張永剛，鮑俊睿

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 李村煤礦，山西 長治 046000）

李村煤礦1301 工作面為礦井驗收試運轉(zhuǎn)工作面，據(jù)地層資料顯示，該工作面前方存在有1 條傾角為60°的正斷層FJ10。斷層破碎帶周圍形成了高應(yīng)力瓦斯積聚區(qū)，嚴(yán)重威脅到工作面的正?；夭蒣1]。因此，為確保安全回采，采用數(shù)值模擬的方式判斷瓦斯積聚的應(yīng)力集中區(qū)范圍，并通過分析工作面發(fā)生瓦斯異常涌出時的極限距離，設(shè)計瓦斯超前應(yīng)力釋放的最小超前距，并根據(jù)實際抽采過程時的應(yīng)力現(xiàn)象，優(yōu)化抽采工藝，提高瓦斯抽采的安全系數(shù)[2]。

1 工程概況

李村煤礦1301 工作面采用大采高一次采全高沿空留巷工藝回采?，F(xiàn)回采煤層為3#煤層，工作面采高為6 m，煤層與頂?shù)装鍏?shù)見表1。根據(jù)地層資料顯示 ，工作面前方存在1 個正斷層，走向為175°，傾向85°，落差2 m，延伸長度為218 m。

2 工作面過斷層數(shù)值模擬

2.1 模型建立與開挖

模擬對象為工作面前方正斷層附近的影響巖層，通過采用FLAC3D數(shù)值分析中的接觸面命令進(jìn)行模擬分析，模型中選取斷層傾角60°，模擬煤層與頂?shù)装鍘r性參照表1 中數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。模型頂部施加均布載荷12.7 MPa，模型長×寬×高為100 m×80 m× 100 m，數(shù)值分析模型如圖1。

當(dāng)工作面開始回采后，在斷層帶影響下，工作面圍巖內(nèi)的瓦斯分布狀況發(fā)生了改變，為確保工作面在回采過程中的安全性，需對不同回采距離下的采場應(yīng)力分布進(jìn)行進(jìn)一步分析。因此，設(shè)計了工作面距斷層40、30、20 m 時的開挖分析模型，模擬時采用彈性材料對模型采空區(qū)進(jìn)行回填處理，對采空區(qū)進(jìn)行無塑性區(qū)處理，以免影響分析結(jié)果[3-4]。

表1 李村煤礦3 號煤層與頂?shù)装鍏?shù)Table 1 3# coal seam and top and bottom plate parameters of Licun Coal Mine

圖1 數(shù)值分析模型Fig.1 Numerical analysis model

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

工作面進(jìn)行回采時，斷層附近的應(yīng)力場隨采動應(yīng)力的不斷變化而發(fā)生改變，通過對比工作面距斷層40、30、20 m 3 種情形下的應(yīng)力分布情況，可以預(yù)測出煤壁發(fā)生瓦斯事故的極限危險距離，不同回采距離下圍巖主應(yīng)力分布如圖2。

對比3 種回采模型下的主應(yīng)力分布圖可以得出，隨著工作面的推進(jìn)，在工作面與斷層之間的一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力增高現(xiàn)象，且其應(yīng)力峰值隨著推進(jìn)距離的不斷增大而增大。當(dāng)工作面距斷層40 m時，工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力增高現(xiàn)象，且應(yīng)力峰值約為10.5 MPa，斷層尾端也同樣出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力峰值為13.9 MPa，此時2 個應(yīng)力區(qū)相距較遠(yuǎn)，并未發(fā)生應(yīng)力貫通；當(dāng)工作面距斷層30 m 時，工作面前方的應(yīng)力區(qū)與斷層帶下側(cè)的應(yīng)力區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，并呈現(xiàn)出相互貫通的擴(kuò)散態(tài)勢，此時工作面前方的應(yīng)力峰值為約12.5 MPa，斷層尾端的應(yīng)力峰值約為15.7 MPa；當(dāng)工作面距離斷層20 m 時，工作面前方與斷層破碎帶的2 組應(yīng)力場相互疊加，形成貫通，此時兩應(yīng)力區(qū)發(fā)生能量轉(zhuǎn)移與釋放，工作面前方的應(yīng)力峰值逐漸減小至10.5 MPa，斷層尾端的應(yīng)力峰值逐漸減小至13.6 MPa。

圖2 不同回采距離下圍巖主應(yīng)力分布Fig.2 Distribution of principal stress of surrounding rock under different mining distances

