近距離突出危險煤層群卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究

金廷旭，謝建林，孫曉元

（太原科技大學安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

采動卸壓抽采是降低近距離突出危險煤層群開采危險性的關(guān)鍵技術(shù)。王凌鶴[8]、程志恒[9]和楊正凱[10]等人針對沙曲井田近距離各煤層均具有突出危險性的情況，建立了上保護層為主的井上下聯(lián)合防突模式；劉震等[11]以淮北青東礦近距離突出煤層群為例，理論分析了上保護層開采底板卸壓與瓦斯涌出規(guī)律，制定了上保護層開采瓦斯的立體抽采技術(shù)；馬國強等[12]為破解松藻煤電打通一礦近距離突出煤層群上保護層開采面臨的快速消突與瓦斯超限難題，提出了以“增透護孔快速消突、抽排瓦斯解決超限”為思路的瓦斯綜合治理技術(shù)體系；黃鶴[13]結(jié)合復雜地質(zhì)條件下依蘭三礦近距離突出煤層群的賦存特點，確定了首采工作面在回采前和回采時的綜合瓦斯治理技術(shù)；張國鋒[14]針對白皎煤礦2421首采面下伏多煤層均具有突出危險性的現(xiàn)狀，構(gòu)建了“底板穿層網(wǎng)格鉆孔抽采+俯斜穿層攔截鉆孔抽采+頂板鉆孔抽采”的綜合立體式卸壓瓦斯抽采系統(tǒng)；劉雪莉[15]將淮南新莊孜礦多個突出煤層整合成一個治理單元，以弱突出煤層為關(guān)鍵保護層，明確了“上下遞進、立體抽采”的鄰近煤層卸壓瓦斯抽放技術(shù)。

綜合上述分析可知，對于近距離突出危險煤層群而言，如何施工頂板走向長鉆孔以解決上鄰近層瓦斯成為當前亟需解決的問題。許多學者針對采動卸壓抽采系統(tǒng)進行了全面分析，形成系統(tǒng)、成熟的瓦斯抽采理論與技術(shù)。這些研究為近距離突出危險煤層群的開采提供了借鑒實例，但提出的方法都有一定的適用性。對西山煤電屯蘭礦而言，該礦煤層結(jié)構(gòu)復雜，瓦斯涌出量大，突出危險性強，抽采十分困難。鑒于此，筆者在系統(tǒng)分析了工作面回采時的應力分布變化和與煤巖位移情況，進而提出了有針對性的頂板定向長鉆孔設計方案，并對其進行了現(xiàn)場考察與分析。研究成果可為類似條件的煤層安全回采提供經(jīng)驗。

1 仿真模型構(gòu)建

現(xiàn)場實測表明[16]，屯蘭煤礦屬于典型的近距離突出危險煤層群開采，首采的2 號煤層具有“高壓力、低含量”突出特征。以北三盤區(qū)左翼22302 工作面為例，其主采2 號煤層和3 號煤層，2 號煤層厚度為2.12 m，3 號煤層厚度為0.67 m，兩者之間夾有平均0.49 m 的炭質(zhì)泥巖。2 號煤層頂板向上地層中含有1 號煤層、03 號煤層和02 號煤層，3 號煤層底板向下地層中含有4 號煤層和4 號下煤層。煤層綜合賦存情況如圖1 所示。工作面采用傾斜長壁后退式一次采全高全部垮落綜合機械化采煤方法，走向長度為1 600 m，傾斜長150 m。根據(jù)中煤科工集團重慶研究院的預測結(jié)果，2 號煤層和鄰近的4 號煤層均具有突出危險性。

圖1 22302 回采工作面煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of the coal seam in 22302 mining face

經(jīng)過分析，22302 工作面回采時的瓦斯來源主要為本煤層瓦斯及上下鄰近層瓦斯。因此，該工作面使用“本煤層預抽+上鄰近層瓦斯抽采+采空區(qū)后部瓦斯抽采”的方式來解決回采期間的瓦斯問題。在上述綜合抽采技術(shù)體系之中，本煤層使用軌道順槽單側(cè)沿層鉆孔，采空區(qū)則利用從瓦斯治理巷向采空區(qū)后部施工大直徑鉆孔。上述兩種抽采方法相對經(jīng)典，抽采工藝的確立原則較為也明確。。實際上，頂板鉆孔的布置方案受工作面地質(zhì)情況、瓦斯賦存情況和巷道分布情況等多重因素的影響，故需要結(jié)合實際情況進行模擬仿真，以分析22302 工作面回采期間上下煤層的應力、位移與塑性區(qū)分布情況，從中選取合理的布孔方案，指導施工作業(yè)與現(xiàn)場實踐。

