張楠，徐九洲，邱黎明

（1.永貴能源開發(fā)有限責任公司 西秀分公司,貴州 安順 561001；2.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083）

0 引言

煤與瓦斯突出（簡稱“突出”）是煤炭開采中最具破壞性的動力災害之一[1]。近年來，隨著我國煤礦開采深度和強度的不斷增加，突出災害愈發(fā)嚴重[2]。據(jù)統(tǒng)計，發(fā)生在煤巷掘進工作面的突出占總數(shù)的70%以上，平均突出強度達到66.9 t/次[3]。突出事故嚴重影響了井下生產(chǎn)效率，更威脅著煤礦工人的生命安全。如何有效降低與消除突出危險性成為一個亟待解決的難題。

現(xiàn)有的消突方法包括保護層開采[4]、底抽巷鉆孔抽采[5-6]、本煤層與鄰近層瓦斯抽采[7-8]、水力消突[9]、水力切割[10]等，這些方法可有效降低煤礦突出危險性。然而，在實際生產(chǎn)過程中，某些薄煤層不具備保護層開采的條件。這種情況下，中間巷掩護掘進是薄煤層消突的最佳方案，即在原有薄煤層工作面巷道基礎上增設1 條中間巷，從中間巷向目標區(qū)域煤層鉆孔并進行瓦斯抽采，以達到消突目的[11-12]。

圍繞中間巷掩護掘進消突技術，部分學者進行了深入研究。樊曉光[13]通過理論分析和現(xiàn)場實測，得出通過中間巷瓦斯抽采能夠大大降低煤層瓦斯含量。閆英俊等[14]研究了中間巷掩護掘進的各種方法和參數(shù)，認為其與區(qū)域防突方法相比，周期較短，工程量較少。高強[15]通過理論分析和現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，在煤層孤島工作面設置中間巷可使集中應力向中間巷轉移，有效減少上下兩巷變形量，對預防突出災害有一定作用。然而，關于將中間巷掩護掘進消突技術應用在薄煤層中的研究較少。因此，本文分析了中間巷掩護掘進條件下薄煤層中瓦斯擴散情況，并借助數(shù)值模擬研究不同抽采條件下瓦斯壓力分布規(guī)律；將中間巷掩護掘進消突技術應用于薄煤層中，以檢驗其實施效果，提高瓦斯抽采效率，達到消突目的。

1 薄煤層瓦斯流動及抽采理論分析

1.1 有效抽采半徑

鉆孔間距與有效抽采半徑關系密切，鉆孔間距的最佳設計方案是各個鉆孔的有效抽采區(qū)域剛好相切。在煤層厚度足夠大的情況下，有效抽采半徑R如圖1 所示，其中r為鉆孔半徑。

圖1 普通煤層中的有效抽采半徑Fig.1 Effective drainage radius in common coal seam

在薄煤層中進行瓦斯抽采時，由于煤層厚度有限，受頂?shù)装逵绊懀咚闺y以滲透到頂?shù)装鍘r層中。因此，隨著抽采時間的增加，有效抽采半徑R會大于煤層厚度h，如圖2 所示。

圖2 薄煤層中的有效抽采半徑Fig.2 Effective drainage radius in thin coal seam

由圖1 和圖2 可知，由于受薄煤層厚度的限制，瓦斯抽采有效區(qū)域在垂直方向的擴展受阻，更傾向于在水平方向延伸，導致水平方向的有效抽采半徑遠大于煤層厚度，有效抽采區(qū)域呈橢圓形分布，不具有普通煤層中的圓形分布特征。

1.2 抽采效率影響因素

一定時間內不同鉆孔間距下瓦斯預抽率為[16]

式中：t為抽采時間，min；q0為百米鉆孔瓦斯初始抽采量，m3/（hm·min），鉆孔半徑越大，q0越大；為抽采鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)，1/d；L為鉆孔布置間距，m；l為抽采鉆孔長度，m；M0為煤的平均厚度，m；ρ為煤的密度，t/m3；ω0為煤層原始最大瓦斯含量，m3/t。

從式（1）可看出，通過減小抽采鉆孔間距、延長抽采時間、增大鉆孔半徑[17]能夠提高抽采效率，但同時也會增加綜合時間和施工成本。因此，應該結合實際工程情況，合理選擇鉆孔抽采方案[18]。

