武偉

（山西西山礦業(yè)管理有限公司鉆探分公司 山西太原030000）

0 前言

導(dǎo)致煤礦事故高發(fā)最主要的因素之一是瓦斯，在礦井生產(chǎn)過程中，瓦斯抽采是實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯災(zāi)害治理及綠色開采的重要手段[1]。對(duì)于特厚煤層高瓦斯工作面使用分層開采技術(shù)時(shí)，其下分層的卸壓瓦斯通過穿層裂縫裂隙運(yùn)移到上分層采空區(qū)中，導(dǎo)致工作面瓦斯超限，而因普通鉆孔難以實(shí)現(xiàn)抽采下分層的卸壓瓦斯[2]，因此特厚煤層高瓦斯工作面的瓦斯抽采遇到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)主要通過采用尾巷、高位抽放巷、底板巖巷上向網(wǎng)格式鉆孔、地面鉆孔的高位鉆孔等抽采工藝治理特厚煤層高瓦斯工作面[3]，然而由于這些方法難以達(dá)到定向和長時(shí)間抽采下分層卸壓瓦斯，且經(jīng)濟(jì)成本較高，抽采效果不佳，很難削弱下分層卸壓瓦斯對(duì)工作面的影響。本文以西銘礦205工作面為研究對(duì)象，以治理下分層卸壓瓦斯為目的，綜合研究工作面瓦斯來源、下分層卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律和底板破壞機(jī)理，通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬得到千米鉆孔在工作面下分層中的合理終孔位置，并對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，給特厚煤層高瓦斯工作面的瓦斯治理奠定基礎(chǔ)。

1 下分層煤體卸壓及瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

對(duì)于特厚煤層高瓦斯工作面使用分層開采方法時(shí)，采動(dòng)的作用將直接影響到下分層，上分層的煤體發(fā)生上臌作用，破裂斷開產(chǎn)生穿層裂縫裂隙，形成上、下分層間的瓦斯運(yùn)移通道[4]；下部少量煤體、底板巖層因不同的上臌量，大量的順層裂隙發(fā)生在層向薄弱面上，導(dǎo)致卸壓瓦斯通過交叉裂隙和離層裂隙流至相互貫通的裂縫裂隙中，最后運(yùn)移到工作面采空區(qū)；因煤層中產(chǎn)生大量的交叉裂隙、穿層裂隙和順層裂隙，導(dǎo)致煤層的透氣性系數(shù)增大數(shù)倍[5]。伴隨工作面采空區(qū)的面積增大，垮落下來的覆巖逐步被壓實(shí)，應(yīng)力開始恢復(fù)，使得下分層煤體的透氣性減小，但仍然很難達(dá)到原始狀態(tài)，煤層透氣性減小受限。在卸壓恢復(fù)這一過程中，打破了下分層原始的瓦斯賦存平衡條件，絕大多數(shù)的吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯，為下分層煤體使用千米鉆孔技術(shù)抽采瓦斯提供了條件。

因回采特厚煤層高瓦斯工作面上分層時(shí)，在下分層煤體將會(huì)形成“卸壓增流”現(xiàn)象，顯著提高的煤層透氣性，加快瓦斯“解吸—擴(kuò)散—滲流”速度[6]。所以，實(shí)施千米定向鉆孔來高效率、大面積和長時(shí)間抽采下分層瓦斯是完全可能的。實(shí)施千米定向鉆孔工藝抽采下分層瓦斯時(shí)，需要結(jié)合下分層的卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律、采動(dòng)裂隙場(chǎng)分布規(guī)律及塑性變形情況，以獲得千米定向鉆孔處于下分層的合理位置。在布置鉆孔時(shí)需重點(diǎn)注意：在豎直方向上，在“下分層裂隙帶”布置鉆孔，保證當(dāng)?shù)装灏l(fā)生周期性破壞時(shí)鉆孔不會(huì)發(fā)生塌孔破壞現(xiàn)象，達(dá)到鉆孔既可以預(yù)抽下分層瓦斯又可以高效率長時(shí)間抽采卸壓瓦斯的雙重目的[7]；在水平方向上，將鉆孔密集布置在“O”形圈區(qū)域內(nèi)，在工作面采空區(qū)后方的壓實(shí)范圍內(nèi)盡可能減少布孔，鉆孔的布置方式如圖1所示。