結(jié)合屯蘭煤礦22302 工作面作業(yè)規(guī)程和鄰近工作面采掘情況[17-18]，確立工作面及相關(guān)煤巖層的物理力學參數(shù)（表1）。根據(jù)表1 的相關(guān)參數(shù)，利用FLAC3D 軟件構(gòu)建22302 工作面的仿真模型。為避免邊界效應對模擬結(jié)果的影響，x 方向（傾向）和y 方向（走向）均設定為210 m，z 方向（豎向）高度設定為30.42 m。由此所建立的模型共含有24 255 個節(jié)點和27 104 個網(wǎng)格，如圖2 所示。

圖2 仿真模型及網(wǎng)格劃分情況圖Fig.2 Simulation model and grid division diagram

表1 22302 回采工作面及鄰近煤巖層基本情況表Table 1 Basic situation table of 22302 mining face and adjacent coal and rock strata

2 仿真模擬初步分析

根據(jù)22302 回采面作業(yè)規(guī)程，工作面標高為676～803 m，地面標高為1 081～1 208 m，對其進行均值化處理，確立工作面的平均埋深為450 m，模型上端面的埋深近似為430 m。參照垂直地應力的分布規(guī)律，在埋深25～2 700 m，垂直地應力值與2.7 g/cm3計算出的上覆巖層自重基本相當[19]。由此可知模型上部端面所施加的載荷為11.7 MPa。模型的其他斷面均設置為速度固定，本構(gòu)模型選擇摩爾-庫倫屈服準則，依據(jù)默認收斂標準進行求解。

2.1 未開挖時仿真結(jié)果分析

利用Tecplot 軟件對未開挖情況下22302 工作面的應力與位移分布情況進行后處理，選取回采工作面中部截面y=105 m 進行分析，所得到的分布結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，在11.7 MPa 的原巖應力作用下，應力和位移梯度線基本呈水平分布。由于模型底端固定，最大位移量出現(xiàn)在模型頂部，其值為1.8 mm。相應地，位于模型底部的最大垂直應力為12.35 MPa，經(jīng)校核該值與理論計算結(jié)果基本一致。

例如：在進行小學數(shù)學五年級的有關(guān)于圓的相關(guān)知識的時候，老師可以進行有趣的教學環(huán)境的創(chuàng)設，讓學生可以充分掌握相關(guān)的知識點。比如，在進行教學的時候，首先老師拿出一個圓的模型，讓學生想一想我們的生活中與圓有關(guān)的事物有哪一些。讓學生舉手進行回答。然后利用多媒體課件進行有關(guān)視頻的播放，在視頻中以動畫的形式展開，讓學生可以從中明白圓形與其他圖形的區(qū)別，以及對于我們生活的重要作用。這樣的教學環(huán)境可以讓學生積極參與到課堂中，有利于學生的思維活躍，提高學生的學習興趣，為核心素養(yǎng)下小學數(shù)學高效課堂的構(gòu)建打下了一個堅實的基礎(chǔ)。

圖3 模型尚未開挖時垂向應力場與位移場分布圖（y=105 m）Fig.3 Distribution of vertical stress field and displacement field before excavation(y=105 m)

2.2 開挖后仿真結(jié)果分析

2.2.1 開挖10 m 時仿真結(jié)果分析

對22302 工作面仿真模型進行回采，開切眼寬度設置為10 m，繪制其在y=105 m 剖面處的應力與分布情況如圖4 所示。

圖4 回采面開挖10 m垂直應力場和位移場切片圖(y=105 m)Fig.4 Slice diagram of vertical stress field and displacement field of 10 m excavation face(y=105 m)

結(jié)合工程實際，圖4 中的開挖部分選取為2 號煤層、3 號煤層與兩者之間的炭質(zhì)泥巖部分，采高為3.68 m。由圖4 可知，開切眼形成后，受人為采動影響，原巖應力場的平衡狀態(tài)被打破，部分煤巖體被移除，其載荷轉(zhuǎn)移至周圍介質(zhì)承擔?；夭煽臻g應力重新分布，采場上下部圍巖應力得以泄放，工作面前后端面處則產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象[20]，應力峰值達到18 MPa。在位移場中，上覆煤巖沉降和下伏煤巖隆起現(xiàn)象同步發(fā)生，頂?shù)装逑鄬σ平?，“反向壓力拱”現(xiàn)象也隨之出現(xiàn)[17]。

