謝小平，耿耀強(qiáng)

(1.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

近幾年來，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，淺部煤礦向深部不斷延伸，高瓦斯突出礦井也越來越多，瓦斯危害越來越嚴(yán)重，限制著礦井的安全高效生產(chǎn)和發(fā)展[1-3]。對(duì)于千米定向鉆孔技術(shù)我國大量學(xué)者進(jìn)行了研究，閆衛(wèi)紅[4]提出定向順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽掘進(jìn)運(yùn)輸大巷高突煤層瓦斯；劉佳[5]根據(jù)松軟煤層梳狀特殊條件，提出遠(yuǎn)距離定向鉆孔抽采卸壓煤層瓦斯技術(shù)；肖東輝[6]為提高低透氣性松軟煤層的透氣性，提出定向千米鉆機(jī)定向鉆孔技術(shù)。我國煤礦高瓦斯煤層群開采瓦斯抽采條件錯(cuò)綜復(fù)雜不盡相同[7-10]，理論和技術(shù)研究仍較為欠缺。

本文針對(duì)山西省沙曲煤礦低透氣性高瓦斯煤層群的開采條件，通過數(shù)值模擬分析確定首采煤層開采后裂隙范圍，從而確定合理的鉆孔布置層位，選用德國千米定向鉆機(jī)DDR-1200型，沿工作面頂板布置千米長(zhǎng)鉆孔抽采采空區(qū)和鄰近層瓦斯，從而減小涌入工作面的瓦斯量，以實(shí)現(xiàn)高瓦斯煤層群煤和瓦斯的安全共采。

1 工程概況

1.1 礦井概況

沙曲煤礦位于山西省呂梁市境內(nèi)，隸屬于華晉焦煤有限責(zé)任公司。井田走向長(zhǎng)22km，傾斜寬4.5～8km，面積約135km2。礦區(qū)含局部可采和可采煤層共9層，至上而下分別為2—5號(hào)煤層(山西組)、6—10號(hào)煤層(太原組)，總厚度約為15.4 m，煤質(zhì)為優(yōu)質(zhì)焦煤。礦井南翼山西組2號(hào)煤層厚度為0.9m，其下方10m處為3號(hào)煤層，平均厚度為1.2m；其下方21.2m處為4號(hào)煤層，平均厚度為4.02m；其下方26.8m處為5號(hào)煤層，平均厚度為3.42m。全礦井瓦斯絕對(duì)涌出量479.91m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量103.75m3/t，煤層透氣性系數(shù)1.78～3.785m2/(MPa2·d)，屬于低透氣性高瓦斯煤層群開采礦井。主采2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)煤層瓦斯壓力分別為0.92MPa、1.08MPa、1.50MPa、1.40MPa，原始瓦斯含量分別為10.65m3/(t.r)、12.55m3/(t.r)、10.89m3/(t.r)、12.08m3/(t.r)，殘余瓦斯量分別為3.40m3/(t.r)、3.50m3/(t.r)、3.54m3/(t.r)、3.64m3/(t.r)。礦井主采煤層瓦斯其他基礎(chǔ)參數(shù)具體見表1。

表1 沙曲煤礦主采煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

1.2 工作面概況

南翼4號(hào)煤層14301工作面內(nèi)煤層厚度在2.2～2.7m之間，平均厚2.45m，傾角3°～6°，平均為4°，工作面內(nèi)地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，整體為一單斜構(gòu)造。14301工作面布置軌道巷、運(yùn)輸巷和尾巷，三條巷道垂直于南三集中運(yùn)輸巷，形成“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式。14301工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度為220m，可推進(jìn)走向長(zhǎng)度為1445m，采用傾向長(zhǎng)壁采煤法，該工作面為南三采區(qū)首采工作面，南部為14302工作面(未開掘)；北部為杜峪村邊界煤柱；西部為南三采區(qū)集中大巷，東部為膠泥壟村邊界煤柱，14301工作面布置如圖1所示。

