張小龍，王 飛，劉紅威,3，高瑞青,高亞斌，李子文，賀志宏，劉振明，郝亞兵

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心,山西 太原 030024;3.伍倫貢大學(xué) 土木、采礦與環(huán)境工程學(xué)院，澳大利亞 新南威爾士州 2500；4.西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

0 引言

當(dāng)前，隨著地層淺部煤炭資源的開(kāi)采殆盡，我國(guó)煤炭資源的開(kāi)采逐步向深部轉(zhuǎn)移，深部開(kāi)采帶來(lái)的高地應(yīng)力、高瓦斯壓力使得礦井開(kāi)采難度增加[1-2]。目前，針對(duì)礦井瓦斯災(zāi)害防治的瓦斯抽采方式包括：高位鉆孔抽采[3-4]、高抽巷抽采[5-6]、采空區(qū)埋管[7]和地面鉆井抽采[8]等。

地面鉆井通過(guò)對(duì)煤層的卸壓進(jìn)而對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，使得煤層瓦斯的壓力降低，進(jìn)而消除瓦斯災(zāi)害，同時(shí)，地面鉆井還可以對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采以減少采空區(qū)瓦斯涌出、上隅角瓦斯和工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瘸薜膯?wèn)題[9-10]。目前，我國(guó)大部分礦井采用的都是地面垂直井，存在施工量大、前期投資高和瓦斯抽采效果不理想等問(wèn)題。劉愷德等[11]提出的采動(dòng)區(qū)綜采工作面地面L型鉆井瓦斯抽采技術(shù)，結(jié)合 “地面鉆井”和“井下水平井”等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了較好的瓦斯抽采和治理效果。目前針對(duì)地面L型鉆井的研究，是通過(guò)理論分析、公式計(jì)算、相似模擬和數(shù)值模擬來(lái)確定鉆井孔位的布置方式，并通過(guò)相應(yīng)的工程實(shí)踐取得了不錯(cuò)的效果。

基于地面L型抽采鉆井對(duì)礦井瓦斯治理的突出效果,提出基于覆巖采動(dòng)裂隙的地面“L”型鉆井瓦斯抽采技術(shù)，開(kāi)展地面“L”型鉆井提高瓦斯抽采效率的理論和實(shí)踐研究。運(yùn)用PFC3D顆粒流離散元數(shù)值模擬軟件，模擬出覆巖采動(dòng)影響下的覆巖結(jié)構(gòu)、裂隙和孔隙率的變化[12]，得到鉆井布置位置，并且進(jìn)行工程實(shí)踐驗(yàn)證。

1 采動(dòng)覆巖三維裂隙場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值模擬

采用PFC3D顆粒流離散元數(shù)值模擬軟件，對(duì)屯蘭礦12507工作面Ⅱ段采動(dòng)影響下覆巖形態(tài)、覆巖裂隙、孔隙率變化進(jìn)行數(shù)值模擬，為地面L型鉆井提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.1 PFC3D數(shù)值模擬模型建立和參數(shù)選擇

PFC3D數(shù)值模擬軟件從細(xì)觀(guān)角度對(duì)對(duì)象進(jìn)行模擬，細(xì)觀(guān)參數(shù)與宏觀(guān)參數(shù)具有一定的相關(guān)性，Wang等[13]進(jìn)行了大量的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和巴西裂劈實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了關(guān)于部分細(xì)觀(guān)參數(shù)和宏觀(guān)參數(shù)相互轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗(yàn)公式。

屯蘭礦12507工作面Ⅱ段位于南五盤(pán)區(qū)左翼，12507工作面Ⅱ段工作面傾斜長(zhǎng)220 m，該工作面2、3號(hào)煤層厚度穩(wěn)定，合并開(kāi)采，2號(hào)煤厚2.35～3.24 m，平均約2.74 m；3號(hào)煤厚0.20～1.20 m，平均約0.63 m；煤巖總厚均約3.98 m，煤層最大傾角8°，最小傾角3°，平均5.5°。屯蘭礦絕對(duì)瓦斯涌出量為289.76 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為33.17 m3/t。結(jié)合屯蘭礦地質(zhì)資料和經(jīng)驗(yàn)公式，得到模型的細(xì)觀(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 屯蘭礦12507工作面模型細(xì)觀(guān)參數(shù)Table 1 Micro-parameters of model for 12507 working face in Tunlan Mine

表1(續(xù))

PFC3D模型如圖1所示，長(zhǎng)度為400 m、寬度為260 m、高度為100 m，煤巖層總數(shù)為23層，通過(guò)伺服，即通過(guò)模型邊界的調(diào)整，使得顆粒體系間的接觸盡可能快的達(dá)到理想狀態(tài)，然后在其基礎(chǔ)上開(kāi)展加載分析。

