白慶華

(大陽(yáng)泉煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

瓦斯作為煤礦開(kāi)采過(guò)程中的重大危險(xiǎn)因素之一，必須加以重視并進(jìn)行有效治理，以確保煤礦安全生產(chǎn)。隨著煤炭開(kāi)采的不斷延伸，我國(guó)大多數(shù)煤礦的瓦斯治理已不能僅僅通過(guò)通風(fēng)方式來(lái)得到解決，因此瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用而生。尤其嚴(yán)重的是，采動(dòng)誘導(dǎo)的覆巖層卸壓瓦斯會(huì)大量涌入采場(chǎng)空間，引起工作面瓦斯頻繁超限，給礦井的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1-3]。研究表明高效抽采覆巖裂隙帶瓦斯是回采工作面瓦斯治理的關(guān)鍵。以南莊煤礦4611工作面為工程背景，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬的方式，對(duì)上覆采動(dòng)裂隙場(chǎng)演化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，并基于此提出了在尾巷實(shí)施高位鉆孔的瓦斯抽采方案，通過(guò)抽采效果對(duì)比分析，以期為現(xiàn)場(chǎng)瓦斯治理提供技術(shù)參考。

1 工作面地質(zhì)條件

目前，南莊煤礦主采12#、15#煤層，開(kāi)拓方式為斜井盤區(qū)式，12#煤層采用走向長(zhǎng)壁高檔機(jī)械化采煤工藝。頂板支護(hù)采用梯形木棚、鐵棚、錨桿、錨索等，頂板管理為全部跨落法。12#煤層頂板為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，厚度8.36 m，底板為砂質(zhì)泥巖、中細(xì)砂巖和泥巖，厚度5.87 m，見(jiàn)圖1。老頂初次來(lái)壓步距36.6 m，周期來(lái)壓步距7.9 m。采區(qū)實(shí)行“兩進(jìn)一回”通風(fēng)，即采區(qū)軌道運(yùn)輸大巷和皮帶運(yùn)輸大巷進(jìn)風(fēng)，一條專用回風(fēng)大巷回風(fēng)，回采工作面采用“一進(jìn)兩回”布置，即一條皮帶運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，軌道運(yùn)輸巷及瓦斯抽采巷回風(fēng)。

圖1 12#煤層綜合柱狀[4]Fig.1 Comprehensive column map of No.12 coal seam

2 采動(dòng)裂隙發(fā)育范圍計(jì)算

眾所周知，隨著煤炭的開(kāi)采，上覆巖層將會(huì)發(fā)生移動(dòng)和破壞。錢鳴高、劉天泉院士[5-8]提出的采動(dòng)覆巖層裂隙帶分帶理論及采空區(qū)裂隙分布“O”型圈理論均認(rèn)為，隨著煤炭的采出，采場(chǎng)覆巖層會(huì)自下而上依次形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶范圍內(nèi)的瓦斯由于裂隙的貫通，流速比較大；裂隙帶位于冒落帶之上，縱橫裂隙比較發(fā)達(dá)，與采空區(qū)連通性好；彎曲下沉帶則多為離層裂隙，縱向裂隙不發(fā)育，瓦斯難以逾越。所以，由于瓦斯上浮及裂隙貫通作用，大部分瓦斯都聚集在裂隙區(qū)，此區(qū)域?yàn)楣ぷ髅嫱咚狗乐魏透咝Ю玫闹攸c(diǎn)區(qū)域。

采動(dòng)裂隙“豎三帶”計(jì)算公式：

冒落帶最大發(fā)育高度：

(1)

裂隙帶最大發(fā)育高度：

(2)

式中：M為煤層采高，m。

通過(guò)計(jì)算可知：12#煤層工作面回采后冒落帶最大發(fā)育高度為10 m左右，裂隙帶最大發(fā)育高度為40 m～46.9 m。位于冒落帶和裂隙帶內(nèi)的煤層有9#、10#、11#煤層，8#煤層則位于裂隙帶與彎曲下沉帶的過(guò)渡區(qū)內(nèi)。12#煤層底板受采動(dòng)影響不大，裂隙不發(fā)育。綜上所述，12#煤層回采過(guò)程中，上鄰近層8#、9#、10#和11#煤層對(duì)工作面的瓦斯涌出影響較大，其下鄰近層13#煤層的卸壓瓦斯對(duì)工作面瓦斯涌出影響不大。

3 覆巖層采動(dòng)裂隙演化規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 模型建立

通過(guò)UDEC離散元數(shù)值計(jì)算軟件，以南煤集團(tuán)南莊礦的地質(zhì)條件為原型，模擬12#煤層回采工作面沿走向方向上覆煤巖層位移場(chǎng)與采動(dòng)裂隙場(chǎng)的分布規(guī)律，以及各上鄰近煤層的應(yīng)力變化情況。

模型高度為90 m(Y方向)，長(zhǎng)度為240 m(X方向)；上部垂直均布載荷為7.45 MPa；模型的兩側(cè)邊界在Y方向上可以發(fā)生移動(dòng)變形，在X方向上為固定鉸支座，取側(cè)壓力系數(shù)為0.5，即作用在模型兩側(cè)邊界的水平均布載荷為3.73 MPa；下部為位移邊界；本構(gòu)模型為Mobr-Coulumb模型。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖2為工作面回采過(guò)程中12#煤層上覆煤巖層下沉等值線云圖。從圖中可以看出，在回采初期，直接頂出現(xiàn)明顯的下沉，為0.8 m左右，但老頂及其上覆巖層并未出現(xiàn)明顯位移。回采后期，沿走向距開(kāi)切眼0～30 m范圍內(nèi)上覆巖層下沉量逐漸停止變化；沿走向距開(kāi)切眼45 m至工作面范圍內(nèi)上覆巖層下沉量逐漸減小。由圖3可知，該回采條件下的冒落帶高度在10 m左右，裂隙帶高度在40 m左右。