圖1 14301工作面布置示意圖

2 采動(dòng)裂隙與瓦斯匯聚規(guī)律分析

沙曲煤礦屬于低透氣性高瓦斯突出近距離煤層群開采條件，在南翼山西組首采4號(hào)煤層時(shí)，涌入采掘工作面的瓦斯主要包括兩部分：一是本煤層釋放瓦斯，二是鄰近的3號(hào)、5號(hào)煤層的卸壓瓦斯。4號(hào)煤層14301工作面采用“U+L”型通風(fēng)方式，工作面處為上行通風(fēng)，工作面落煤、實(shí)體煤壁和采空區(qū)遺煤構(gòu)成本煤層釋放瓦斯，其瓦斯運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2 采空區(qū)覆巖裂隙瓦斯運(yùn)移示意圖

4號(hào)煤層開采時(shí)，上方10m處的3號(hào)煤層和下方5.6m處的5號(hào)煤層受采動(dòng)影響作用破裂變形，煤層發(fā)生卸壓增透變化，大量煤層瓦斯卸壓解吸，由于卸壓煤層瓦斯密度小于其他氣體而發(fā)生上升并流動(dòng)。另一方面，煤層開采后導(dǎo)致頂板破斷下沉，產(chǎn)生大量順層和穿層裂隙，形成卸壓煤層瓦斯流動(dòng)的通道，最后瓦斯漂浮到離層裂隙帶頂部并大量匯聚，形成瓦斯富集區(qū)域，所以頂板瓦斯抽采鉆孔布置的最佳位置位在裂隙帶中部。頂?shù)装遴徑簩拥耐咚沽鲃?dòng)軌跡如圖3所示。

圖3 上下鄰近層瓦斯流動(dòng)示意圖

3 采動(dòng)裂隙分布數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

圖4 數(shù)值模擬力學(xué)模型

以山西省沙曲煤礦南翼4號(hào)煤層現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件為原型，構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，此次數(shù)值模擬選用UDEC4.0模擬軟件[11-14]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)14301工作面的綜合柱狀圖，建立南翼山西組煤巖層數(shù)值計(jì)算模型，如圖4所示。設(shè)計(jì)水平模型長(zhǎng)度為300m、高度為51.6m；傾斜模型長(zhǎng)度為400m、高度為80m模擬中4號(hào)煤層平均傾角為4°，煤層厚2.45m，采高2.45m，其上方21.2m、10m處分別為2號(hào)、3號(hào)煤層，平均厚度分別為0.9m、1.2m；其下方5.6m處為5號(hào)煤層，平均厚度為3.42m。數(shù)值模擬中工作面埋深約450m，即模型上部施加11.25MPa的載荷，模擬上部巖層的自重。設(shè)計(jì)UDEC4.0數(shù)值計(jì)算模型底部邊界以固定鉸支座固定，模型左右兩端邊界以活動(dòng)鉸支座固定，模型上部為自由邊界。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，模擬模型中各煤巖層和節(jié)理面的力學(xué)參數(shù)見表2和表3。

表2 煤巖層力學(xué)參數(shù)

表3 節(jié)理面力學(xué)參數(shù)

本次數(shù)值模擬是為了揭示4號(hào)煤層14301工作面開采后頂板裂隙分布及演化規(guī)律，在傾斜模型中左右兩邊留設(shè)90m邊界煤柱，工作面開挖長(zhǎng)度為220m；在走向模型中從左邊界50m處開始開挖。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為分析隨著14301工作面的推進(jìn)，覆巖裂隙及垂直應(yīng)力分布規(guī)律，設(shè)計(jì)從模型左邊界50m處開始開挖，分別開挖至模型水平坐標(biāo)的65m、85m、100m、160m處，對(duì)應(yīng)老頂初次來壓前、初次和周期來壓時(shí)、正?；夭蓵r(shí)期，模擬的覆巖裂隙及垂直應(yīng)力分布特征如圖5所示。