圖1 PFC3D數(shù)值模擬模型Fig.1 PFC3D numerical simulation model

1.2 采動(dòng)覆巖破壞與裂隙演化規(guī)律

當(dāng)工作面在回采過(guò)程中，上覆巖層形成的采動(dòng)裂隙經(jīng)歷了形成、發(fā)育和逐步擴(kuò)展的演化過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中逐步形成裂隙分區(qū)和瓦斯運(yùn)移通道。如圖2所示，當(dāng)煤層開(kāi)采至24 m時(shí)基本頂出現(xiàn)垮落，并且頂板巖層在張拉應(yīng)力的作用下出現(xiàn)初次來(lái)壓，上覆巖層出現(xiàn)離層裂隙，離層裂隙高度最高至亞關(guān)鍵層的底板位置，高度為33.47 m?；卷斉c亞關(guān)鍵層之間的巖層隨著基本頂?shù)目迓淦茢嘈纬善茢嗔严丁ｋS著回采工作面持續(xù)向前推進(jìn)，工作面上覆巖層出現(xiàn)持續(xù)垮落和破斷，巖層變化趨勢(shì)逐漸明顯，形狀大致呈現(xiàn)梯形。當(dāng)煤層開(kāi)采至68 m時(shí)，亞關(guān)鍵層出現(xiàn)初次破斷，出現(xiàn)破斷裂隙，亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層之間出現(xiàn)離層裂隙，且主關(guān)鍵層上部部分較硬巖層間出現(xiàn)少許裂隙。

圖2 工作面回采至24，68，100，280 m,y=100 m方向上的運(yùn)動(dòng)裂隙Fig.2 Movement fractures in directions of 24,68,100,280 m of working face mining and y=100 m

當(dāng)煤層開(kāi)采至100 m時(shí)，前期開(kāi)采垮落的巖石逐漸被壓實(shí)，裂隙密實(shí)程度增加，亞關(guān)鍵層出現(xiàn)第1次周期破斷，基本頂及其上部巖層的破斷裂隙增加明顯更有利于瓦斯氣體的運(yùn)移上浮。隨著工作面的推進(jìn)，覆巖裂隙高度基本維持不變，離層裂隙和破斷裂隙數(shù)量逐漸增多，由此瓦斯運(yùn)移的通道增加。工作面回采至280 m時(shí)，煤層上覆巖層主關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷，亞關(guān)鍵層出現(xiàn)4次破斷，形成的破斷裂隙與基本頂之間巖層形成的破斷裂隙導(dǎo)通，提供大量的瓦斯上浮通道，可為后期的瓦斯抽采提供充分條件。

1.3 采動(dòng)覆巖孔隙率演化規(guī)律

模型開(kāi)挖過(guò)程中，采空區(qū)覆巖孔隙率呈逐漸升高的趨勢(shì)，工作面開(kāi)采至24 m時(shí)孔隙率最高為0.28，直接頂和基本頂垮落區(qū)域孔隙率大于上覆巖層的其它區(qū)域?；夭芍?8 m時(shí)，煤層開(kāi)采處的孔隙率增加至0.32，后方垮落帶孔隙率逐漸降低。隨著工作面的推進(jìn)，裂隙帶的孔隙率逐漸增大，垮落帶的孔隙率逐漸降低，工作面開(kāi)采至100 m以后裂隙帶孔隙率增加和垮落帶孔隙率降低速率變得緩慢，工作面開(kāi)采至280 m時(shí)，煤層開(kāi)采處孔隙率最大為0.42，垮落帶隨著上覆巖層不斷下沉壓實(shí)，靠近開(kāi)切眼處孔隙率呈減小趨勢(shì)。

2 基于采動(dòng)覆巖三維裂隙場(chǎng)演化規(guī)律的地面L型鉆井瓦斯抽采

2.1 地面L型鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

1)地面L型鉆井垂直位置的選擇

根據(jù)模擬的結(jié)果得到上覆巖層的垮落帶的高度和裂隙帶的高度[14-15]對(duì)地面鉆井和定向長(zhǎng)鉆孔孔位的選擇具有指導(dǎo)作用。模擬過(guò)程中，推進(jìn)距離較小時(shí)覆巖垮落帶較小，裂隙帶不形成，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，形成裂隙帶，且垮落帶和裂隙帶至上而下不斷發(fā)育，高度隨之不斷增大，工作面開(kāi)采至140 m時(shí)，垮落帶的高度達(dá)到最大值15.87 m，垮落帶的高度不再增加。工作面開(kāi)采至200 m時(shí)，裂隙帶的高度達(dá)到最大值，距煤層底板的高度為49.46 m，裂隙帶的高度不再增加。由此得到屯蘭礦垮落帶的高度為15.87 m，裂隙帶的高度最為49.46 m。根據(jù)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度計(jì)算公式：

①垮落帶高度計(jì)算如式(1)所示：

Hm=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2

(1)

式中：M為煤層厚度，m；Hm為垮落帶高度，m。

②導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算如式(2)所示：

Hn=100∑M/(1.6∑M+3.6)±5.6

(2)