1.3 瓦斯流動方程

令U=p2（p為瓦斯壓力，MPa），W為水分，%；A為灰分，%），煤層透氣性系數(shù)λ=K/（2μp0）（K為煤層透氣率，m2；μ為瓦斯動力黏度，Pa·s；p0為標準狀況下大氣壓力，Pa），則瓦斯流動方程為[19]

式中：φ為孔隙率，%；a為吸附常數(shù)，m3/t；b為吸附常數(shù)，1/MPa；γ為視密度，m3/t；t0為瓦斯在煤層中的流動時間，d；x為瓦斯流動距離，m。

2 薄煤層中間巷掩護掘進消突技術原理

在薄煤層瓦斯抽采過程中，由于受煤層厚度的影響，有效抽采區(qū)域呈橢圓形分布，瓦斯?jié)B流場主要集中在煤層走向和傾向上。因此，相對于穿層鉆孔抽采，薄煤層采用本煤層抽采方式更能使抽采區(qū)域連成一片，從而提高抽采效率。中間巷掩護掘進消突抽采作為一種本煤層抽采方式，適用于薄煤層瓦斯抽采。同時，在實際生產(chǎn)過程中，長鉆孔的成孔率較低，短鉆孔的成孔率較高。中間巷掩護掘進消突技術采用的是短鉆孔，成孔率較高，且成本較低，因此，將中間巷掩護掘進消突技術應用于薄煤層中進行分塊消突具有重大優(yōu)勢。

薄煤層中間巷抽采鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 薄煤層中間巷抽采鉆孔布置Fig.3 Layout of extraction boreholes in middle roadway of thin coal seam

開采突出煤層時，采用沿空留巷技術將上一工作面的回風巷作為下一工作面的進風巷；在進風巷向前施工瓦斯抽采鉆孔，抽采范圍覆蓋并超前預定的中間巷20 m 以上，通過瓦斯抽采消除中間巷的突出危險性；掘進中間巷；在中間巷向回風巷預定位置施工瓦斯抽采鉆孔，抽采范圍覆蓋并超前預定的回風巷20 m 以上，通過瓦斯抽采消除中間巷的突出危險性；最后對回風巷進行掘進，形成回采工作面。

中間巷掩護掘進消突技術充分利用了薄煤層瓦斯流動與抽采原理，可有效降低薄煤層消突工作量，保障煤礦采掘接續(xù)。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型構建

某礦9305 工作面埋藏深度為470～571 m，本煤層厚度為0.8～1.8 m，平均厚度為1.55 m，為突出薄煤層；瓦斯壓力為0.45～2.25 MPa，原煤瓦斯含量為9.867 8～19.77 m3/t，原始瓦斯含量為8.820 9 m3/t，在煤層回采前需要進行抽采，以消除煤層突出危險性。

根據(jù)該礦賦存條件，采用Comsol 軟件對固定力學模塊和達西定律模塊進行耦合，構建薄煤層瓦斯抽采模型，如圖4 所示。薄煤層厚度為1.2 m，長度為10 m，上下有頂?shù)装鍘r層，為了簡化模型，設巖層厚度為0.2 m；模型底端固定，上端施加15 MPa 垂直應力，左右施加10 MPa 水平應力，在模型中間位置進行瓦斯抽采。

圖4 薄煤層瓦斯抽采模型Fig.4 Gas drainage model of thin coal seam

結合現(xiàn)場實測和分析計算，得到模擬煤層的主要物理參數(shù)，見表1。初始瓦斯壓力為1.75 MPa，選擇用0.05 MPa 負壓抽采，四周為無流動邊界；邊界條件為為流動邊界起點x=0 處的瓦斯壓力研究類型為瞬態(tài)。