為進(jìn)一步分析應(yīng)力貫通時的塑性分布狀況，截取工作面距斷層20 m 時的塑性區(qū)分布（圖3）。

由圖3 可知，隨著工作面與斷層距離的不斷縮小，斷層上盤受開采擾動影響范圍增大。究其原因是泥巖受剪切破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致孔隙率增大，為瓦斯的擴(kuò)散提供了有利渠道。并且，當(dāng)工作面推進(jìn)至距斷層20 m 處時，裂隙發(fā)生貫通，瓦斯應(yīng)力瞬間釋放，此時工作面煤壁在受到高瓦斯應(yīng)力與地層應(yīng)力的雙重疊加作用下剝離煤體，發(fā)生大面積片幫，并向采空區(qū)側(cè)噴射彈性能，是發(fā)生瓦斯事故的邊界距離。

圖3 距離斷層20 m 時塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of rock layer plastic zone at 20 m from fault

3 瓦斯防治措施方案

3.1 斷層破碎帶對鉆孔的影響

由于工作面前方存在應(yīng)力異常區(qū)，在打鉆過程中會出現(xiàn)吸鉆、卡鉆現(xiàn)象，不僅會影響抽采進(jìn)程，而且斷留在煤壁內(nèi)的鉆桿會對工作面的回采造成安全隱患。經(jīng)統(tǒng)計，在對1301 工作面2 個運輸巷進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采時，大多數(shù)鉆孔不滿足成孔要求，其中50～80 m 長的成孔數(shù)量約占20%，30～50 m 長的成孔數(shù)量約占22%，30 m 長的成孔數(shù)量約占7.5%，卡鉆孔約占2.2%，且這些不滿足成孔要求的鉆孔分布范圍較為集中。由此可知，此區(qū)域內(nèi)的瓦斯壓力較大，且與孔內(nèi)空間形成較大的壓力差，嚴(yán)重影響了瓦斯的抽采效果。究其原因是在進(jìn)行鉆孔抽采時，前方煤壁為瓦斯應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)一段距離后，會出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象，孔內(nèi)壓力與應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力梯度較大，噴孔源頭周圍的孔壁進(jìn)入加速變形階段，瞬間增大變形量，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)壁與鉆桿之間的孔隙減小，造成排渣困難。并且隨著鉆孔深度的增大，鉆屑不斷積累并箍緊鉆頭，從而出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象[5-6]。

3.2 “孔內(nèi)高壓”方案

瓦斯抽采是利用孔內(nèi)空間與瓦斯積聚區(qū)的壓力梯度，實現(xiàn)瓦斯不斷由高壓側(cè)向低壓側(cè)空間運移的過程[7]。隨著鉆孔深度的不斷增大，鉆孔內(nèi)壁壓力也逐漸增大，且呈現(xiàn)為非均勻性分布狀態(tài)。鉆孔越深，內(nèi)壁裂隙擴(kuò)張現(xiàn)象越明顯，單位時間的瓦斯釋放量越大。然而，大量瓦斯釋放后，瓦斯吸附壓力發(fā)生變化，這種變化又反作用于鉆孔內(nèi)壁，進(jìn)一步形成裂隙的擴(kuò)張、延伸，持續(xù)推進(jìn)瓦斯解吸反應(yīng)[8-9]。

“孔內(nèi)高壓”的抽采工藝是通過增大鉆孔內(nèi)的風(fēng)壓值，減小鉆孔與預(yù)抽采區(qū)瓦斯壓力的梯度差，從而減緩空隙內(nèi)瓦斯的解吸反應(yīng)，在滿足瓦斯抽放的同時，避免瓦斯壓力瞬間釋放時發(fā)生吸鉆、卡鉆現(xiàn)象；同時通過增大孔內(nèi)壓力，可以對鉆孔內(nèi)壁施加一定的支撐力，保持鉆孔內(nèi)壁的完整性，避免塌孔現(xiàn)象發(fā)生，同時也為鉆孔形成的煤屑提供了釋放空間。

通過空壓機(jī)施加孔內(nèi)高壓，可以有效避免因瓦斯應(yīng)力迅速變化所造成的鉆孔內(nèi)壁裂隙迅速擴(kuò)張現(xiàn)象，可以有效控制單位時間內(nèi)的瓦斯流量，提高成孔率。