圖5 模擬覆巖裂隙及垂直應(yīng)力分布(MPa)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果圖5(a)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至模型水平位置65m時(shí)直接頂開始垮落，垮落高度為3.4m，老頂未斷裂，裂隙發(fā)育不明顯；根據(jù)圖5(b)可知，當(dāng)工作面推進(jìn)到水平位置85m時(shí)老頂初次斷裂，裂隙不斷向上發(fā)展，距離煤層頂板13.2m處形成離層裂隙；此后隨著工作面的推進(jìn)裂隙發(fā)育區(qū)不斷向上發(fā)展，當(dāng)工作面推進(jìn)至水平位置100m時(shí)離層裂隙發(fā)生在工作面頂板上方22.1m處，如圖5(c)所示；此后，隨著工作面的推進(jìn)，裂隙的發(fā)育高度達(dá)到34m，并基本穩(wěn)定在該高度，如圖5(d)所示。

4號(hào)煤層回采時(shí)頂?shù)装辶严斗植家?guī)律為：上覆巖層0～3.4m為冒落帶，3.4～34.1m范圍為裂隙帶，兩帶高度為采高的14.2倍，底板的裂隙區(qū)域距離底板10m以外。3號(hào)處于裂隙帶內(nèi)，5號(hào)煤層處于底板卸壓區(qū)域內(nèi)。

綜上分析得出：①垂直方向上，在4號(hào)煤層頂板34m范圍內(nèi)采動(dòng)裂隙發(fā)育，在煤層頂板約22m處形成最大離層裂隙，導(dǎo)致煤層卸壓瓦斯大量聚集；②在傾斜方向上，采空區(qū)兩端頭內(nèi)側(cè)0～60m的范圍內(nèi)，覆巖發(fā)生下沉膨脹變形，形成大量順層和穿層裂隙，是千米定向鉆孔布置的最優(yōu)位置。

4 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

4.1 頂板千米定向鉆孔布置設(shè)計(jì)

沙曲煤礦14301工作面設(shè)計(jì)布置4個(gè)頂板千米定向鉆孔抽采覆巖裂隙帶瓦斯，鉆孔布置在4號(hào)煤層頂板巖層中，垂直距離4號(hào)煤層約22m，4個(gè)鉆孔的開孔間距大于1～2m，單孔鉆孔深度為1200m。如鉆孔平面布置圖6(a)所示，4個(gè)鉆孔均靠近14301運(yùn)輸巷和尾巷一側(cè)布置，4號(hào)鉆孔距離14301運(yùn)輸巷15m左右，4個(gè)鉆孔的終孔間距為40m。鉆孔基本孔和擴(kuò)孔的直徑分別為170mm、220mm。14301工作面抽采覆巖裂隙匯聚瓦斯的鉆孔布置如圖6所示。

圖6 頂板千米定向鉆孔布置示意圖(m)

4.2 千米定向鉆孔的施工工藝

在水平距離南三集中運(yùn)輸巷82.5m處布置鉆場(chǎng)，將奧鉆鉆機(jī)向上傾斜4°，并向回風(fēng)巷方向水平偏轉(zhuǎn)8°，以便鉆孔盡早進(jìn)入預(yù)設(shè)巖層位置。

由于德國千米定向鉆機(jī)DDR-1200型施工鉆孔時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)鉆頭在任意方向上的彎曲，其施工工藝主要分為封孔、爬升、平行鉆進(jìn)三個(gè)階段：①封孔階段，先以孔徑170mm鉆孔進(jìn)尺21m，再擴(kuò)孔至220mm的孔徑，然后用鉆機(jī)向21m鉆孔內(nèi)推入導(dǎo)氣鋼管，注入馬麗散實(shí)施封孔；②爬升階段，由于設(shè)計(jì)頂板鉆孔將穿過3號(hào)煤層，沿2號(hào)煤層與3號(hào)煤層之間的層位鉆進(jìn)，所以設(shè)計(jì)水平距離鉆場(chǎng)100m左右，鉆孔將爬升至預(yù)設(shè)高度層位，即垂直距離4號(hào)煤層頂板22m處；③水平鉆進(jìn)階段，當(dāng)鉆孔達(dá)到預(yù)設(shè)層位(垂直距離4號(hào)煤層頂板22m處)，鉆孔將停止爬升，平行于4號(hào)煤層鉆進(jìn)，保持間距。