2-a 回采20 m

2-b 回采62 m

2-c 回采140 m圖2 工作面回采過(guò)程中12#煤層上覆煤巖層下沉等值線云圖Fig.2 Contour map of overlying coal seam sinking in No.12 coal seam in the mining process

圖3 工作面回采至50 m處上覆巖層采動(dòng)裂隙分布情況Fig.3 Fracture zone distribution of overlying strata at 50 meters of working face

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4611工作面鉆孔為上鄰近層鉆孔，其中高位瓦斯抽放鉆孔開(kāi)口設(shè)在尾巷，低位鉆場(chǎng)則布置在副巷中。4611工作面副巷和尾巷抽放鉆孔布置,見(jiàn)圖4。

4611工作面尾巷共布置22個(gè)上鄰近層抽放鉆孔，其中低位孔1個(gè)，即1#孔，高位孔21個(gè)。低位鉆孔終孔位置打到11#煤層頂板石灰?guī)r，高位鉆孔達(dá)到9#煤層。從距開(kāi)切眼20 m處開(kāi)始打1#孔，1#與2#孔孔間距10 m，2#到16#孔孔間距40 m，16#到22#孔孔間距50 m。高、低位鉆孔均為仰角鉆孔。高位鉆孔方位角為90°，低位鉆孔方位角傾向于切眼方向，方位角為104°。

在4611工作面副巷布置39個(gè)抽放鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距20 m，1#、2#鉆場(chǎng)每個(gè)鉆場(chǎng)布置3個(gè)鉆孔，其余每個(gè)鉆場(chǎng)布置4個(gè)鉆孔。鉆孔距底板2 m處開(kāi)孔，每個(gè)鉆場(chǎng)先在設(shè)計(jì)位置開(kāi)第一個(gè)鉆孔后，依次水平間隔0.5 m開(kāi)另外的鉆孔。每個(gè)鉆場(chǎng)1#～3#鉆孔均穿過(guò)11#煤層，4#鉆孔達(dá)到灰色細(xì)砂巖。鉆孔仰角依鉆孔處煤層傾角、鉆孔深入工作面的距離、開(kāi)采層距鄰近層的垂高及隔離煤柱寬度確定。

圖4 4611工作面副巷和尾巷抽放鉆孔布置示意圖Fig.4 Boreholes layout in auxiliary roadway and tail roadway in 4611 working face

4.2 效果分析

由4611工作面總瓦斯流量與抽放時(shí)間關(guān)系曲線圖5可知：尾巷高位鉆孔瓦斯抽放總量前期比較低，但呈快速增加趨勢(shì)，60 d后趨于穩(wěn)定，保持在80 m3/min，且最大值達(dá)到了110 m3/min；而副巷鉆孔瓦斯流量波動(dòng)較大，平均為50 m3/min。究其原因，在工作面開(kāi)采初期，其下位巖層裂隙發(fā)展比較快，而上位巖層受采動(dòng)影響相對(duì)較小。所以，初采期尾巷鉆孔流量要小于副巷的，并隨著裂隙的向上發(fā)育而逐漸增大。而開(kāi)采后期，由于采動(dòng)裂隙較發(fā)育，瓦斯得到充分解吸、運(yùn)移，但由于上位巖層裂隙的發(fā)育特征，保證了終、始孔口的負(fù)壓差，有利于提高瓦斯抽采效果。

圖5 總瓦斯流量與抽放時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between total gas flow and drainage time

由4611工作面鉆孔瓦斯?jié)舛扰c抽放時(shí)間關(guān)系曲線圖6可知：尾巷高位鉆孔抽采濃度呈穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，但基本保持在60%以上。而副巷鉆場(chǎng)鉆孔抽采濃度雖然波動(dòng)較大，但基本圍繞恒定值上下波動(dòng)，其抽放濃度不低于30%。與抽采流量相同，這兩類鉆孔在初采期皆因未與12#煤層工作面采空區(qū)充分貫通，鉆孔開(kāi)孔與終孔的負(fù)壓差較大，其濃度較高；后期則因副巷鉆孔所在范圍裂隙與12#煤層工作面采空區(qū)聯(lián)通，造成濃度大幅下降。

綜上所述，在4611工作面覆巖層布置高位鉆孔抽采裂隙帶瓦斯的方案是可行的，可以抽采到穩(wěn)定的高濃度瓦斯，起到了對(duì)采動(dòng)裂隙瓦斯截流的作用，降低了瓦斯涌入工作面的可能性，保證了安全生產(chǎn)。

圖6 鉆孔瓦斯?jié)舛扰c抽放時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between gas concentration and drainage time

5 結(jié)論

1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到該礦地質(zhì)條件下冒落帶的最大發(fā)育高度為9.89 m，裂隙帶的最大發(fā)育高度為46.94 m。數(shù)值模擬得到的冒落帶最大發(fā)育高度為10 m，裂隙帶最大發(fā)育高度為40 m。

2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明尾巷高位鉆孔瓦斯抽采總流量保持在80 m3/min左右，且最大值達(dá)到了110 m3/min之大；而副巷則瓦斯流量波動(dòng)比較大，平均為50 m3/min左右。尾巷高位鉆孔的抽放濃度穩(wěn)定波動(dòng)在60%以上，而副巷鉆孔則波動(dòng)在30%左右，高位鉆孔瓦斯抽采效果良好。