤層)附近。

表8 鉆孔抽采瓦斯純量及采場瓦斯分布Table 8 Pure volume of gas of borehole drainage and gas distribution in stope

圖15 鉆孔抽采瓦斯分布走向切面云圖(y=34 m)Fig.15 Strike section nephogram of gas distribution of borehole drainage (y=34 m)

由表8 可知：

(1)單鉆孔布置抽采時(shí)。塊段Ⅰ位置鉆孔抽采瓦斯純量為0.876 m3/min，塊段Ⅱ位置鉆孔為0.780 m3/min；從鉆孔抽采瓦斯純量、采空區(qū)高濃度瓦斯(瓦斯體積分?jǐn)?shù)≥55%)分布范圍及最大值、回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)3 方面可知，塊段Ⅰ位置鉆孔抽采瓦斯效果優(yōu)于塊段Ⅱ位置鉆孔；雖然工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于1%，但回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏高，采空區(qū)內(nèi)仍存在寬度百余米、高度十余米的高濃度瓦斯積聚區(qū)。

(2)雙鉆孔布置抽采時(shí)。鉆孔抽采瓦斯總純量為1.750 m3/min，其中，塊段Ⅰ位置鉆孔抽采瓦斯純量為1.067 m3/min，是塊段Ⅱ位置鉆孔的1.56 倍；雙鉆孔抽采作用下，采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯積聚區(qū)范圍很小，主要集中于底板附近(分層開采，底板為煤層)；工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)也較小。

(3)通過分析單、雙鉆孔抽采瓦斯情況可知，塊段Ⅰ位置鉆孔抽采效果優(yōu)于塊段Ⅱ位置，同時(shí)布置抽采時(shí)，塊段Ⅰ位置鉆孔抽采瓦斯純量為塊段Ⅱ位置鉆孔的1.56 倍，驗(yàn)證了按照鉆孔位置判據(jù)進(jìn)行鉆孔布置抽采的合理性；雙鉆孔布置抽采瓦斯總純量明顯提高，且大于單鉆孔抽采時(shí)兩鉆孔抽采瓦斯純量之和，鉆孔平均抽采能力為0.85 m3/min 左右；雙鉆孔布置抽采效果顯著，其對(duì)采空區(qū)、工作面上隅角及回風(fēng)巷的瓦斯治理效果均優(yōu)于單鉆孔抽采，可以實(shí)現(xiàn)工作面及采空區(qū)卸壓瓦斯的抽采治理。

因此，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，16051 工作面設(shè)計(jì)布置雙鉆孔(分別位于塊段Ⅰ和塊段Ⅱ)抽采卸壓瓦斯，以確保工作面安全生產(chǎn)。

4 定向長鉆孔布置抽采現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 定向長鉆孔布置

在九里山礦16021 下車場處開口，沿走向在16051 工作面頂板施工2 個(gè)定向長鉆孔進(jìn)行卸壓瓦斯抽采。1 號(hào)鉆孔位置為塊段Ⅰ(次序1)，2 號(hào)鉆孔位置為塊段Ⅱ(次序1)，鉆孔直徑96 mm，間距9.5 m，抽采負(fù)壓20 kPa，如圖16 所示。

圖16 鉆孔成孔傾向剖面Fig.16 Dip profile of boreholes construction

4.2 定向長鉆孔抽采瓦斯分析

工作面開采至鉆孔位置附近時(shí)，對(duì)鉆孔抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，直至工作面回采結(jié)束，歷時(shí)232 d，鉆孔抽采瓦斯純量及混量如圖17 所示。

圖17 鉆孔抽采瓦斯數(shù)據(jù)Fig.17 Gas drainage data of boreholes

分析圖17 可知：

(1)1 號(hào)鉆孔最大瓦斯抽采純量和混量分別為2.59、9.86 m3/min，對(duì)應(yīng)單日最大瓦斯抽采純量為3 729.6 m3；2 號(hào)鉆孔最大瓦斯抽采純量和混量分別為2.20、7.84 m3/min，對(duì)應(yīng)單日最大瓦斯抽采純量為3 168.0 m3。

(2)對(duì)于鉆孔抽采全階段，兩鉆孔抽采瓦斯總純量為0.59～3.19 m3/min，其中，1 號(hào)鉆孔平均瓦斯抽采純量為1.15 m3/min，平均日抽采瓦斯純量1 656.0 m3；2 號(hào)鉆孔平均瓦斯抽采純量為0.45 m3/min，平均日抽采瓦斯純量648.0 m3。

(3)1 號(hào)鉆孔的最大瓦斯抽采純量和混量均大于2 號(hào)鉆孔，且1 號(hào)鉆孔抽采全階段的瓦斯抽采純量約為2 號(hào)鉆孔的2.56 倍，布置于塊段Ⅰ(次序1)的1 號(hào)鉆孔抽采效果明顯優(yōu)于布置于塊段Ⅱ(次序2)的2 號(hào)鉆孔。

在定向長鉆孔抽采作用下，工作面無出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，對(duì)回風(fēng)巷瓦斯傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，如圖18 所示。

圖18 回風(fēng)巷瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.18 Gas monitoring data of return airway

由圖18 可知，在定向長鉆孔抽采作用下(抽采瓦斯總純量為0.59～3.19 m3/min)，回風(fēng)巷平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.06%～0.24%，最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.11%～0.72%，風(fēng)排瓦斯量為0.69～2.79 m3/min，定向長鉆孔對(duì)工作面采空區(qū)卸壓瓦斯進(jìn)行了有效抽采治理，工作面及回風(fēng)巷均沒有發(fā)生瓦斯超限事故，驗(yàn)證了按照鉆孔位置確定方法進(jìn)行鉆孔布置抽采的合理性。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合定向長鉆孔抽采卸壓瓦斯技術(shù)原理及其結(jié)構(gòu)、布置抽采等特點(diǎn)，闡述了長壁開采覆巖內(nèi)定向長鉆孔的3 個(gè)位置特征：鉆孔布置位置區(qū)域瓦斯積聚程度高，為鉆孔抽采卸壓瓦斯提供濃度條件；鉆孔布置位置區(qū)域裂隙較為發(fā)育，為鉆孔抽采提供瓦斯源保障；鉆孔布置位置區(qū)域巖層受采動(dòng)影響較小，為鉆孔提供穩(wěn)定性條件。

(2)通過理論分析采動(dòng)裂隙內(nèi)卸壓瓦斯積聚程度Ra、采動(dòng)巖層滲透率Rp和采動(dòng)鉆孔穩(wěn)定性Rs三個(gè)方面位置特征，揭示了定向長鉆孔在采動(dòng)覆巖中的抽采機(jī)理，并在提出定向長鉆孔位置判據(jù)Ce基礎(chǔ)上，確定了定向長鉆孔的布置抽采位置，給出了具體的方法流程。

(3)通過數(shù)值模擬、工程實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，研究結(jié)果表明：依據(jù)鉆孔位置判據(jù)進(jìn)行鉆孔布置抽采的總瓦斯純量為0.59～3.19 m3/min，其中，單鉆孔最大瓦斯抽采純量達(dá)2.59 m3/min，為其他對(duì)比鉆孔的2.56 倍；在定向長鉆孔抽采作用下，回風(fēng)巷最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.11%～0.72%，風(fēng)排瓦斯量為0.69～2.79 m3/min，驗(yàn)證了按照鉆孔位置確定方法進(jìn)行鉆孔布置抽采的合理性。