圖1 千米鉆孔布孔方式

2 工作面概況

2.1 工作面概況

西銘礦是西山煤電幾個(gè)高瓦斯礦井之一，主要開采2#、3#、8#、9#煤層，其中2#厚度為16.4 m～21.0 m，2#煤層屬于可以抽放煤層，透氣性系數(shù)為0.25 m2/(MPa2·d)～0.76 m2/(MPa2·d)。205工作面是大采高工作面，煤層平均傾角為4o，平均厚度達(dá)到19 m，絕對(duì)瓦斯涌出量為81.96 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為17.43 m3/t，瓦斯壓力達(dá)到0.57 MPa～0.64 MPa，煤質(zhì)較硬，堅(jiān)固性系數(shù)1.96～2.8，千米鉆孔施工完成后成孔率較高。采用分層開采，其中上分層采高為6 m，全面垮落法管理頂板，工作面長度為200 m，可采走向長度為2 200 m。

2.2 工作面瓦斯來源分析

表1 205工作面瓦斯構(gòu)成

在回采上分層煤體時(shí)，工作面采破煤強(qiáng)度大而集中，另外下分層煤體卸壓完全，原生裂隙裂縫互相貫通，大量的吸附態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化為游離態(tài)瓦斯。205工作面采空區(qū)瓦斯主要來源于下分層卸壓煤體?；夭蓵r(shí)工作面瓦斯來源分析見表1，從表1發(fā)現(xiàn)205工作面的瓦斯來源于工作面落煤和下分層大量的卸壓煤體。所以工作面瓦斯治理的重要方法：在回采工作面之前通過預(yù)抽下分層瓦斯，回采后抽采卸壓煤體瓦斯。

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算裂隙帶范圍

西銘礦2#煤層傾角小，205工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，在掘進(jìn)巷道時(shí)只出現(xiàn)一個(gè)3.6 m落差的小斷層。所以借助經(jīng)驗(yàn)公式，分析計(jì)算下分層裂隙帶最大深度h1，最大裂隙帶深度距煤壁水平距離l0，即

式中：H—開采深度，m；φ—煤層內(nèi)摩擦角，°。

工作面埋深H為580 m，內(nèi)摩擦角φ為28°，代入式（1）、（2），計(jì)算得到h1=12.89 m，l0=6.85 m。結(jié)果證明，下分層煤體幾乎全部處于卸壓裂隙帶內(nèi)。

3.2 下分層卸壓范圍

3.2.1 模型建立

利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D模擬西銘礦2#煤上分層開采情況。模型坐標(biāo)系參數(shù)見表2，煤巖體力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 模型參數(shù)

表3 煤巖層參數(shù)

3.2.2模擬結(jié)果分析

借助FLAC3D軟件數(shù)值模擬下分層塑性變形及破壞規(guī)律，模擬結(jié)果得到塑性破壞的最大距離達(dá)到14.5 m，而采用公式計(jì)算得到的下分層裂隙帶最大距離為12.89 m，二者僅相差1.61 m，表明二者模擬幾乎符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。參考理論計(jì)算和數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)，將205工作面下分層塑性破壞最大距離確定為13 m。

