王 震，李曉疆，婁 芳，賈永勇

(1.新疆煤炭科學(xué)研究所，新疆 烏魯木齊 830091； 2.新疆煤與煤層氣工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830091)

綜放工作面包括采煤機(jī)割煤及放煤等環(huán)節(jié)，煤炭產(chǎn)量高、開(kāi)采強(qiáng)度大，易導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量增加，從而引起工作面上隅角瓦斯超限，威脅煤礦安全生產(chǎn)。一直以來(lái)，許多專(zhuān)家及學(xué)者致力于解決綜放工作面上隅角瓦斯超限的理論及技術(shù)研究，并取得了諸多成果，其中，高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)由于成本低、效果好、施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在許多礦區(qū)得到了良好應(yīng)用[1-10]。高位鉆孔抽采效果取決于鉆孔參數(shù)的合理與否。本文在對(duì)11B801綜放工作面回采過(guò)程中呈現(xiàn)“大、小周期”來(lái)壓規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究了“大、小周期”與瓦斯運(yùn)移及聚集關(guān)系，并基于“大、小周期”來(lái)壓步距確定了高位鉆孔有效抽采長(zhǎng)度，反推計(jì)算出鉆孔孔深、仰角、壓茬距等參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明利用該方法設(shè)計(jì)抽采鉆孔參數(shù)的合理性。

1 礦井概況

11B801綜放工作面位于塔河煤礦一采區(qū)，主采B8煤層，煤層傾向在北東15°～20°之間，傾角24°～28°，工作面內(nèi)無(wú)褶皺和斷裂構(gòu)造。B8煤層為一結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的厚煤層，厚度在0.84～9.10m之間，平均為5.23m。煤層平均埋深411.5m。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚度7.0m；老頂為粉砂巖與細(xì)砂巖互層夾雜砂質(zhì)泥巖，總厚度34.5m，其上部有一層厚度38m的中硬粗砂(關(guān)鍵層)。巖煤層直接底板巖性為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度為2.4m；煤層老底為細(xì)砂巖局部夾雜煤線，平均厚度20.06m，巖層柱狀圖如圖1所示。11B801綜放工作面走向長(zhǎng)度1900m，傾斜長(zhǎng)為120m，采放比1∶1.7。B8煤層平均瓦斯含量8.62m3/t。工作面回采前，計(jì)劃采用高位抽采鉆孔來(lái)解決瓦斯超限問(wèn)題。

圖1 巖層柱狀圖

2 采動(dòng)覆巖破斷特征相似模擬

2.1 相似模擬實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)條件及相似定理設(shè)計(jì)本次模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分走向和傾向兩部分，走向模型尺寸3000mm(長(zhǎng))×200mm(寬)×(高)1100mm，傾向模型尺寸2000mm(長(zhǎng))×200mm(寬)×1300mm(高)。模型幾何相似常數(shù)為100，容重相似常數(shù)為1.7，應(yīng)力及強(qiáng)度相似常數(shù)為170。根據(jù)各巖層物理力學(xué)參數(shù)配制符合要求的模擬材料，模型鋪設(shè)完成晾干后，在模型表面設(shè)置4條測(cè)線，采用遠(yuǎn)景攝影測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)位移變化。