表1 主要物理參數(shù)Table 1 Main physical parameters

3.2 模擬結果

3.2.1 不同抽采時間下薄煤層瓦斯壓力分布

設抽采鉆孔直徑為96 mm，不同抽采時間下瓦斯壓力分布如圖5 所示，圖中從上到下對應的抽采時間依次為10，30，60，90 d，黑色線段為有效抽采區(qū)域邊界（瓦斯壓力小于0.74 MPa 區(qū)域）。由圖5 可知，抽采初始階段，有效抽采半徑?jīng)]有超過煤層厚度，由于受到頂?shù)装宓挠绊?，有效抽采區(qū)域為橢圓形；隨著抽采時間增加，有效抽采半徑超過煤層厚度，由于頂?shù)装寮s束，瓦斯無法在垂直方向運移，有效抽采區(qū)域只在水平方向擴展，且邊界逐漸從弧線變?yōu)橹本€。

圖5 不同抽采時間下薄煤層瓦斯壓力分布Fig.5 Gas pressure distribution in thin coal seams under different extraction time

在抽采時間為10 d 和30 d 之間，有效抽采半徑的增加幅度最大，隨著抽采時間增加，有效抽采范圍的增加幅度逐漸減小。究其原因，主要是剛開始抽采瓦斯時，在較大的瓦斯壓力梯度作用下，大量吸附態(tài)瓦斯解吸出來成為游離態(tài)瓦斯，沿著裂隙方向流動到抽采鉆孔被抽采出去，瓦斯壓力下降速率快；隨著抽采工作進行，瓦斯壓力和吸附態(tài)瓦斯含量不斷降低，瓦斯壓力梯度減小，導致瓦斯壓力下降速率減小，有效抽采范圍增加幅度變小。這說明在實際工程中，一味延長抽采時間并不妥當，具體的抽采時間需要結合現(xiàn)場工程情況來決定。

3.2.2 不同鉆孔間距下薄煤層瓦斯壓力分布

抽采時間為30 d 時不同鉆孔間距下瓦斯壓力分布如圖6 所示，圖中從上到下對應的鉆孔間距分別為1，2，3，4 m。從圖6 可看出，由于抽采鉆孔之間存在應力擾動，瓦斯抽采有效范圍偏向于向中心靠攏，兩鉆孔中心位置處的瓦斯壓力明顯低于鉆孔另一側相同位置處的瓦斯壓力，薄煤層兩側邊緣的瓦斯壓力下降幅度較小。

圖6 不同鉆孔間距下薄煤層瓦斯壓力分布Fig.6 Gas pressure distribution in thin coal seam under different borehole spacing

鉆孔間距為1 m 和2 m 時，兩鉆孔之間的有效抽采區(qū)域高度重合，無法達到最佳抽采效果；鉆孔間距為3 m 時，兩鉆孔之間的有效抽采半徑幾乎相切，抽采效果最佳，抽采壓力基本可以使大部分煤層瓦斯有效擴散、解析、被動抽采；鉆孔間距達到4 m 時，兩鉆孔的瓦斯抽采影響區(qū)域分開，中間部分瓦斯壓力達不到消突要求（瓦斯壓力小于0.74 MPa），消突效果較差。在實際工程中，在合理范圍內可通過增大鉆孔間距提高抽采效率和鉆孔有效利用率，減少鉆孔數(shù)量，避免資源浪費。但當鉆孔間距過大、鉆孔數(shù)量過少時，會造成瓦斯抽采空白帶，抽采效率低，更有可能引起礦井瓦斯災害。

3.2.3 中間巷鉆孔抽采瓦斯效果

為進一步研究中間巷鉆孔抽采過程中薄煤層瓦斯壓力分布，對圖3 所示的鉆孔布置方案進行數(shù)值模擬分析。設置煤層厚度為1.2 m，鉆孔間距為3 m，煤層中間為中間巷，兩端分別為回風巷和進風巷，從回風巷對中間巷區(qū)域進行瓦斯抽采，得到抽采30 d后瓦斯壓力在煤層中3 個觀察方向的分布切片，如圖7 所示，其中X為工作面傾向長度，Y為工作面走向長度，Z為工作面高度。

從圖7（a）可看出，煤層中瓦斯壓力已經(jīng)有效降低，且相鄰鉆孔之間不存在明顯的瓦斯抽采空白帶，說明設置的鉆孔間距接近最優(yōu)值。從圖7（b）可看出，遞進中間巷鉆孔在X與Z方向均能降低瓦斯壓力，實現(xiàn)消突。圖7（c）所示的瓦斯壓力分布與圖6中鉆孔間距為3 m 時的瓦斯壓力分布相似，且兩鉆孔中心位置處的瓦斯壓力明顯低于鉆孔另一側相同位置處的瓦斯壓力，薄煤層邊緣的瓦斯壓力下降幅度較小，說明了模擬結果的準確性。

