樸承浩 李雪冰 陳善樂,3

(1.琿春礦業(yè)集團(tuán)公司；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；3.畢節(jié)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院)

底抽巷合理層位布置的數(shù)值模擬

樸承浩1李雪冰2陳善樂1,3

(1.琿春礦業(yè)集團(tuán)公司；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；3.畢節(jié)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院)

為確定合理的底板巖巷布置層位，結(jié)合煤層地質(zhì)的實(shí)際，利用數(shù)值模擬軟件對底抽巷與煤層相距20，10，5 m 3種情況下的圍巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)壮橄锱c煤層間距縮小至脫離細(xì)砂巖時(shí)，圍巖出現(xiàn)位移偏離對稱發(fā)育的現(xiàn)象；為保證施工安全，底抽巷頂板至少留有0.5 m厚細(xì)砂巖，保證與煤層間距大于7.7 m。同時(shí)，為了解底抽巷層位變化的影響，從鉆孔施工費(fèi)用、周期、單孔有效利用率、鉆孔抽放濃度等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)?shù)壮橄锱c煤層間距由20 m降至8 m時(shí)，施工費(fèi)用減少143萬元，工期縮短209 d，單孔有效利用率增加18個(gè)百分點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性十分可觀。

近水平單一煤層 瓦斯抽放 底抽巷 穿層鉆孔 層位布置 數(shù)值模擬

礦井瓦斯災(zāi)害一直以來都是制約我國煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。根據(jù)多年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用證明，對煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽、開采保護(hù)層等是治理礦井瓦斯災(zāi)害行之有效的技術(shù)措施，且根據(jù)礦井實(shí)際條件的不同，許多礦井的瓦斯治理由局部防治向區(qū)域防治發(fā)展，由接觸式向非接觸式、局部預(yù)測預(yù)報(bào)向區(qū)域性安全評價(jià)轉(zhuǎn)換[1]，對單一煤層尤其如此。目前區(qū)域防突技術(shù)只有開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯兩大類。開采保護(hù)層是最有效的防突措施，但對單一厚煤層，缺乏開采保護(hù)層的條件，所以只能預(yù)抽煤層瓦斯。底抽巷穿層鉆孔條帶區(qū)域預(yù)抽是通過向突出煤層巷道及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)打大量的密集鉆孔，使煤體區(qū)域卸壓，同時(shí)抽放瓦斯，釋放其潛能，然后再經(jīng)過較長時(shí)間的預(yù)抽，使瓦斯壓力與含量進(jìn)一步降低，并由此引起煤層的收縮變形、地應(yīng)力下降、透氣系數(shù)增高、地應(yīng)力與瓦斯壓力梯度減小和煤的普氏系數(shù)增加等變化，從而消除煤巷掘進(jìn)過程中突出危險(xiǎn)[2]。

底抽巷區(qū)域防突措施與局部防突措施相比，具有更好的安全性和實(shí)用性，可以更有效地解決采取措施和掘進(jìn)施工相集中的問題，有效提高煤巷掘進(jìn)效率，解決工程管理及安全防護(hù)等問題[3]。底抽巷消突技術(shù)對于不具備開采解放層且具有嚴(yán)重煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的煤層有更好的適用性，對于緩解采掘接替緊張局面，改變礦井經(jīng)濟(jì)與安全，創(chuàng)建本安型高產(chǎn)高效礦井起到不可估量的作用。文獻(xiàn)[4]探討了煤層底板瓦斯抽放巷技術(shù)與鉆孔水力沖孔技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，取得了良好的效果，成功降低了煤層瓦斯含量和壓力，消除了煤層突出危險(xiǎn)性。文獻(xiàn)[5]通過對底抽巷穿層布孔、封孔、連孔工藝分析研究，提出了采用大直徑鉆孔、特制水泡皮-馬麗散-鋁塑管3組合封孔技術(shù)和集氣箱設(shè)備，成功將底抽巷鉆孔瓦斯?jié)舛忍岣叩?0%以上。文獻(xiàn)[6]利用現(xiàn)場試驗(yàn)，考察分析了底抽巷與煤巷投影位置不同距離下的巷道應(yīng)力分布、變形量及瓦斯抽放效果。底抽巷與煤層的合理距離受巖層性質(zhì)、底抽巷尺寸等因素的影響，本文利用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，模擬分析底抽巷與煤層不同垂距下圍巖的運(yùn)移規(guī)律，最終確定底抽巷的合理位置。