式中：Hn為裂隙帶高度，m。

根據(jù)以上計(jì)算公式得到屯蘭礦垮落帶的高度為12.78 m，導(dǎo)水裂隙帶的高度為45.6 m。裂隙帶是瓦斯運(yùn)移和賦存的空間，在此空間內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡撸瑢@孔布置在此空間內(nèi)瓦斯抽采效果最好，故在裂隙帶和瓦斯運(yùn)移通道的變化過(guò)程中選擇將地面“L”型鉆井的裸孔部分布置在15～50 m范圍內(nèi)。

2)地面L型鉆井水平位置的選擇

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，裂隙帶中沿傾向方向距離采空區(qū)邊界20～100 m的范圍內(nèi)覆巖裂隙發(fā)育較明顯，孔隙率處于較高且較穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)通風(fēng)對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的影響和采動(dòng)裂隙“O”型圈理論[16]，故將地面“L”型鉆井水平方向上布置在靠近回風(fēng)巷一側(cè)20～100 m的范圍內(nèi)。

2.2 地面L型鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)屯蘭礦12507工作面Ⅱ段的地面情況并結(jié)合地面L型鉆井位置的選擇，將地面L型鉆井的孔位設(shè)定在對(duì)坡村西，孔口相對(duì)應(yīng)的井下位置位于12507工作面Ⅱ段停采線(xiàn)往開(kāi)切眼方向53 m，距離工作面回風(fēng)巷70 m。地面L型鉆井的瓦斯抽采層位即地面L型鉆井井下近水平裸孔段位于工作面煤層頂板裂隙帶內(nèi)，高度在40～50 m的范圍內(nèi)。地面L型鉆井布置在瓦斯富集區(qū)，用以解決12507工作面Ⅱ段煤層采動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的卸壓瓦斯對(duì)煤層開(kāi)采的影響。采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，一開(kāi)直徑為311.15 mm，二開(kāi)直徑為241.3 mm，三開(kāi)直徑為171.4 mm。地面L型鉆井井位設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 地面L型鉆井平面布置Fig.3 Plane layout of ground L-type drilling

3 地面L型鉆井抽采效果

3.1 地面L型鉆井抽采效果

如圖4所示，12507工作面Ⅱ段地面L型鉆井瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采純量的工程實(shí)踐結(jié)果。采用地面L型鉆井的12507工作面Ⅱ段，在149 d的工程實(shí)踐過(guò)程中，單日抽采濃度最高為68%，最低為41%，平均為52.52%。單日抽采純量最高為12.64 m3/min,最低為4.82 m3/min，平均為9.48 m3/min。由圖4可知，地面L型鉆井瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量具有相同的變化趨勢(shì)，前期數(shù)值較大，瓦斯抽采效果最好，后期數(shù)值下降后趨于平穩(wěn)，但是在抽采周期內(nèi)，地面L型鉆井的保持著較高的瓦斯抽采效率。

圖4 地面L型鉆井瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采純量的變化Fig.4 Change of concentration and pure amount of gas drainage in ground L-type drilling

3.2 地面L型鉆井瓦斯治理效果

如圖5所示，地面L型鉆井瓦斯抽采期間12507工作面Ⅱ段上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓?可以看出，上隅角瓦斯峰值濃度僅為0.4%，平均值為0.21%，遠(yuǎn)低于煤礦安全規(guī)程所規(guī)定的臨界值，采動(dòng)裂隙帶地面L型鉆孔能夠有效地對(duì)12507工作面Ⅱ段瓦斯進(jìn)行治理。

圖5 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.5 Change of gas concentration in upper corner

4 結(jié)論

1)針對(duì)目前地面鉆井在瓦斯治理方面存在的問(wèn)題，提出基于覆巖采動(dòng)裂隙的地面“L”型鉆井瓦斯抽采技術(shù)方案，并且在屯蘭礦12507工作面Ⅱ段進(jìn)行工程實(shí)踐，地面L型鉆井一開(kāi)直徑為311.15 mm，二開(kāi)直徑為241.3 mm，三開(kāi)直徑為171.4 mm。

2)通過(guò)PFC3D數(shù)值模擬得到屯蘭礦12507工作面Ⅱ段的垮落帶高度為15.87 m裂隙帶高度為49.46 m，采空區(qū)上方15～50 m、沿傾向方向距離采空區(qū)邊界20～100 m的范圍內(nèi)裂隙較發(fā)育，孔隙率高且穩(wěn)定。

3)通過(guò)研究將地面L型鉆井布置在屯蘭礦12507工作面Ⅱ段上方40～50 m,靠近回風(fēng)巷70 m的位置上對(duì)工作面采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，得到在149 d的工程實(shí)踐過(guò)程中，單日抽采濃度最高為68%，最低為41%，平均為52.52%。單日抽采純量最高為12.64 m3/min,最低為4.82 m3/min,平均為9.48 m3/min。上隅角瓦斯峰值濃度僅為0.4%，平均值為0.21%。