4.3 瓦斯抽采效果分析

為了分析14301工作面頂板千米鉆場(chǎng)抽采瓦斯效果，現(xiàn)場(chǎng)收集鉆場(chǎng)抽采瓦斯的數(shù)據(jù)，在14301工作面千米鉆場(chǎng)抽采瓦斯兩年時(shí)間內(nèi)瓦斯抽采濃度和純量變化曲線如圖7所示。

圖7 14301工作面鉆場(chǎng)瓦斯抽采數(shù)據(jù)圖

從圖7中分析可知，根據(jù)14301工作面頂板千米鉆場(chǎng)兩年時(shí)間內(nèi)抽采瓦斯的數(shù)據(jù)，抽采瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，抽采瓦斯?jié)舛仁冀K大于25%以上，抽采瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_(dá)80%。在觀測(cè)期間的前6個(gè)月，抽采瓦斯的濃度出現(xiàn)不斷升高的變化，濃度由25%增至80%；在此后的2個(gè)多月期間，抽采瓦斯?jié)舛任恢迷?0%～80%之間；之后，抽采瓦斯?jié)舛乳_始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，由80%降至45%左右，維持將近2個(gè)月后，抽采瓦斯?jié)舛冗M(jìn)一步下降至30%左右。抽采瓦斯純量始終大于2.0m3/min以上，抽采瓦斯純量最大值達(dá)3.5m3/min，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集鉆場(chǎng)抽采瓦斯第一年的數(shù)據(jù)來看，抽采瓦斯純量保持在2.0～3.0m3/min之間波動(dòng)，第二年的時(shí)間內(nèi)抽采瓦斯純量保持在3.0～3.5m3/min之間波動(dòng)，幅度較小。

綜上分析可以得出：14301工作面頂板千米定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群图兞枯^高，并且有效抽采濃度的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，持續(xù)抽采時(shí)間在兩年以上，取得了良好的瓦斯抽采效果。

5 結(jié) 論

1)沙曲礦南翼山西組4號(hào)煤層開采時(shí)，采掘工作面內(nèi)的瓦斯主要來至本煤層開采的釋放瓦斯和上部3號(hào)、下部5號(hào)鄰近煤層的卸壓瓦斯。頂?shù)装遴徑簩有秹和咚乖谏『蛿U(kuò)散的作用下沿穿層頂?shù)装辶严叮蛏蠑U(kuò)散，最后聚集在4號(hào)煤層上方的離層裂隙中，形成瓦斯富集區(qū)域。

2)模擬分析得出以下結(jié)論：①垂直方向上，在4號(hào)煤層頂板34m范圍內(nèi)采動(dòng)裂隙發(fā)育，在煤層頂板約22m處形成最大離層裂隙，導(dǎo)致煤層卸壓瓦斯大量聚集；②在傾斜方向上，采空區(qū)兩端頭內(nèi)側(cè)0～60m的范圍內(nèi)，覆巖發(fā)生下沉膨脹變形，形成大量順層和穿層裂隙，是千米定向鉆孔布置的最優(yōu)位置。

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：在14301工作面千米鉆場(chǎng)抽采瓦斯兩年時(shí)間內(nèi)，抽采瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，抽采瓦斯?jié)舛仁冀K大于25%以上，最大值達(dá)80%，瓦斯抽采純量在2.0～3.0m3/min之間。頂板千米定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群图兞枯^高，并且有效抽采濃度的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，持續(xù)抽采時(shí)間在兩年以上，取得了良好的瓦斯抽采效果。