持續(xù)開挖到160 m時(shí)，下分層的塑性破壞停止向深部發(fā)育，不在跟隨工作面的推進(jìn)而變化，當(dāng)開挖到180 m時(shí)，下分層不同距離的煤體發(fā)生塑性破壞情況如圖2所示。從圖2得到：在上分層底板以下3 m距離（如圖2a所示），工作面采空區(qū)發(fā)生拉張破壞和面狀剪切，周圍發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致煤體發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)，被強(qiáng)烈破壞，充分發(fā)育了貫穿裂縫裂隙；在上分層底板以下6 m距離（如圖2b所示），工作面采空區(qū)四周發(fā)生“O”型剪切破壞，中間部分局部主要發(fā)生拉張破壞，伴隨少數(shù)剪切破壞，當(dāng)破壞程度減弱時(shí)，煤體開始從劇烈破壞過度至張裂破壞；在上分層底板以下9 m距離（如圖2c所示），唯獨(dú)采空區(qū)四周形成剪切破壞狀態(tài)，中間區(qū)域幾乎未發(fā)生塑性變形，此時(shí)煤體發(fā)生輕微擾動(dòng)，在此層位布置鉆孔，其不會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)性塌孔現(xiàn)象；當(dāng)上分層底板以下12 m（如圖2d所示）時(shí)，唯獨(dú)在采空區(qū)的四周形成間斷式的剪切破壞，其他地點(diǎn)幾乎沒有發(fā)生破壞現(xiàn)象，擾動(dòng)作用對(duì)煤體的影響很小。

圖2 不同深度塑性區(qū)變化情況

分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在煤層底板以下6 m距離，煤層被劇烈破壞，產(chǎn)生了大量的裂縫裂隙且相互貫通發(fā)育充分，在此層位施工千米定向鉆孔能充分?jǐn)r截借助豎向裂縫裂隙運(yùn)移至采空區(qū)中的卸壓瓦斯；在煤層底板以下6 m～9 m距離，煤體發(fā)生張裂破壞，鉆孔未受到嚴(yán)重破壞，仍可保留原本形狀，能高效率、較長時(shí)間抽采來自下分層的卸壓瓦斯，保障了下分層安全快速回采；在煤層底板以下9 m的距離，卸壓瓦斯自下而上運(yùn)移，在壓力差的影響下千米定向鉆孔將卸壓瓦斯阻攔住，迫使瓦斯難以涌入到采空區(qū)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在204輔助撤面道與205工作面回風(fēng)順槽借助VLD—1000型（澳大利亞生產(chǎn)的）千米定向鉆機(jī)施工4個(gè)鉆場(chǎng)，來施工下分層不同范圍的千米鉆孔，鉆孔布置示意圖如圖3、4所示。

圖3 鉆孔平面圖

設(shè)計(jì)在每個(gè)鉆場(chǎng)施工1個(gè)主孔、4個(gè)分支鉆孔，分支鉆孔間距為5 m，鉆孔施工參數(shù)見表4。鉆孔成孔后進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)至直徑達(dá)到φ150 mm，利用聚氨酯進(jìn)行封孔，封孔長度為6 m，鉆孔直徑為φ96 mm。

表4 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)千米鉆孔長度在560 m范圍內(nèi)，在成孔時(shí)瓦斯抽采濃度達(dá)到52%，聯(lián)網(wǎng)開始預(yù)抽時(shí)鉆孔瓦斯抽采濃度開始減小，到工作面開始回采時(shí)瓦斯抽采濃度是36%。工作面回采后，當(dāng)工作面推進(jìn)距離、鉆孔主孔長度和抽采負(fù)壓幾乎相同條件下，監(jiān)測(cè)距上分層3 m、6 m、9 m、12 m這4個(gè)不同鉆孔組的抽采濃度，見圖5。