2.2.2 開挖不同尺度時的仿真結(jié)果分析

屯蘭礦22302 工作面采用全部垮落法管理頂板。隨著工作面的推進，載荷轉(zhuǎn)移和頂板活動現(xiàn)象隨之發(fā)生，這一現(xiàn)象在圖5 中不同進尺時的位移場切片中也得到體現(xiàn)。圖5（a）為回采進尺20 m時的垂直位移場切片云圖，與圖4（b）回采進尺為10 m 相比，發(fā)現(xiàn)兩者的巖層活動規(guī)律基本相同，均為上覆巖體出現(xiàn)彎曲下沉，下伏巖體產(chǎn)生向上鼓起，不同之處僅在于圍巖運移數(shù)值的差異。同理，當采動進尺達到30 m 時，工作面圍巖活動愈發(fā)距離，頂板和底板的運移數(shù)據(jù)也進一步增加。顯然，該階段采空區(qū)上部的離層裂隙和豎向裂隙開始發(fā)育，這一結(jié)果為近距離突出危險煤層群的卸壓抽采提供了便利。

圖5 回采面不同進尺時垂直位移場切片圖(y=105 m)Fig.5 Slice diagram of vertical displacement field at different footages(y=105 m)

值得注意的是，參照同煤層相似工作面經(jīng)驗，屯蘭礦2+3 號煤層的初次來壓步距為31～ 35 m，周期來壓步距為12～ 20 m。在圖5（c）采動40 m 后初次來壓已經(jīng)顯現(xiàn)，頂板最大彎曲高度超過1.6 m。采動50 m 時甚至出現(xiàn)了頂板彎曲高度達到15 m 的情況，已遠遠超過了2+3 號煤層的采場高度，仿真結(jié)果和實際情況產(chǎn)生了較大出入。究其原因，作為國際通用的巖土工程專業(yè)分析軟件，F(xiàn)LAC3D 采用的是有限差分方法，在大變形仿真層面具有一定優(yōu)勢。但當上覆巖層變形達到一定程度時，直接頂和老頂都會隨懸露面積的增大而出現(xiàn)破斷與垮落，此時基于連續(xù)介質(zhì)力學原理提出的FLAC3D 仿真將不再適用，必須選擇其他分析方法進行有針對性的研究。

2.2.3 采空區(qū)充填后的仿真結(jié)果分析

針對開挖50 m 時仿真結(jié)果與實際情況存在較大差異的情況，本文選擇采空區(qū)充填的方法進行模擬。充填位置自切眼開始，到回采面煤壁10 m 處為止。充填長度為40 m，留有10 m 的采場范圍。充填參數(shù)見表1，整合充填后的應力場、位移場和塑性區(qū)如圖6 所示。

圖6 回采50 m充填后的仿真模擬結(jié)果(y=105 m)Fig.6 The simulation results mining after 50 m and filling(y=105 m)

對比圖6（a）和圖5（d），發(fā)現(xiàn)充填后采空區(qū)上覆巖層的彎曲下沉情況得到較大程度的緩解，豎向位移值也更接近工程實際。隨著采掘活動的進行，上覆巖層懸露面積增大，當承載的彎矩超過強度極限時，直接頂垮落和老頂斷裂現(xiàn)象先后發(fā)生，“砌體梁”結(jié)構(gòu)形成。在后續(xù)的分析過程中，裂隙帶巖層將隨著回采工作面的不斷推進持續(xù)經(jīng)歷“穩(wěn)定-暫時失穩(wěn)-穩(wěn)定”的周期來壓。在這種情況下，圖6（b）中的采場前后端面應力分布呈現(xiàn)出截然不同的狀況，采場靠近煤壁側(cè)壓力仍然較高，后方采空區(qū)側(cè)的壓力則顯著下降，甚至采空區(qū)中部垂向應力僅為4 MPa，說明采動裂隙“O”形圈內(nèi)的應力得到泄放。綜上可知，當回采面推進一定距離后，采空區(qū)內(nèi)冒落矸石逐漸壓實，上部未冒落的巖層也在不同程度上得到一定支撐，采空區(qū)支承應力遠小于原巖應力。

在基于摩爾-庫倫屈服準則本構(gòu)方程的FLAC3D 模擬之中，破壞機制分為剪切破壞和拉伸破壞2 類，且每個屈服函數(shù)被賦予now 和past 兩種狀態(tài)[21]。在圖6（c）中，當采掘進尺達到50 m時，豎向上采場覆巖移動破壞的上部邊界高度達到02 號煤層底板，下部影響范圍超過4 下號煤層所處位置。即在22302 工作面回采時，前文中表1 所提及的屯蘭上組各煤層均不可避免地受采動影響，不僅形成了“一層采動，多層卸壓”的情況，而且垮落帶和裂隙帶溝通了上部煤層，從而為瓦斯解吸、氣體運移和異常涌出提供了條件。