圖7 瓦斯壓力三維分布切片F(xiàn)ig.7 Three dimensional distribution slices of gas pressure

對中間巷的瓦斯抽采有效降低了回風巷和遞進中間巷區(qū)域之間的瓦斯壓力，再進入中間巷對進風巷區(qū)域進行瓦斯抽采，即可完成整個9305 工作面的消突。

4 實施效果

9305 工作面走向長810 m，切眼長170 m，由于現(xiàn)場施工和裝備條件受限，現(xiàn)有鉆機能夠達到的遞進抽采鉆孔深度普遍為80～150 m，不能施工一次性貫通工作面的抽采鉆孔。同時，M8 煤層位于M9 煤層上方21.11 m 處，該煤層平均厚度為1.21 m，與M9 煤層厚度接近，M8 煤層一采區(qū)大部分不可采，考慮到開采難度與資金等因素，將M8 煤層作為M9 煤層保護層開采的保護效果不佳且成本較高。若采用底抽巷瓦斯抽采的方式消突，則時間和經(jīng)濟成本較高。為此，在9305 工作面中間位置施工一走向中間巷，在回風巷抽采擬開挖的遞進中間巷區(qū)域瓦斯，完成該區(qū)域消突后掘進中間巷，并在該巷中對進風巷區(qū)域進行瓦斯抽采，既節(jié)約了時間與成本，也達到了9305 工作面輔助進風巷及回風巷掘進區(qū)域瓦斯治理的目的。

9305 工作面中間巷遞進掩護掘進消突方案如圖8 所示。在9303 進風巷施工順層抽采鉆孔，控制9305 中間巷掘進區(qū)域及巷道左右輪廓線外各20 m外圍，鉆孔間距為3 m，鉆孔直徑不小于94 mm，抽采直徑不得超過5 m，鉆孔深度為107 m，巷道掘進距離與鉆孔控制范圍保留不低于20 m 的超前距。施工過程中，先從回風巷向中間巷區(qū)域進行鉆孔并開展瓦斯抽采，抽采結束后，掘進中間巷，再進入其中對進風巷區(qū)域進行瓦斯抽采，最終實現(xiàn)整個工作面的消突。

圖8 9305 工作面中間巷遞進掩護掘進消突方案Fig.8 The scheme of outburst elimination of progressive shield tunneling in middle roadway of 9305 working face

回風巷本煤層抽采瓦斯體積分數(shù)變化如圖9 所示。2 號和3 號集流器的初始瓦斯體積分數(shù)分別為14%，16%，1 號集流器的初始瓦斯體積分數(shù)為5%，經(jīng)過8 個月的抽采，3 個集流器的瓦斯體積分數(shù)均下降至5%以下，下降幅度近70%，且瓦斯抽采速率得到了提升。中間巷瓦斯體積分數(shù)相對較小，且在整個抽采周期內保持在較低水平。

圖9 回風巷本煤層抽采瓦斯體積分數(shù)變化Fig.9 Variation of volume fraction of gas extracted from coal seam in return airway

5 結論

（1）瓦斯在煤層中的流動運移受煤層厚度的影響較為顯著：當有效抽采半徑小于薄煤層厚度時，有效抽采區(qū)域為橢圓形；當有效抽采半徑大于薄煤層厚度時，瓦斯主要在水平方向流動，有效抽采區(qū)域僅在煤層走向和傾向擴展。研究結果為中間巷掩護掘進消突技術提供了理論依據(jù)。

（2）以某礦9305 工作面薄煤層為研究對象進行數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測驗證，結果表明：該工作面突出薄煤層中間巷掩護掘進的最優(yōu)抽采鉆孔間距為3 m，孔徑為94 mm，有效抽采直徑不超過5 m，鉆孔深度為107 m；中間巷掩護掘進消突技術可使薄煤層瓦斯體積分數(shù)下降約70%，消突效果顯著。