張克浩 曾昌彬 陶啟興

摘 要：趙家壩煤礦去年在1942采面成功實施大傾角復(fù)合煤層群首采層底板采動卸壓瓦斯抽采，取得了非常好的效果。本文分析了其抽采效果與采動礦壓的關(guān)系，得出了底板穿層瓦斯抽采鉆孔的基本原理及關(guān)鍵參數(shù)。

關(guān)鍵詞：底板卸壓；瓦斯抽采；采動影響；破壞深度

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 底板塑形破壞深度

根據(jù)張金才對A.S.Vesic公式進(jìn)行修正的巖土層極限承載力的計算公式，可得出極限支承壓力條件下破壞區(qū)的塑形最大深度和長度。

式中：φ0─底板巖體的內(nèi)摩擦角（底板巖體以泥巖、細(xì)砂巖為主，取φ0=39°）；

Xa可利用煤層屈服長度的經(jīng)驗公式：Xa=0.015H計算。式中H為埋深，1942綜采工作面埋深取600m，計算得出Xa=9m。

煤層底板巖體最大塑形破壞深度距工作面端部的水平距離L1：

L1=h1tgφ0≈13.04m

采空區(qū)內(nèi)底板塑形破壞區(qū)沿水平方向的最大長度

L2≈64.4m

2 底板最大卸壓深度及彈性破壞區(qū)

彈性破壞區(qū)的計算可以根據(jù)《煤與瓦斯突出防治規(guī)定》中的上保護(hù)層最大有效距離計算。

上保護(hù)層最大有效距離：S上=S'上β1β2≈48.43m

式中S'下、S'上——下保護(hù)層和上保護(hù)層的理論有效間距，m。

因此，彈性破壞區(qū)范圍為底板下16.1m～48.43m。

3 1942采煤工作面底板穿層瓦斯抽采鉆孔布置

為抽采底板采動裂隙下的鄰近層、圍巖瓦斯，我們在下鄰近層11242運輸巷設(shè)計了底板穿層鉆孔。其終孔位置深入卸壓區(qū)，距正開采的9號煤層6m左右，如圖1所示。

4 底板鉆孔瓦斯抽采效果

第2組鉆孔施工完畢后兩組鉆孔同時并網(wǎng)抽采，綜合抽采濃度為50%左右，混合抽采流量為4.5m3/min。隨著工作面不斷推進(jìn)，更多鉆孔進(jìn)入采動破壞區(qū)，原深入采動破壞區(qū)的鉆孔軌跡也更多的經(jīng)過采動破壞區(qū)，使抽采濃度不斷升高，綜合抽采濃度穩(wěn)定在60%左右。但即使更多的鉆孔投入抽采，受到直徑100mm的抽采管路限制，瓦斯綜合抽采混合流量提高至6m3/min后難以繼續(xù)增大。該抽采方法投入抽采后1942采面采空區(qū)瓦斯?jié)舛却蠓陆?，在工作面風(fēng)量減少30%的情況下，回風(fēng)瓦斯?jié)舛葟?.5%下降至0.3%，抽采濃度高，效果好，推廣意義大。

5 1942底板穿層鉆孔抽采與采動壓力的耦合關(guān)系分析

根據(jù)現(xiàn)場測得的各組鉆孔單孔瓦斯?jié)舛扰c單孔瓦斯抽采混合流量繪制了圖2和圖3。

由圖2可見，當(dāng)鉆孔在工作面煤壁前方10m～20m時，抽采流量下降，而鉆孔在工作面煤壁前方8m左右時抽采流量加速上升，直至鉆孔被工作面推過后進(jìn)入采空區(qū)，瓦斯抽采流量上漲變緩。

由圖3可見，當(dāng)鉆孔在工作面煤壁前方13m～20m時，抽采濃度基本不變，鉆孔在工作面煤壁前方13m時抽采濃度加速上升，直至鉆孔被工作面推過10m后，鉆孔抽采濃度仍在上漲，但鉆孔到采空區(qū)10m左右時，濃度上漲變緩。說明瓦斯?jié)舛仍谥С袎毫^(qū)的峰值應(yīng)力前方時，抽采流量有明顯下降，抽采濃度變化不大。這是因為在應(yīng)力峰值前方，底板及煤壁塑性破壞較少，原生裂隙及少量新生塑性破壞產(chǎn)生的裂隙受壓閉合，透氣性降低。

在工作面煤壁前方8m左右抽采流量及濃度迅速上升，該區(qū)域在支承壓力峰值附近。煤壁及直接底因承受支承壓力的應(yīng)力峰值產(chǎn)生塑性破壞后，煤層及直接底含煤成分瓦斯解析速度大幅增加，而峰值區(qū)后靠近采空區(qū)側(cè)所受支承壓力逐步減少，塑性破壞產(chǎn)生的縱橫交錯的裂隙及原生裂隙張開，透氣性變好，在鉆孔負(fù)壓的作用下滲入抽采管路，濃度和流量加速上升。可見，透氣性最好，抽采流量最大的區(qū)域是采空區(qū)后方15m～30m。該區(qū)域所承受壓力為負(fù)數(shù)，產(chǎn)生底鼓，透氣性達(dá)到頂峰，該處抽采流量及濃度都達(dá)到最高，直到底板采動破壞范圍內(nèi)的含煤地層的瓦斯解析量低于瓦斯抽采純量，抽采濃度和流量開始緩慢降低。一直到接近采空區(qū)重新壓實區(qū)，采動破壞區(qū)裂隙重新閉合，抽采濃度及流量加速降低。

對比圖2、圖3還可發(fā)現(xiàn)，瓦斯?jié)舛仍缬谕咚沽髁考铀偕仙?。說明在應(yīng)力峰值區(qū)之前，部分煤壁或底板含煤地層已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，瓦斯解析量增大，瓦斯?jié)舛壬摺５鞘芟抻诔袎捍?，裂隙閉合，透氣性依然差，抽采流量直到承壓減小，透氣性才開始明顯提高，抽采流量隨之加速上升。

結(jié)語

綜上所述，采動壓力對其下的煤、巖層有非常好的增透效果，增透區(qū)位于超前壓力峰值后方采空區(qū)側(cè)。將底板瓦斯抽采鉆孔布置在該增透卸壓區(qū)，鉆孔軌跡盡量多經(jīng)過彈性變形及塑性變形區(qū)，能取得很好的抽采效果，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、高效治災(zāi)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]虎維岳.礦山水害防治理論與方法[M].北京：煤炭工業(yè)出版社， 2005.

[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.