2.2 工作面走向覆巖破斷特征

工作面沿走向不同推進(jìn)距離上覆巖層破壞情況如圖2所示。工作面推進(jìn)30m，頂板初次來(lái)壓，頂板覆巖破壞高度約17.5m，其上部形成的“空洞”高度約3.0m，如圖2(a)所示；工作面推進(jìn)42m，老頂破斷，發(fā)生第1次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距12.0m，覆巖破壞高度23.1m，其上部形成的“空洞”高度增大到4.4m，如圖2(b)所示；工作面推進(jìn)62m，頂板第2次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距20.0m，覆巖破壞高度35.5m，其上部形成的“空洞”高度增大到6.9m，如圖2(c)所示；之后隨著工作面的推進(jìn)，“空洞”高度不斷增加，但增幅越來(lái)越小，工作面推進(jìn)76m，頂板第3次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距14.0m，覆巖破壞高度39.5m，其上部形成的“空洞”高度增大到7.7m；工作面推進(jìn)91m，頂板第4次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距15.5m，覆巖破壞高度42.0m，其上部形成的“空洞”高度已趨于穩(wěn)定，為7.9m；工作面推進(jìn)95m時(shí)關(guān)鍵層由于懸露距離超過(guò)其極限跨度而發(fā)生破斷，關(guān)鍵層所控制的上方巖層彎曲下沉量迅速增大，將其下方“空洞”的高度急劇壓縮，如圖2(d)所示。之后，由于老頂破斷引起第5、第6、第7次周期來(lái)壓，在此期間，“空洞”又逐漸形成并擴(kuò)大，工作面推進(jìn)160.0m，關(guān)鍵層再次破斷，“空洞”再次被壓縮，如圖2(e)所示。

工作面回采完畢，覆巖破壞高度為46.5m，其中距離采空區(qū)頂板0～12m為不規(guī)則冒落帶，12～18.6m為規(guī)則冒落帶，18.6～46m為裂隙帶。

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，將由于老頂破斷導(dǎo)致的頂板來(lái)壓叫“小周期”，將關(guān)鍵層破斷產(chǎn)生的頂板來(lái)壓叫“大周期”，則小周期平均來(lái)壓步距約15.5m，大周期平均來(lái)壓步距約65.0m。大、小周期與瓦斯的富集場(chǎng)所“空洞”發(fā)育及瓦斯鉆孔有效抽采長(zhǎng)度密切相關(guān)。

2.3 工作面傾向覆巖破斷特征

傾向模型覆巖破壞特征如圖3所示，由圖3可知，傾斜方向煤層回采后覆巖最大破壞高度約48m，其中冒落帶高度約20.5m，工作面上端頭垮落角約為53°，下端頭垮落角約為60°。

在煤層頂板巖層上沿傾向設(shè)置4條測(cè)線，分別距頂板10m、20m、30m、40m，四條測(cè)線位移下沉量變化曲線如圖4所示。由圖4中各測(cè)線的間距變化可知，從上端頭沿工作面傾向方向向下，頂板破斷巖層的壓實(shí)度越來(lái)越大，這是由于巖層傾角的存在，上端頭側(cè)破斷巖塊在自重的作用下沿傾向方向滑移，導(dǎo)致下端頭頂板覆巖載荷增加的結(jié)果。在上端頭側(cè)30～60m的范圍，測(cè)線間距明顯比其他處大，是裂隙發(fā)育區(qū)，為瓦斯運(yùn)移提供了良好通道，抽采鉆孔的平距應(yīng)分布于此范圍。

圖4 傾向模型四條測(cè)線下沉量變化曲線

3 鉆孔參數(shù)確定

3.1 鉆場(chǎng)布置

將高位鉆場(chǎng)布置在11B801工作面回風(fēng)巷實(shí)體煤一側(cè)，沿巷幫起坡45°角掘進(jìn)至煤層頂板，鉆場(chǎng)長(zhǎng)4m，寬3.6m，高2.6m。鉆場(chǎng)設(shè)置上、下兩排鉆孔，每排4個(gè)鉆孔，上排孔距離鉆場(chǎng)底板2.0m，下排孔距鉆場(chǎng)底板1.5m。

3.2 鉆孔參數(shù)反推計(jì)算

結(jié)合前文的分析，將上排孔終孔層位上限設(shè)為關(guān)鍵層底部，下排孔終孔層位設(shè)為規(guī)則冒落帶頂部。鉆孔的有效抽采長(zhǎng)度相當(dāng)于大周期來(lái)壓步距L(L=65m)，規(guī)則冒落帶頂部至關(guān)鍵層高度H(H=44m)，則推算出上排孔仰角θ=arctan(H/L)=21.8°；利用鉆場(chǎng)至規(guī)則冒落帶頂部的高度h(15.4m)，可計(jì)算出鉆孔壓茬長(zhǎng)度L0=h/tanθ=37.3m；鉆場(chǎng)間距L1等于大周期來(lái)壓步距L，L1=L=65m；通過(guò)鉆孔仰角θ，又可以計(jì)算出上排孔孔深L2=109.4m。下排孔參數(shù)采用類(lèi)似的計(jì)算方法。

