倪 萌 劉 峰 劉祖太

（1.山東能源新礦集團(tuán)職工大學(xué)，山東 濟(jì)南 271100；2.山東萬(wàn)祥礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 271100）

潘西礦工作面最大采深已達(dá)1100 m，煤層地應(yīng)力大，局部煤層瓦斯涌出異常。工作面需進(jìn)行應(yīng)力卸壓、瓦斯抽放和注水降塵措施，鉆孔的施工數(shù)量多、工作量大，多種鉆孔之間相互影響較嚴(yán)重。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)力卸壓、瓦斯抽采、煤層注水降塵等三種防治技術(shù)有效結(jié)合的研究不夠系統(tǒng)，防治技術(shù)的相關(guān)研究相對(duì)較少，鉆孔的優(yōu)化布置研究急需開(kāi)展[1-5]。

1 工程概況

6198工作面位于礦井-1100 m水平后六采區(qū)，開(kāi)采19#煤層，平均煤厚2.6 m，平均煤層傾角27°，煤層走向95°～135°，煤層傾向5°～45°。掘進(jìn)期間共計(jì)揭露5處煤層異常區(qū)，主要表現(xiàn)為：煤層受斷層影響局部缺失、變薄，煤層結(jié)構(gòu)受擠壓錯(cuò)動(dòng)，煤層理不清，出現(xiàn)層間揉皺和滑動(dòng)鏡面；煤層頂?shù)装宄尸F(xiàn)協(xié)調(diào)或不協(xié)調(diào)褶皺、脆性或彈塑性斷裂，煤、巖層產(chǎn)狀變化大；煤層擠壓貫入頂?shù)装?，或頂?shù)装邋e(cuò)斷壓入煤層；煤層呈現(xiàn)破碎的粒狀、鱗片狀、粉末狀等現(xiàn)象。

2 危險(xiǎn)區(qū)域劃分

6198工作面所處地層為單斜構(gòu)造，埋深984.8～1 215.5 m。該工作面構(gòu)造以斷層為主，根據(jù)沖擊地壓宏觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，工作面沖擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)U=0.84，具有發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)。

3 多功能鉆孔參數(shù)研究

3.1 應(yīng)力卸壓鉆孔參數(shù)研究

根據(jù)潘西煤礦19#煤層賦存條件和6198工作面沖擊地壓高度危險(xiǎn)區(qū)建立數(shù)值模擬模型，模型四周邊界均固定水平位移，底端邊界固定垂直位移，頂端邊界施加均勻載荷。模型采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，模擬煤巖層上覆巖層自重為32 MPa，側(cè)向壓力系數(shù)為1。其中，卸壓孔直徑為110 mm，孔間距為3 m，孔深為20 m。

實(shí)施卸壓孔后，煤體應(yīng)力不均勻，鉆孔附近煤體由三向應(yīng)力變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度低于圍巖應(yīng)力，在孔洞周邊出現(xiàn)屈服、剪切等現(xiàn)象而形成塑性區(qū)。塑性區(qū)為近似圓形的區(qū)域，分布在卸壓孔周?chē)?，塑性區(qū)直徑約390 mm，面積約0.12 m2。塑性區(qū)內(nèi)的煤體主要受到剪應(yīng)力作用，越靠近鉆孔的位置，變形破壞越嚴(yán)重，塑性區(qū)外的煤體由于遠(yuǎn)離鉆孔，受到鉆孔的影響較小，煤體變形較小，主要受到壓應(yīng)力作用。此次模擬的卸壓孔直徑為110 mm，塑性區(qū)直徑約為卸壓孔直徑的3.5倍。潘西煤礦鉆孔周?chē)苄詤^(qū)范圍較大的原因是該礦19#煤比較松軟，施工卸壓鉆孔之后容易形成塌孔，為周?chē)后w提供了卸壓擴(kuò)容空間。

為定量分析鉆孔周?chē)簩討?yīng)力分布情況，提取鉆孔周?chē)孛簩幼呦驊?yīng)力曲線(xiàn)，如圖1?？梢钥闯鲈阢@孔附近應(yīng)力相較于原巖應(yīng)力明顯減小，每一個(gè)鉆孔附近應(yīng)力隨著距離的增大而逐漸增大，多個(gè)孔之間應(yīng)力出現(xiàn)了疊加。直徑為110 mm的卸壓孔單側(cè)顯著卸壓范圍為0.5 m，顯著影響范圍為1 m，該區(qū)域內(nèi)煤體應(yīng)力低于30 MPa，卸壓效果明顯；單側(cè)的卸壓范圍為1.5 m，卸壓孔最大影響范圍為3 m，如圖2。因此，潘西礦卸壓孔在高度危險(xiǎn)區(qū)布孔間距為1 m，一般危險(xiǎn)區(qū)布孔間距不應(yīng)超過(guò)3 m，結(jié)合煤礦沖擊地壓防治經(jīng)驗(yàn)，在中度危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔間距為2 m。