1 工程概況

某礦井主采3#煤層，位于山西組下部，上距K8砂巖24.08～48.53 m，平均為37.39 m，下距K7砂巖0～12.8 m，平均為7.2 m，層位穩(wěn)定。全區(qū)煤層為近水平煤層，厚0～6.35 m，平均為4.69 m。夾矸一般為一層，位于煤層下部，厚0.2 m左右。頂板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖，次為粉砂巖，局部為中、細(xì)粒砂巖。底板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖，個(gè)別為中、細(xì)粒砂巖或粉砂巖。3#煤層測試百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.395 4 d-1，透氣性系數(shù)為0.21 m2/(MPa2·d)，屬于較難抽放煤層，先前采取的順層鉆孔預(yù)抽存在衰減快、抽放量小、預(yù)抽期長以及長鉆孔定位不準(zhǔn)、分布不均勻等問題，導(dǎo)致抽放效果不佳，嚴(yán)重影響了煤巷掘進(jìn)和采掘生產(chǎn)接替。

1307工作面布置于3#煤層中，工作面傾向長232 m，走向長2 100 m，采取兩進(jìn)兩回的U型通風(fēng)方式，見圖1。其中，2條進(jìn)風(fēng)巷采用鄰近1306工作面的兩回風(fēng)巷，回風(fēng)巷13072、13074亟待掘進(jìn)，兩回風(fēng)巷相距75 m。為解除13072巷、13074巷掘進(jìn)過程中的瓦斯災(zāi)害問題，預(yù)在3#煤層以下施工底抽巷，其剖面示意見圖2。

圖1 1307工作面及底抽巷平面示意

圖2 底抽巷剖面示意

在底抽巷施工上向鉆孔，鉆孔覆蓋13072巷、13074巷左右兩幫輪廓線外各20 m，終孔間排距為5 m×5 m，穿層鉆孔直徑為113 mm。按60 m作為一個(gè)抽采評價(jià)單元，每單元設(shè)計(jì)12組鉆孔，每組鉆孔左、右兩幫各為2排，每排10個(gè)鉆孔，每巷每單元共計(jì)120個(gè)孔。

2 底抽巷的數(shù)值建模

既能保證底抽巷在掘進(jìn)過程中不發(fā)生煤層瓦斯突出，也需考慮鉆孔成本。因此，本次計(jì)算模型尺寸為150 m×100 m×110 m(x×y×z)，見圖3。

根據(jù)地質(zhì)條件，確定模型的邊界條件：模型在x=0 m、x=150 m和y=0 m、y=100 m的邊界施加水平約束，即邊界位移為0 m；模型底部z=0 m邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移均為0 m，模型頂部z=110 m為自由邊界，且施加等效載荷，即自重力。按下式得到載荷σz[7]:

σz=γH,

(1)

式中，σz為上覆地層對模型的等效載荷，MPa；γ為

圖3 模型幾何尺寸和網(wǎng)格

上覆巖層的體積力，取25 kN/m3;H為模型頂部距地表的深度，235 m。

水平方向上施加由自重應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力，即

σx=σy=λσz,

(2)

式中，λ為側(cè)壓系數(shù)，取1.2。

經(jīng)計(jì)算，模型上加載的垂直應(yīng)力σz=5.875 MPa，水平應(yīng)力σx=σy=7.05 MPa。

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)載荷達(dá)到強(qiáng)度極限后，巖體產(chǎn)生破壞，在峰后塑性流動(dòng)過程中，巖體殘余強(qiáng)度隨著變形發(fā)展逐步減小。因此，計(jì)算中采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞形式[7-9]。巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