鉆孔平距合理范圍為距回風(fēng)巷5～25m，考慮到鉆孔平距及煤層傾角因素，反推計(jì)算鉆孔參數(shù)如圖5所示，最終計(jì)算出鉆孔的布置參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 鉆孔布置參數(shù)示意圖

類(lèi)型孔號(hào)孔深/m垂高/m平距/m仰角/(°)下排孔178.4 17.0 6.0 15.9 277.8 18.5 12.7 16.2 380.2 17.2 16.9 15.7 484.2 18.0 20.0 17.4 上排孔5110.5 42.0 5.0 23.16114.3 39.5 10.0 21.9 7118.5 41.014.824.4 8116.2 39.8 19.5 22.9

4 高位鉆孔抽采效果驗(yàn)證

4.1 大小周期來(lái)壓鉆孔濃度變化

為了驗(yàn)證鉆孔參數(shù)是否合理，11B801工作面回采過(guò)程對(duì)液壓支架工作阻力及鉆孔抽采濃度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后期通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)梳理，得到上、下排鉆孔平均抽采濃度變化與大、小周期來(lái)壓的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 大、小周期來(lái)壓期間抽采鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖6可知，2016年10月1日—18日，頂板產(chǎn)生了四次小周期來(lái)壓，上、下排鉆孔瓦斯平均濃度穩(wěn)步上升，上排孔濃度峰值達(dá)到50%左右，下排孔由于層位較低，規(guī)則冒落帶含有大量空氣且不易于瓦斯聚集，因此下排孔抽采濃度在20%以下。2016年10月19日，工作面發(fā)生壓架事故，推測(cè)原因是關(guān)鍵層破斷產(chǎn)生的大周期來(lái)壓導(dǎo)致的，在處理壓架事故期間，上排孔抽采濃度呈明顯下降趨勢(shì)，而下排孔濃度則上升到30%，超過(guò)上排孔，這是由于關(guān)鍵層的破斷使上位瓦斯儲(chǔ)集場(chǎng)所“空洞”及裂隙空間被壓實(shí)，瓦斯向上運(yùn)移聚集過(guò)程受阻導(dǎo)致的。

4.2 瓦斯治理效果分析

11B801綜放工作面實(shí)施高位鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采后，工作面上隅角及回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r如圖7所示，上隅角瓦斯最大濃度為0.47%，回風(fēng)巷瓦斯最大濃度為0.35%。可見(jiàn)，利用高位鉆孔抽采瓦斯，將工作面上隅角、回風(fēng)巷最大瓦斯?jié)舛染刂圃诎踩秶詢(xún)?nèi)，保障了11B801工作面安全高效生產(chǎn)。

圖7 上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓€

5 結(jié) 論

1)11B801綜采工作回采過(guò)程中存在“大、小周期”來(lái)壓現(xiàn)象，小周期平均來(lái)壓步距約15.5m，大周期平均來(lái)壓步距約65.0m，“大、小周期”與瓦斯運(yùn)移通道及聚集場(chǎng)所的發(fā)育密切相關(guān)。

2)基于“大、小周期”來(lái)壓步距確定了高位鉆孔有效抽采長(zhǎng)度，并反推計(jì)算出鉆孔孔深、仰角、壓茬距等參數(shù)。

3)通過(guò)對(duì)工作面回采過(guò)程中頂板來(lái)壓及鉆孔抽采濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了利用“大、小周期”來(lái)壓步距反推計(jì)算鉆孔參數(shù)的合理性；高位鉆孔的實(shí)施，使工作面上隅角瓦斯控制在0.47%以下，保證了11B801綜放工作面安全高效生產(chǎn)。