李文剛，王向東，程志恒，趙 燦，桑 聰

(1.華晉吉寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100；2.華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033001；3.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；4.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

瓦斯是威脅煤礦安全生產(chǎn)五大危險因素中危害性最大的因素，隨著我國煤礦井工開采采深的不斷加大，瓦斯的危險性及治理難度也相應(yīng)越來越大。工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)瓦斯積聚是影響工作面安全生產(chǎn)的重要因素，因此，采空區(qū)上隅角的瓦斯治理是礦井安全生產(chǎn)瓦斯治理的主要問題之一[1-3]。目前針對回采工作面上隅角瓦斯治理問題，國內(nèi)煤礦主要采用高抽巷、埋管抽采、高位鉆孔等方式[4-6]。但由于上隅角埋管抽放雖能有效抽采上隅角瓦斯，但是仍然不能完全降低上隅角瓦斯?jié)舛?，其次上隅角埋管抽放采用PE管路存在靜電的問題，鐵管則存在管路導(dǎo)電的問題；高抽巷抽采存在掘進(jìn)速度慢、鉆機(jī)設(shè)備等搬遷費(fèi)時費(fèi)力、施工成本高等問題，因此高位鉆孔以其施工方便、工程量小、費(fèi)用低、效果好等特點(diǎn)被多數(shù)煤礦進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采所采用。目前，國內(nèi)學(xué)者對采用高位定向鉆孔抽采瓦斯開展了一些研究工作。如文獻(xiàn)[7]利用定向鉆機(jī)裝備在唐口煤礦進(jìn)行了煤層頂板定向長鉆孔施工和瓦斯抽采效果檢驗，結(jié)果表明：定向高位鉆孔比普通高位鉆孔的瓦斯抽采濃度提高1倍，抽采純量提高60%以上，有效降低了上隅角和回風(fēng)流中瓦斯的濃度，增效明顯。文獻(xiàn)[8]針對煤礦工作面回采后采空區(qū)瓦斯富集超限問題，研究采用螺桿馬達(dá)結(jié)合隨鉆測量系統(tǒng)施工大直徑高位定向長鉆孔替代高抽巷及傳統(tǒng)高位鉆孔，保障煤層回采過程瓦斯抽采通道。文獻(xiàn)[9]為了得到適合于王家?guī)X煤礦的高位定向水平鉆孔抽采卸壓瓦斯工藝參數(shù)，現(xiàn)場跟蹤考察了12318綜放工作面高位定向鉆孔的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)、純流量等工藝參數(shù)，分析了布孔垂直層距、水平錯距等關(guān)鍵參數(shù)與抽采效果的關(guān)聯(lián)特性。文獻(xiàn)[10]針對寺河煤礦W1305工作面頂板覆巖地質(zhì)特征和開采條件，建立煤層開采數(shù)值模型，通過理論分析和數(shù)值模擬結(jié)合的方法，確定頂板高位定向長鉆孔布置層位及鉆孔結(jié)構(gòu)，分析煤層采動對高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果的影響。

由以上研究成果可知，保證高位定向長鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯效果良好的關(guān)鍵在于確定鉆孔布置層位，而吉寧煤礦屬于單一厚煤層高瓦斯礦井，加之工作面產(chǎn)量高，易造成采空區(qū)上隅角瓦斯積聚，故采空區(qū)上隅角瓦斯時刻存在著超限的風(fēng)險，因此需針對吉寧煤礦2102工作面頂板覆巖特征，采用數(shù)值模擬計算及理論分析工作面開采后裂隙帶發(fā)育規(guī)律，從而確定高位定向長鉆孔布孔位置及布孔方式，實(shí)現(xiàn)煤礦采空區(qū)瓦斯高效抽采。

1 工程概況

吉寧煤礦屬于單一厚煤層高瓦斯礦井，其2102工作面長度195m，推進(jìn)方向長度750m，煤層厚度在5.9～6.2m之間，平均厚度6.0m，煤層賦存結(jié)構(gòu)簡單，頂?shù)装宥酁槟鄮r和粉砂巖，煤層平均瓦斯含量8.02m3/t，煤層基本特征見表1。工作面采用一次采全高采煤方法，工作面兩側(cè)留有1.8m厚度底煤，工作面內(nèi)錯23m后過渡為一次采全高。2102綜采工作面采用一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)方式，加之工作面產(chǎn)量高，上隅角瓦斯易積聚，存在上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限的風(fēng)險。