由圖5得到：當(dāng)4個(gè)鉆場(chǎng)距工作面30 m時(shí)，鉆孔抽采濃度均值在36%左右，同時(shí)呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)。伴隨工作面的不斷回采，加快了支撐壓力增高速度，煤體透氣性系數(shù)迅速降低，導(dǎo)致抽采濃度減小，但是抽采濃度減小程度隨著鉆孔所在層位不同而不同，當(dāng)鉆孔距上分層底板越遠(yuǎn)，瓦斯抽采濃度減小越緩慢。當(dāng)鉆孔距回采工作面5 m～8 m時(shí)，抽采濃度下降到最低點(diǎn)，這時(shí)下分層煤體位于應(yīng)力峰值區(qū)，在高應(yīng)力的作用下，煤體被壓縮，內(nèi)部的裂隙裂縫部分閉合，煤體透氣性系數(shù)減小到最低點(diǎn)。隨著鉆孔深度的增加，下分層煤體的透氣性系數(shù)和抽采濃度最低值的滯后時(shí)間開始延長，滯后時(shí)間的最大值約等于工作面回采4.5 m的時(shí)間。通過應(yīng)力峰值區(qū)后，下分層煤體開始從應(yīng)力壓縮區(qū)轉(zhuǎn)為卸壓膨脹區(qū)，形成“卸壓增流”效應(yīng)，透氣性系數(shù)發(fā)生顯著提高。

圖5 隨工作面回采各鉆孔的抽采濃度

鉆孔進(jìn)入到采煤工作面后方時(shí)，因?yàn)槊簩拥装灏l(fā)生卸壓破壞，瓦斯抽采濃度升高至37.6%后就保持平穩(wěn)，原因是1#鉆場(chǎng)中的鉆孔受到破壞，發(fā)生塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致孔內(nèi)瓦斯不能被抽出，瓦斯抽采濃度再次返回初始狀態(tài)，因此位于底板以下3 m距離處的鉆孔很難實(shí)現(xiàn)長期抽采瓦斯的目標(biāo)；而隨工作面的回采，2#鉆場(chǎng)和3#鉆場(chǎng)中的鉆孔瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)指數(shù)上升，最后升高至68%，表明采動(dòng)礦壓沒有破壞鉆孔，鉆孔仍然具有一定的完整性，因此位于底板以下6 m～9 m范圍的煤體發(fā)生明顯的卸壓效果，產(chǎn)生了大量的相互貫通的裂隙且發(fā)育很完全，煤體透氣性顯著增大，瓦斯抽采濃度可以長時(shí)間保持在高濃度水平，實(shí)現(xiàn)了千米定向鉆孔高效率、較長時(shí)間穩(wěn)定抽采下分層瓦斯的目標(biāo)。布置在底板以下12 m處的2#鉆場(chǎng)，當(dāng)工作面回采到-20 m距離時(shí)，瓦斯抽采濃度升高至58%后就保持穩(wěn)定不變，并未發(fā)生明顯的“卸壓增流”效應(yīng)，大量的瓦斯運(yùn)移到工作面采空區(qū)中；根據(jù)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定報(bào)告，2#煤層有效抽采半徑為3 m，當(dāng)煤層底板發(fā)生卸壓破壞后抽采半徑能擴(kuò)大，若抽采鉆孔設(shè)置在下分層最底部，鉆孔有效利用時(shí)間將會(huì)減小。

綜上所述，西銘礦205工作面千米定向鉆孔布置的最佳層位為工作面底板以下6 m～9 m的距離，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，此抽采技術(shù)為特厚煤層高瓦斯工作面瓦斯治理提供一定的借鑒依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）工作面底板以下13 m為最大裂隙帶高度，此范圍內(nèi)下分層煤體處于破壞狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生卸壓增流現(xiàn)象，工作面的瓦斯主要來源于下分層的卸壓瓦斯。

（2）在工作面底板以下6 m距離，煤體發(fā)生嚴(yán)重破壞，底鼓明顯，此范圍內(nèi)的鉆孔容易被破壞，發(fā)生塌孔，難以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間抽采瓦斯的目標(biāo)；在工作面底板以下6 m區(qū)域內(nèi)千米定向鉆孔很少受到破壞，在6 m～9 m區(qū)域內(nèi)施工鉆孔能實(shí)現(xiàn)高效率、長久抽采下分層卸壓瓦斯的目標(biāo)，可有效保障上分層安全開采。

（3）在工作面下分層布置千米定向長鉆孔能取代底板巖巷的上向網(wǎng)格式鉆孔，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，減少鉆孔的施工周期，保證鉆孔的預(yù)抽時(shí)間。