穿層鉆孔預(yù)抽措施底板巖巷布置層位既要符合有關(guān)規(guī)定，還應(yīng)滿足施工難易程度、工程量、抽放效果以及經(jīng)濟(jì)性要求。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第二十一條的相關(guān)規(guī)定，分別模擬分析底抽巷(3 m×2.8 m)距離3#煤層法距20，10和5 m時(shí)的圍巖運(yùn)移規(guī)律。圍巖位移等值線圖見圖4～圖6。子圖(a)為y=50 m處的模型截面，子圖(b)為x=75處的模型截面，分別從2個(gè)方向顯示底抽巷距離煤層20，10，5 m時(shí)巷道圍巖的位移值。

從圖4中可以看出，當(dāng)?shù)壮橄镌诰嚯x煤層20 m 的垂距進(jìn)行施工后，巷道頂板下沉最大區(qū)域?yàn)閤(62，88)，位移值為3～5mm，影響圍巖最高達(dá)到52 m 位置，涉及部分3#煤層，但其位移量相當(dāng)微小，小于1 mm；從圖5中可看出，當(dāng)?shù)壮橄镌诰嚯x煤層10m的垂距進(jìn)行施工后，巷道頂板下沉最大區(qū)域?yàn)閤(64，83)，位移值為3～6 mm，影響圍巖最高達(dá)到55 m位置，完全包含3#煤層，其位移量也小于1 mm。結(jié)合礦井實(shí)際條件，圖4、圖5中底抽巷位于煤層底板中的細(xì)砂巖中，有研究表明，礦井深部細(xì)砂巖的強(qiáng)度極限為83.698 2 MPa，蠕變下限為27 MPa，細(xì)砂巖長期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度之比達(dá)94.39%，其強(qiáng)度與時(shí)間的相關(guān)性很弱[10]。也就是說，針對該礦井實(shí)際條件，當(dāng)?shù)壮橄镫x3#煤層10～20 m，且位于細(xì)砂巖中，該巖層完全可作為防治瓦斯突出的重要依托巖層。

圖4 距離為20 m時(shí)圍巖位移等值線

圖5 距離為10 m時(shí)圍巖位移等值線

圖6 距離為5 m時(shí)圍巖位移等值線

為進(jìn)行比較分析，模擬了當(dāng)?shù)壮橄锞嚯x3#煤層只有5 m的情況，即底抽巷處于細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖中間，其中砂質(zhì)泥巖2 m，細(xì)砂巖0.8 m。從圖6中可看出，底抽巷施工后，圍巖總體位移出現(xiàn)不同于其他2種情況的頂?shù)装逦灰品菍ΨQ現(xiàn)象，且位移相對較大區(qū)域?yàn)閤(68，82)，位移量為2～7 mm，該影響區(qū)域涵蓋了整個(gè)3#煤層。

綜上分析，該礦井3#煤層的底抽巷應(yīng)布置在底板細(xì)砂巖中，且抽放巷頂板至少需留有0.5～1 m細(xì)砂巖巖層厚度，以防止巷道施工過程中發(fā)生煤層瓦斯突出事故。

4 工程驗(yàn)證分析

根據(jù)以往底抽巷穿層鉆孔瓦斯抽放的成功經(jīng)驗(yàn)，為保證最大施工安全系數(shù)，底抽巷應(yīng)布置在距3#煤層底板20～25 m的巖層內(nèi)，根據(jù)煤層實(shí)際地質(zhì)條件的數(shù)值模擬結(jié)果，底抽巷頂板至少留有0.5 m細(xì)砂巖層(與煤層間距7.7 m)方可滿足施工安全要求，因此確定底抽巷底板與煤層底板法距8 m處施工，保證底抽巷頂板細(xì)沙巖層厚度為0.8 m。在此，將煤孔段長度所占鉆孔總長比例視為單孔有效利用率，按1307工作面煤層條帶瓦斯預(yù)抽設(shè)計(jì)要求，計(jì)算當(dāng)?shù)壮橄锱c煤層底板法距分別為5，8，10，20 m時(shí)鉆孔工程量及單孔有效利用率，見表2。