2.2.4 仿真數(shù)據(jù)提取與O 形圈范圍

工程實踐表明，O 形圈范圍內(nèi)的應力值一般為原巖應力的30%～40%[22]。鑒于此，本文在煤層頂板以上100、120、140、160、220、240 m 高度布置應力測線，選取應力集中系數(shù)K 值（最大應力與原生應力的比值）≤0.4 作為O 形圈卸壓范圍的判定標準。以進尺為10、30 和50 m 仿真模擬結(jié)果為例，探究上覆巖層不同高度處的K 值分布情況，具體如圖7 所示。

圖7 不同開挖時應力集中系數(shù)曲線（10、30、50 m）Fig.7 Stress concentration factor curves(10,30,50 m)under different excavations

由圖7 可知，不同開挖進尺的集中系數(shù)變化均呈現(xiàn)“M”趨勢，采場前后端面出現(xiàn)應力集中，應力卸放現(xiàn)象集中于采場上覆煤巖區(qū)域。依據(jù)關(guān)鍵層理論[23]，對巖體活動局部巖層起作用的巖層為亞關(guān)鍵層。亞關(guān)鍵層需滿足剛度判別條件和強度判別條件，經(jīng)過分析，頂板以上8 m 處的細粒砂巖能同時滿足其條件，故將其定為亞關(guān)鍵層。亞關(guān)鍵層的K值分布情況如圖7 中C 線所示。當開挖進尺小于20 m 時，K 值小于等于0.4，頂板上覆巖層未發(fā)生垮落，O 型圈未形成。當開挖進尺30 m 時，頂板垮落，出現(xiàn)O 型圈。

在圖7 中，當開挖長度為30 m 時，O 型圈寬度變化范圍時63～78 m，最終寬度為15 m 隨著開挖范圍的增加，亞關(guān)鍵層K 值小于0.4 的曲線部分逐漸變寬。與此同時，最終寬度的增長速度隨開挖尺度的增加卻逐漸變小。充填50 m 后模型應力集中系數(shù)數(shù)值小于30 m 開挖情況，因充填后，上覆頂板應力集中情況緩和，O 型圈范圍變化較小。不同采高時O 形圈形態(tài)特征參數(shù)見表2。

表2 不同開挖時O 形圈形態(tài)特征參數(shù)Table 2 The characteristic parameters of O-ring shape under different excavation conditions

3 上鄰近層定向長鉆孔布置方案

為降低上鄰近層瓦斯和采空區(qū)瓦斯對安全生產(chǎn)的威脅，屯蘭礦采用ZDY-12000-LD 鉆機施工大孔徑定向鉆孔。借鑒走向高抽巷的布置經(jīng)驗，瓦斯抽采效果的最佳區(qū)域應選擇“O”型圈中距離外部邊界（1/3～2/3）寬度的范圍內(nèi)。選取應力集中系數(shù)k≤0.4 作為O 型圈的判定標準[22]，參照圖6（b）確立了鉆孔位置。在22302 工作面施工3 個鉆場，共布設11 個定向長鉆孔，具體的布孔方案見表3。

表3 22302 工作面上鄰近層定向長距離鉆孔布置方案Table 3 No.22302 Face adjacent layer directional long-distance drilling layout scheme

本文以2 號鉆場的1 號鉆孔為例闡述布孔方案。圖8 為該鉆孔的設計軌跡，鉆孔大部分區(qū)段位于“O”型圈范圍內(nèi)，設計深度594 m，內(nèi)錯軌道順槽5 m。終孔鉆孔所處層位為砂質(zhì)泥巖，距2 號煤頂板高度約13 m。

圖8 2 號鉆場1 號鉆孔設計軌跡圖Fig.8 No.2 drilling field No.1 borehole design trajectory diagram