圖1 煤層卸壓孔周?chē)鷳?yīng)力分布曲線(xiàn)

圖2 單孔單側(cè)應(yīng)力分布曲線(xiàn)

3.2 瓦斯抽采參數(shù)研究

根據(jù)潘西煤礦煤層瓦斯含量較低的賦存特點(diǎn)，選取SF6作為示蹤氣體，在6198工作面上巷采用實(shí)測(cè)法進(jìn)行抽采半徑的測(cè)試。為全面考察抽采半徑大小及煤層注水對(duì)煤層抽采半徑大小的影響，測(cè)試鉆場(chǎng)包含1個(gè)注氣孔、4個(gè)檢測(cè)孔，所有鉆孔均為順層鉆孔，孔深不小于30 m，鉆孔孔徑94 mm，鉆孔封孔深度12 m。

經(jīng)過(guò)20多天的跟蹤檢測(cè)，距注氣孔1.5 m的2#檢測(cè)孔在第3天檢測(cè)到了SF6示蹤氣體，距注氣孔2 m的3#檢測(cè)孔在第6天檢測(cè)到了SF6示蹤氣體，距注氣孔2.5 m的4#檢測(cè)孔在第7天檢測(cè)到了SF6示蹤氣體，距注氣孔3 m的5#檢測(cè)孔在第10天檢測(cè)到了SF6示蹤氣體。

在煤層賦存條件一定的情況下，鉆孔抽采瓦斯影響半徑r（m）與抽采時(shí)間t（d）之間符合冪函數(shù)關(guān)系，即：r=AtB（1）

式中：r為抽采影響半徑，m；t為抽采時(shí)間，d；A、B為常數(shù)。

鉆孔觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出潘西煤礦19#煤層在抽放鉆孔直徑為94 mm的情況下的瓦斯抽采時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系式：

r=0.867t0.4054（2）

根據(jù)該規(guī)律預(yù)測(cè)瓦斯抽采鉆孔孔徑為94 mm，孔口負(fù)壓在不低于14 kPa的條件下連續(xù)抽采3 d影響半徑約為1.5 m，連續(xù)抽采6 d的影響半徑約為2 m，連續(xù)抽采18 d的影響半徑約為2.5 m。

3.3 煤層注水參數(shù)

以潘西煤礦6198工作面煤層物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)建立鉆孔注水模型，注水孔直徑為82 mm，注水壓力為3 MPa，得到注水后的煤層孔隙水壓力分布云圖，如圖3。

圖3 煤層注水孔周?chē)紫端畨毫Ψ植紙D

注水之后，在煤層內(nèi)部形成了一個(gè)以注水孔為中心的滲流場(chǎng)，煤層孔隙水壓力以注水孔為中心呈輻射狀分布，距離注水孔越近，孔隙水壓力越高，受注水的影響越大。此外，孔隙水壓力圖在走向上的影響范圍略大于垂直煤層的方向，這是由于煤層的各向異性造成的，表明煤層在走向上的滲透性高于垂直煤層方向。

如圖4，注水孔兩側(cè)水壓呈指數(shù)降低，越靠近注水孔，降低速度越快，水壓力梯度越大。當(dāng)距離達(dá)到注水孔4 m處時(shí)，水壓力降至0。因此，6198工作面注水影響半徑約4 m，注水卸壓與防塵的有效范圍為注水孔周?chē)簩幼呦蛏? m以?xún)?nèi)區(qū)域。

圖4 煤層注水孔周?chē)紫端畨毫Ψ植记€(xiàn)

3.4 多功能鉆孔一體化技術(shù)

6198工作面卸壓鉆孔直徑為110 mm，在高度危險(xiǎn)區(qū)域布孔間距應(yīng)為1 m，中度危險(xiǎn)區(qū)域卸壓孔間距為2 m，一般危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔的布孔間距不應(yīng)超過(guò)3 m。直徑94 mm的瓦斯抽采孔最大抽采半徑為2.8 m，最大布孔間距應(yīng)為5.6 m，超過(guò)卸壓孔布孔間距。注水孔直徑為82 mm、注水壓力為3 MPa時(shí)，煤層注水影響半徑為4 m，因此，注水孔的最大布孔間距為8 m，也超過(guò)卸壓孔布孔間距。