表2 鉆孔工程量及有效利用率

鉆孔施工、封孔要求：2臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)，鉆頭型號為φ94 mm平頂燒結(jié)；采用編織袋、PE管、QN水泥等材料，聚氨酯黑、白料各5 kg，配比為1∶1；在穿層鉆孔見矸段的兩端使用聚氨酯封孔，中間部分進(jìn)行水泥注漿，見矸段全程使用φ70 mm套管護(hù)孔；在見煤段全部使用φ70 mm花管護(hù)孔。煤、巖鉆孔施工費(fèi)用單價(jià)見表3。

表3 鉆孔施工費(fèi)用單價(jià)

考慮打鉆費(fèi)用和封孔費(fèi)用，計(jì)算鉆孔施工總費(fèi)用，比較底抽巷層位變化對鉆孔施工成本及施工周期的影響,見表4。1307底抽巷掘進(jìn)與抽放鉆孔同步施工，首單元鉆孔接抽后與已完成施工的1306底抽巷7單元抽放記錄進(jìn)行對比,如表5所示。

由表2可知，當(dāng)?shù)壮橄锱c煤層底板法距逐漸減小時(shí)，鉆孔工程量隨之減小，而平均煤孔長度及所占比例增大；當(dāng)距離由20 m降為8 m時(shí)，鉆孔施工總量減少15 516 m，單孔平均孔長縮短4.97 m，煤孔段比例增加18個(gè)百分點(diǎn)。由表4可知，當(dāng)?shù)壮橄锱c煤層底板法距由20 m降至8 m時(shí)，可節(jié)省由打鉆、封孔等產(chǎn)生的費(fèi)用總計(jì)143萬元，工期縮短209 d。表5所示實(shí)測數(shù)據(jù)表明，底抽巷層位提高可增加鉆孔抽放濃度，這可由鉆孔見煤段比例增加引起的單孔有效利用率的提高來解釋；對比結(jié)果顯示，煤孔段比例提高后，抽放濃度在20%以上的鉆孔比例由60.3%增至79.1%，抽放效果提升顯著。綜上所述，在滿足施工安全要求的條件下，底抽巷層位的改變在提高瓦斯抽放效果、實(shí)現(xiàn)抽采銜接中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，所帶來的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

表4 鉆孔施工費(fèi)用和周期

表5 實(shí)際抽放效果對比

5 結(jié) 論

(1)煤層底板巖性是影響底抽巷層位布置的關(guān)鍵因素，底抽巷受硬質(zhì)巖層保護(hù)可有效避免施工時(shí)發(fā)生煤與瓦斯突出事故。因此，當(dāng)煤層底板近距離內(nèi)存在硬質(zhì)巖層時(shí)，可考慮依托該巖層提高底抽巷層位以使得瓦斯抽放設(shè)計(jì)更佳。

(2)對于近水平煤層，底抽巷層位變化對鉆孔施工費(fèi)用、周期、單孔有效利用率及鉆孔抽放濃度影響深遠(yuǎn)，而對施工難易程度影響較小。工程分析結(jié)果表明，底抽巷與煤層間距由20 m降至8 m，可減少經(jīng)濟(jì)費(fèi)用143萬元，施工周期縮短209 d，并在一定程度上提高單孔瓦斯抽放濃度。因此，確定底板巖巷布置層位時(shí)，除借鑒實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)外，更應(yīng)結(jié)合煤層實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行充分分析，在確保施工安全條件下，盡可能縮小底抽巷與煤層間距。

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2014-08-03)

樸承浩(1963—)，男，副總工程師，工程師，133300 吉林省琿春市。