4 上鄰近層定向長鉆孔抽采效果考察

表3 的上鄰近層定向長距離鉆孔實際服務于22302 工作面不同的回采階段。由于22302 工作面的順槽長度約1 600 m，3 號鉆場位于膠帶順槽1 000 m 處，因此初始時期由3 號鉆場的兩鉆孔起主導抽采作用。以3 號鉆場的1 號鉆孔為例，鉆孔長度為649 m，故鉆孔終端實際位于開切眼上方。初采階段位于圖9 右側(cè)，此時開切眼與3 號鉆場的實際距離為570 m。由圖9 可知，1 號鉆孔的瓦斯抽采量和抽采濃度均處于相對比較低的水平，說明鄰近層瓦斯運移現(xiàn)象尚未出現(xiàn)。伴隨工作面的逐步推進，鉆場與工作面的相對距離逐漸縮小，大范圍應力卸放和瓦斯解吸現(xiàn)象同步出現(xiàn)，采掘活動導致頂板裂隙發(fā)育程度加劇，大量鄰近層卸壓瓦斯通過裂隙開始涌向回采面，鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛任闯霈F(xiàn)顯著波動，瓦斯抽采量卻明顯上升，由此計算所得的瓦斯抽采純量隨之增大，實際抽采效果與仿真模擬結(jié)論基本吻合。

圖9 3 號鉆場1 號鉆孔瓦斯抽采量、濃度與相對距離關(guān)系Fig.9 Relationship between gas extraction amount,concentration and relative distance of No.1 borehole in No.3 drilling field

在考察過程中，22302 工作面定向長鉆孔不僅有針對性地抽采了鄰近層卸壓瓦斯，同時也有效降低了回采工作面上隅角瓦斯?jié)舛?。為便于說明，將22302 和12510 工作面的上隅角瓦斯?jié)舛冗M行對比（圖10），目前，兩工作面同時開采屯蘭礦2 號煤層，分屬于南北兩翼，不同之處在于12510 工作面尚未施工上鄰近層定向長鉆孔。在3 個月的監(jiān)測過程中，起始階段22302 工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c12510 相差不大，其值均介于0.5%～ 0.6%。究其原因，由于12510 和22302 工作面屬于同期開采，該階段上隅角濃度上升的主因是本煤層采空區(qū)瓦斯；隨著開采活動的進行，大量鄰近層瓦斯得到卸壓解吸，并沿導通的離層裂隙與豎向裂隙向采場空間涌出，造成12510 工作面上隅角濃度明顯上升。與之對應的是，22302 工作面上隅角瓦斯?jié)舛热跃S持在原有水平，上鄰近層定向長鉆孔開始發(fā)揮作用；伴隨采掘工作面的推進，離層裂隙與豎向裂隙進一步發(fā)育，上鄰近層定向長鉆孔瓦斯抽放作用得到凸顯，上隅角瓦斯?jié)舛任匆娒黠@升高，甚至呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢。如在2 月3 日當天，22301 工作面上隅角瓦斯?jié)舛戎禐?.28%，與同日期12510工作面0.81%的上隅角瓦斯?jié)舛刃纬闪缩r明對比。

圖10 上鄰近層定向長鉆孔抽采上隅角瓦斯?jié)舛葘Ρ菷ig.10 Comparison of gas concentration in upper corner of directional long borehole in upper adjacent layer

5 結(jié)論

（1）在屯蘭近距離突出危險煤層群開采過程中，上覆采掘的擾動影響隨時空演化。當進尺達到50 m 時，回采面周期來壓，豎向上采場覆巖移動破壞的上部邊界高度達到02 號煤層底板，高達30 m，下部影響范圍超過4下號煤層所處位置。上組煤各煤層均不同程度地受到采掘擾動影響，應力泄放促進瓦斯解吸，同時穿層裂隙將鄰近層與本煤層導通。鄰近層瓦斯有涌入采場的危險，必須對卸壓瓦斯進行抽采。

（2）利用上鄰近層定向長鉆孔進行瓦斯抽采時，當開挖進尺小于20 m 時，K 值小于等于0.4，頂板上覆巖層未發(fā)生垮落，O 型圈未形成。當開挖進尺30 m 時，頂板垮落，出現(xiàn)O 型圈。當開挖長度為30 m 時，O 型圈寬度變化范圍時63～ 78 m，最終寬度為15 m 隨著開挖范圍的增加，亞關(guān)鍵層K 值小于0.4 的曲線部分逐漸變寬。

（3）通過工程實際考察，定向長鉆孔瓦斯抽采量由最低的0.35 到最高的1.03，增加了65%。相應地，上隅角最高處濃度為0.58%相較最低處的0.16%下降了72%，頂板定向長鉆孔可有效減少鄰近層卸壓瓦斯涌出量，降低上隅角瓦斯?jié)舛龋Ｕ瞎ぷ髅姘踩a(chǎn)，實現(xiàn)煤與瓦斯共采。