綜上所述，如表1所示，就直徑為110 mm的煤體卸壓孔而言，其鉆孔尺寸超過(guò)瓦斯抽采孔和注水孔，且布孔間距小于二者。因此，可以利用110 mm孔徑的卸壓孔進(jìn)行瓦斯抽采和煤層注水，卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿(mǎn)足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果，多功能孔的實(shí)施是可行的。

表1 不同類(lèi)型鉆孔的影響范圍與布孔間距對(duì)比

4 多功能鉆孔效果研究

結(jié)合礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，多功能鉆孔最重要的是滿(mǎn)足沖擊地壓防治的目的。通過(guò)選取6198工作面施工多功能鉆孔與傳統(tǒng)鉆孔區(qū)域，利用KJ21-Z沖擊地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了多功能鉆孔與傳統(tǒng)鉆孔的卸壓效果。多功能孔施工前后，當(dāng)同時(shí)距離工作面120 m處時(shí)，施工多功能鉆孔前，埋深8 m的5組礦壓監(jiān)測(cè)探頭，礦壓監(jiān)測(cè)最大值穩(wěn)定在3.0～5 MPa之間；施工多功能鉆孔后，埋深8 m的5組礦壓監(jiān)測(cè)探頭當(dāng)距離工作面120 m時(shí)，五組鉆孔中的4組礦壓監(jiān)測(cè)最大值穩(wěn)定在1.8～3 MPa之間，最大值降低明顯。

多功能鉆孔布置前實(shí)測(cè)了煤層抽采影響半徑，得到了瓦斯抽采18 d以上時(shí)，19#煤層的瓦斯抽采可影響2.5 m，6198工作面瓦斯抽采有效半徑2.8 m，多功能鉆孔布置的最大間距為5.6 m。同時(shí)，對(duì)抽采鉆孔的瓦斯抽采流量、瓦斯抽采濃度進(jìn)行了跟蹤測(cè)量。根據(jù)跟蹤結(jié)果，鉆孔瓦斯抽采衰減速度快，瓦斯抽采第1天瓦斯抽采流量普遍可達(dá)0.7 m3/min以上，隨后瓦斯抽采量急劇降低，瓦斯抽采濃度低于10%以下。

煤層注水降塵的效果則與煤的含水率指標(biāo)密切相關(guān)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，注水壓力為3 MPa時(shí)的注水影響半徑，得出了煤層最佳注水半徑約為4 m。因此，多功能鉆孔的布置間距可以滿(mǎn)足煤層注水影響半徑的需求，不會(huì)留下空白帶。

5 結(jié)論

（1）孔徑為110 mm的卸壓孔在高度危險(xiǎn)區(qū)、中度危險(xiǎn)區(qū)和一般危險(xiǎn)區(qū)的鉆孔間距為1 m、2 m、3 m，煤層卸壓孔的間距、孔徑滿(mǎn)足工作面超前卸壓的要求，同時(shí)，卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿(mǎn)足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果，多功能孔的實(shí)施是可行的。

（2）抽放鉆孔直徑為94 mm的情況下瓦斯抽采時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系式為：r= 0.867t0.4054，孔口負(fù)壓在不低于14 kPa的條件下連續(xù)抽采3 d影響半徑約為1.5 m，連續(xù)抽采6 d的影響半徑約為2 m，連續(xù)抽采18 d的影響半徑約為2.5 m，卸壓孔間距滿(mǎn)足瓦斯孔的要求。

（3）煤層注水影響半徑約4 m，注水卸壓與防塵的有效范圍為注水孔周?chē)簩幼呦蛏? m以?xún)?nèi)的區(qū)域，多功能鉆孔的布置間距可以滿(mǎn)足煤層注水影響半徑的需求，不會(huì)留下空白帶。

（4）采用110 mm孔徑的卸壓孔可以進(jìn)行瓦斯抽采和煤層注水，卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿(mǎn)足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果，降低了鉆孔施工成本，且效果顯著。

（5）通過(guò)對(duì)6198工作面應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害治理方法研究與實(shí)踐，提出了深部沖擊地壓煤層開(kāi)采條件的災(zāi)害防治措施、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害綜合防治體系，為深部開(kāi)采應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害防治提供了切實(shí)可行的方案。