楊 鵬

(中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

隨著礦井生產(chǎn)能力的提升，瓦斯災害的問題也越發(fā)凸顯，并成為制約礦井安全高產(chǎn)高效的最主要因素之一[1]。近些年，由于鉆進裝備的高速發(fā)展，使用定向鉆機施工大孔徑的走向長鉆孔群來替代高抽巷[2]已經(jīng)成為上隅角瓦斯治理的主流。定向鉆機具有靈活機動、軌跡可調(diào)、費用較低等優(yōu)勢，但是常規(guī)采用的孔徑和孔深有限，因此需根據(jù)現(xiàn)場需求施工多個鉆場進行有效搭接，每個鉆場施工多個鉆孔相互配合，通過走向長鉆孔群替代頂板高抽巷抽采瓦斯的作用。

國內(nèi)眾多專家學者針對走向長鉆孔治理工作面瓦斯做了大量的科研工作，程志恒等[3]利用3DEC軟件模擬計算了綜采工作面回采期間采空區(qū)頂板裂隙演化過程，并進行了現(xiàn)場工程試驗；張浩權[4]采用數(shù)值模擬的方法，研究了近場瓦斯高效抽采區(qū)域，提出了基于低位頂板走向長鉆孔的采空區(qū)近場瓦斯抽采技術，降低了采空區(qū)瓦斯涌出量；謝小平等[5]分析了工作面頂板裂隙與卸壓煤層瓦斯富集的關系，提出了頂板千米定向鉆孔抽采采空區(qū)上部集聚卸壓瓦斯的技術方案；林海飛等[6]利用物理相似模擬及理論分析，確定了定向鉆機參數(shù)并進行了現(xiàn)場工程應用；彭冬等[7]通過研究高位定向鉆孔層位與瓦斯抽采效果的關聯(lián)特性，得出同一層距區(qū)和錯距區(qū)內(nèi)的最佳布孔層位；李文剛等[8]采用理論分析與數(shù)值模擬相結合的手段確定頂板高位定向長鉆孔布置層位及鉆孔結構，設計高位定向長鉆孔進行采空區(qū)瓦斯抽采，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定治理采空區(qū)瓦斯的目的；侯國培等[9]根據(jù)“O形圈”理論，通過對比分析不同布孔高度定向長距離鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)及效果，得出布置定向鉆孔的最佳高度。為實現(xiàn)最優(yōu)的鉆孔群搭配，盡可能減少鉆孔施工工程量，筆者在參考以上專家學者研究成果的基礎上，采用理論分析、數(shù)值模擬、物理相似模擬和現(xiàn)場實踐等方法，綜合考慮工作面開采方式、層間巖性、通風方式、工作面瓦斯流場和有效抽放距離等多重因素[10]，確定走向長鉆孔群立體空間關鍵參數(shù)，以期為走向長鉆孔抽采卸壓瓦斯提供一些技術參考。

1 工作面概況

王家?guī)X礦主采2號煤層，采用綜采放頂煤采煤方法，長壁綜合機械化采煤工藝；工作面煤層推進長度為3300 m左右，工作面長度為300 m左右，工作面煤層平均厚度為6.0 m，割煤高度為3.1 m，放煤厚度為2.9 m，采放比為1∶0.94。煤層頂板以上覆巖主要以砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖、粉砂巖為主；基本頂為一層中～細粒砂巖；底板為粉砂巖和泥巖。

工作面采用“U型”通風，風量為2387 m3/min。瓦斯等級鑒定結果為高瓦斯礦井，工作面割、放煤期間，大量煤體破碎后釋放瓦斯是工作面的主要瓦斯來源；游離瓦斯隨風流擴散至采空區(qū)積存，在上隅角造成瓦斯異常，是工作面瓦斯治理的重點。礦井采用“頂板高位定向鉆孔+回風隅角埋管”方法治理瓦斯。

礦井在風井場地建有地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)，實現(xiàn)了高、低負壓獨立抽采，安裝有4套2BEC-72型水環(huán)真空泵，2用2備。高負壓抽采系統(tǒng)用于接抽高位定向長鉆孔，低負壓抽采系統(tǒng)用于接抽上隅角埋管。

2 走向長鉆孔群立體空間關鍵參數(shù)