表1 可采煤層特征一覽表

2 覆巖垮落特征與“三帶”高度確定

工作面煤層采出后會在采場上覆巖層中關(guān)鍵層下部形成裂隙“O”形圈，且隨著工作面的遷移，裂隙“O”形圈也會相應(yīng)同步向前移動。大量理論分析與工程實(shí)踐表明，本煤層及鄰近層瓦斯在卸壓解吸后，將會聚集在采空區(qū)上方頂板裂隙“O”形圈內(nèi)，因此，裂隙“O”形圈將是瓦斯聚集的主要場所。高位定向長鉆孔抽采采空區(qū)上隅角瓦斯的基本原理就是通過定向鉆進(jìn)技術(shù)，精準(zhǔn)控制鉆孔軌跡的，將鉆孔的終孔位置布置在頂板裂隙“O”形圈內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)抽采采空區(qū)上隅角積聚的瓦斯，使瓦斯?jié)舛冉档驮谟行У姆秶鷥?nèi)，從而避免瓦斯超限。

因此，應(yīng)將高位定向長鉆孔布置在采空區(qū)上方頂板破斷后形成的斷裂帶內(nèi)，由于不同礦區(qū)工作面地質(zhì)與開采條件不同，上覆巖層垮落形成的“三帶”高度也不相同。所以，要確定高位定向長鉆孔布置層位，首先要確定覆巖垮落特征與頂板“三帶”高度。

2.1 覆巖“三帶”高度理論計算

覆巖冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度由工作面采高、煤層傾角、頂板管理方法、頂板巖性等因素決定?！睹旱V防治水手冊》中的經(jīng)驗公式[11，12]，冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶的計算公式如下：

式中，Hm為冒落帶的高度，m；Hli為裂隙帶高度，m；M為煤層開采的厚度，m，取平均厚度6m。

將開采煤層厚度代入式(1)、(2)計算得，冒落帶高度Hm為23.2～32.76m，導(dǎo)水裂隙帶高度Hli為60.96～74.94m。

2.2 覆巖“三帶”高度3DEC數(shù)值模擬

為了探明2102工作面不同推進(jìn)距離下覆巖垮落特征，使之與理論計算確定的冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度范圍相互驗證補(bǔ)充，因此以2102工作面地質(zhì)與開采條件為背景，采用3DEC數(shù)值模擬研究手段，對不同推進(jìn)距離下覆巖垮落特征規(guī)律展開研究。

2.2.1 模型建立

建立三維3DEC數(shù)值模型，模型尺寸為：長360m，寬200m，高156m。模型前后、左右和下邊界施加位移約束，上邊界為應(yīng)力邊界條件。將頂板簡化為23個不同巖層，高度156m，未至地表，頂部邊界施加6.75MPa等效載荷。煤巖體及節(jié)理力學(xué)參數(shù)見表2、表3。

表2 煤巖體力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 覆巖垮落特征

工作面不同推進(jìn)距離下覆巖垮落特征如圖1所示。從圖1可以得到：煤層開采后，將首先引起直接頂?shù)目迓洌_挖至30m時直接頂部分垮落，垮落高度達(dá)到2m，范圍超過工作面長度一半；當(dāng)工作面推進(jìn)到50m時，基本頂巖塊發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，此時發(fā)生初次來壓，初次來壓步距是50m；繼續(xù)推進(jìn)老頂裂隙不斷發(fā)育，工作面推進(jìn)到60m時，基本頂產(chǎn)生大量裂隙，頂板出現(xiàn)臺階下沉和沿煤壁切落，底板下沉量變大，此時發(fā)生第一次周期來壓，周期來壓步距是10m；隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙不斷向上覆巖層擴(kuò)展，下部垮落巖石逐漸被壓實(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)到80m時，關(guān)鍵層發(fā)生破斷，關(guān)鍵層之上巖層裂隙不斷發(fā)育、擴(kuò)展；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，裂隙不斷發(fā)育，同時伴隨著裂隙逐漸被壓實(shí)，上覆巖層產(chǎn)生彎曲下沉，開挖至140m最上面上覆巖層開始產(chǎn)生宏觀肉眼可見下沉；隨著工作面不斷推進(jìn)，開挖到200m時，工作面達(dá)到充分采動，覆巖“三帶”高度基本穩(wěn)定，此時，垮落帶高度為20m，導(dǎo)水裂隙帶高度為66m。

圖1 不同推進(jìn)距離下覆巖垮落特征

2.2.3 “兩帶”高度確定

由理論計算分析所確定的導(dǎo)水裂隙帶高度范圍為60.96～74.94m，冒落帶高度范圍為23.2～32.76m，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，可判斷出66m是彎曲下沉帶和裂隙帶分界線，20m是垮落帶和裂隙帶的分界線。