式中：p 為空壓機(jī)出風(fēng)口最低風(fēng)壓，MPa；△p 為風(fēng)壓損失量，MPa；pa為孔底風(fēng)壓，MPa；pt為原始瓦斯壓力；△ps為煤屑克服阻力噴出鉆孔的風(fēng)壓，MPa；p0為大氣壓強(qiáng)。

將煤屑的運動狀態(tài)近似為理想狀態(tài)，即將煤屑看作為粒度一致，混合均勻，有效排渣直徑穩(wěn)定恒定的理想狀態(tài)[10]，則有：

式中：△ps0為當(dāng)孔口的氣體密度與流速以不可壓縮氣體為參照時，吹出鉆渣所造成的阻力損失，Pa。

將風(fēng)流近似看作為不可壓縮流體，結(jié)合瓦斯原始壓力 0.25 MPa，可以得到孔底風(fēng)壓為 0.714 MPa，考慮到可能存在設(shè)備漏風(fēng)及局部風(fēng)壓損失，最終確定空壓機(jī)出口風(fēng)壓不得低于 0.8～0.9 MPa。對比我國井下現(xiàn)有空壓機(jī)的設(shè)備性能，可選取ZDY1900S（MKD-5S）型鉆機(jī)進(jìn)行風(fēng)壓鉆孔，配套的鉆桿直徑為 63.5～73 mm。

3.3 抽采鉆孔參數(shù)

為優(yōu)化1301 工作面順層預(yù)抽采鉆孔布置參數(shù)，確定合理的抽采半徑，采用觀測法對測壓鉆孔內(nèi)的瓦斯流量進(jìn)行對比分析。

在運輸巷中選取距斷層15 m 與40 m 2 組瓦斯流量測點，每組測點分別布置4 個間距2 m、長50 m、孔徑94 mm 的測試孔，且距2#孔1 m 處布置預(yù)抽孔，分析抽采前與抽采30 min 后的瓦斯流量。測壓鉆孔布置示意圖如圖4。

圖4 測壓鉆孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of pressure measuring drilling

由觀測得到，抽采30 min 前后，靠近斷層側(cè)的2#孔瓦斯流量增加了23.7%，3#孔瓦斯流量增大了3.4%，1#孔與4#孔變化不明顯，可確定靠近斷層側(cè)抽采半徑為1 m；遠(yuǎn)離斷層側(cè)的2#孔瓦斯流量增大了 32.6%，3#孔瓦斯流量增大了 21.8%，3#孔瓦斯流量增大了6.2%，4#孔變化不明顯，可確定遠(yuǎn)離斷層測試抽采半徑為2 m。

但在實際抽采時常布置為多孔密集抽采，此時會存在著抽采疊加顯現(xiàn)，因此為盡可能減少鉆孔數(shù)量，應(yīng)將遠(yuǎn)離斷層側(cè)的抽采孔間距適當(dāng)增大至2.5 m。為便于鉆孔，選取鉆孔高度1.5 m，垂直運輸巷并向上傾斜2°進(jìn)行鉆孔，鉆孔全長約 130 m，孔徑 113 mm。

4 結(jié) 論

1）通過模擬工作面過斷層數(shù)值模型，可以得出當(dāng)工作面距斷層20 m 時，斷層帶的應(yīng)力區(qū)會與工作面前方煤壁處的應(yīng)力區(qū)發(fā)生貫通，此時在高瓦斯應(yīng)力與地層應(yīng)力的雙重作用下，易發(fā)生工作面煤壁片幫以及瓦斯動力災(zāi)害。因此需對超前工作面20 m范圍內(nèi)的煤體進(jìn)行應(yīng)力釋放。

2）為有效提高成孔率，改善瓦斯抽采效果，提出了采用 ZDY1900S（MKD-5S）型鉆機(jī)實施“孔內(nèi)高壓”的高風(fēng)壓抽采方式，空壓機(jī)出風(fēng)口風(fēng)壓不得低于 0.8～0.9 MPa。

3）通過觀測測壓鉆孔瓦斯壓力變化，確定靠近斷層側(cè)鉆孔最佳布置間距為1 m，遠(yuǎn)離斷層側(cè)鉆孔最佳布置間距為 2.5 m，鉆孔高取 1.5 m，鉆孔全長取130 m，孔徑取113 mm，鉆孔傾角為垂直運輸巷并向上傾斜2°。

4）采用此工藝進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采，能夠有效降低瓦斯積聚區(qū)的安全隱患，并減少打鉆時的卡鉆、吸鉆、塌孔現(xiàn)象，提高瓦斯抽采效率。