3 高位定向鉆孔參數(shù)設(shè)計

3.1 鉆孔層位確定

煤層開采后形成豎向裂隙和離層裂隙，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)中部逐漸被壓實(shí)，在工作面兩側(cè)和采空區(qū)兩側(cè)仍保持有離層區(qū)，這些離層區(qū)構(gòu)成了采動裂隙的“O”形圈?！癘”形圈是卸壓瓦斯的流動通道和富集空間，因此高位抽采鉆孔應(yīng)打到此空間。并由以上數(shù)值模擬結(jié)果可知在工作面推進(jìn)到200m位置時工作面達(dá)到充分采動，覆巖“三帶”高度基本穩(wěn)定，此時裂隙區(qū)和壓實(shí)區(qū)之間呈現(xiàn)出嵌套內(nèi)外梯形狀，且外側(cè)梯形底角61°，內(nèi)側(cè)梯形底角50°，內(nèi)外梯形之間寬度約為8.4m，冒落帶高度為20m，裂隙區(qū)高度為66m。

根據(jù)以上所述，高位鉆孔主要抽采高濃度、大流量瓦斯，因此高位鉆孔應(yīng)布置在煤層頂板以上40～60m，幫距15～48m。

3.2 鉆孔參數(shù)確定

根據(jù)工作面采煤期間絕對瓦斯涌出量，共設(shè)計高位鉆孔5個，鉆孔布置如圖2所示。2102高位裂隙帶鉆孔施工采用3次成孔的方式施工，鉆孔一開孔徑Φ120mm，完孔后進(jìn)行二開Φ165mm擴(kuò)孔，最后進(jìn)行三開Φ203mm擴(kuò)孔。

圖2 鉆孔布置示意圖

1#孔一開孔徑Φ120mm鉆進(jìn)702m，未進(jìn)行擴(kuò)孔；2#孔一開孔徑Φ120mm鉆進(jìn)702m，二開孔徑Φ165mm擴(kuò)孔至610.5m，三開Φ203mm擴(kuò)孔至447m結(jié)束；3#孔一開孔徑Φ120mm鉆進(jìn)702m，二開孔徑Φ165mm擴(kuò)孔至685.5m，三開Φ203mm擴(kuò)孔至633m結(jié)束。4#鉆孔Φ120mm施工447m后工作面回采即將到位，停止施工，未擴(kuò)孔。具體鉆孔施工參數(shù)見表4。

4 抽采結(jié)果分析

4.1 抽采數(shù)據(jù)

工作面開始回采后對各個鉆孔進(jìn)行了抽采，使用高負(fù)壓抽采和低負(fù)壓抽采兩種方式。各孔均進(jìn)入有效抽采范圍后平均抽采數(shù)據(jù)見表5。

表4 2102工作面高低位定向長鉆孔實(shí)鉆數(shù)據(jù)

注：幫距是有效鉆孔的水平投影到運(yùn)輸巷幫的平均距離，高度為鉆孔到煤層頂板的平均高度。

表5 各鉆孔平均抽采數(shù)據(jù)表

4.2 高位鉆孔高度分析

采空區(qū)內(nèi)瓦斯從下部向上部逐漸富集，因此鉆孔抽采濃度與鉆孔高度成正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)瓦斯抽采濃度為30%以上時，所抽采出的瓦斯能夠直接被合理的利用[13]。根據(jù)圖3可知，鉆孔高度為56m左右時可以得到適于利用的高濃度瓦斯。

圖3 高位鉆孔高度與抽采濃度相關(guān)性曲線圖

4.3 高位鉆孔水平位置分析

裂隙區(qū)和壓實(shí)區(qū)嵌套中間的部位是理想抽采區(qū)域，該區(qū)域在水平上呈一定范圍，該區(qū)域的適宜抽采程度與鉆孔混合量呈正相關(guān)關(guān)系。將高位鉆孔抽采混合量轉(zhuǎn)換成等效負(fù)壓(13kPa)和等效孔徑(94mm)數(shù)據(jù)之后進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，高位鉆孔在15～35m范圍內(nèi)抽采混合量最大，如圖4所示，是適宜抽采的水平區(qū)間。

圖4 高位鉆孔等效抽采量和水平位置關(guān)系曲線圖

5 結(jié) 論

1)結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到66m是彎曲下沉帶和裂隙帶分界線，20m是垮落帶和裂隙帶的分界線。

2)“O”形圈是卸壓瓦斯的流動通道和富集空間，因此高位抽采鉆孔應(yīng)打到此空間。并由數(shù)值模擬結(jié)果可知在工作面推進(jìn)到200m位置時工作面達(dá)到充分采動，覆巖“三帶”高度基本穩(wěn)定，此時裂隙區(qū)和壓實(shí)區(qū)之間呈現(xiàn)出嵌套內(nèi)外梯形狀，且外側(cè)梯形底角61°，內(nèi)側(cè)梯形底角50°。

3)根據(jù)工作面采煤期間絕對瓦斯涌出量，現(xiàn)場共設(shè)計5個高位鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采，有效解決采空區(qū)上隅角瓦斯超限問題，瓦斯抽采效果良好，在保證安全生產(chǎn)的同時，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定治理采空區(qū)瓦斯的目的。