2.1 走向長鉆孔群抽采卸壓瓦斯原理

煤層在開采過程中，卸壓后的頂板覆巖出現(xiàn)膨脹變形繼而形成不斷動態(tài)變化的采動裂隙帶[11，12]，頂板覆巖形成的層間空隙，不僅是卸壓瓦斯的良好存儲區(qū)域，同時提供了瓦斯流動的通道[13]。受風流影響，富集區(qū)的瓦斯隨著工作面漏風風流溢散而出，在回風巷上隅角形成聚集，極易造成上隅角瓦斯超限。利用走向長鉆孔抽采卸壓瓦斯原理就是將鉆孔作為引導卸壓瓦斯的主通道，通過抽采負壓產(chǎn)生的大流量，改變卸壓瓦斯的流向，強行將大量游離瓦斯通過抽采方法解決，減輕工作面的風排瓦斯壓力。

影響走向長鉆孔抽采瓦斯效果有多種因素，關鍵在于鉆孔在空間上的合理布置。一般而言，合理的鉆孔位置應該根據(jù)工作面布置方式、開采方法、瓦斯來源及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在縱向布置高、中和低空間立體層位的鉆孔，以滿足工作面初采期和正常生產(chǎn)期的卸壓瓦斯抽采；在傾斜方向應該充分考慮工作面長度、采場通風等影響，布置近、中、遠不同位置的鉆孔，發(fā)揮鉆孔攔截和引流多重作用，充分抽采卸壓瓦斯，解決上隅角瓦斯問題；在工作面推進方向，應綜合考慮頂板巖性、巷道長度、鉆孔有效抽放距離和鉆孔搭接等因素，布置多組鉆場合理搭配。

2.2 頂板覆巖裂隙空間關鍵參數(shù)

走向長鉆孔在煤層頂板以上布置層位直接影響瓦斯抽采效果。一般而言，層位布置越高，有效的抽采長度就越長，但層位太高，工作面后方一定距離的區(qū)域會成為鉆孔影響的盲區(qū)，無法有效解決上隅角瓦斯涌出，層位布置太低，又影響鉆孔的成孔率和有效抽采長度；鉆孔布置在裂隙帶滲透率較大的位置能夠獲得較為理想的抽采效果，但不一定能夠兼顧瓦斯抽采濃度和工作面安全生產(chǎn)。由于初次來壓之前和正常生產(chǎn)期的工作面瓦斯來源不同[14]，走向長鉆孔空間布置也不同。因此需對采場礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律[15，16]進行綜合分析。

2.2.1 “豎三帶”高度計算

煤層傾角近水平，工作面上覆巖層為砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖、粉砂巖等，頂板采用全部垮落，根據(jù)經(jīng)驗公式，冒落帶、裂隙帶理論高度計算如式(1)和(2)。

H1=(3～4)M

(1)

式中，H1為冒落帶高度，m；M為采高，取6 m；Hf為裂隙帶高度，m；n為煤層分層層數(shù)。

將工作面相關信息帶入公式，對上式進行求解，可得到冒落帶的最大理論高度為24 m，裂隙帶的最大理論高度為89.6 m，89.6 m以上為彎曲下沉帶。

2.2.2 物理相似模擬分析

根據(jù)煤層埋深確定上覆巖層的厚度為217 m，工作面推進長度為3300 m，傾斜長300 m，煤層傾角取3°，平均煤厚為6.0 m，工作面每日平均推進距離為5.6 m。搭建二維模型完成物理相似模擬分析試驗，平面模型的尺寸為2.5 m×2 m×0.2 m(長×高×寬)，最大載荷20 t，每次裝填巖層的厚度不超過2 cm，不低于0.5 cm，自然分層采用云母粉。以工作面地質(zhì)情況為基礎，對關鍵層位的特性進行總結并簡化處理，相似模擬總厚度取240 m，底板、煤層、頂板合計33層，其中煤厚6 m，底板17 m，上覆巖層的厚度為217 m。綜合考慮試驗的可靠性和易操作性，比例關系取值如下：幾何相似比1∶200；容重相似比1∶1.5；時間相似比1∶12；應力相似比1∶150。設計模型高為1.2 m，煤厚取0.03 m，底板厚度取0.085 m。

開采后的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律相似模擬分析如圖1所示，初次來壓發(fā)生在工作面推進至50 m處，頂板覆巖出現(xiàn)首次明顯的破斷和離層，最大冒落高度為頂板以上12 m；第一次周期來壓發(fā)生在工作面推進至80 m處，冒落高度覆蓋至頂板以上20 m處，破斷和離層區(qū)域明顯增大；隨著工作面的繼續(xù)推進，發(fā)生多次周期性來壓，第五次周期來壓發(fā)生在工作面推進至170 m處，冒落高度繼續(xù)增加，但是幅度減弱，距離頂板25 m，破斷和離層區(qū)域繼續(xù)增大，同時出現(xiàn)較為明顯的“豎三帶”，其中裂隙帶高度約60 m左右；工作面推進至360 m處發(fā)生第十二次周期來壓，采空區(qū)頂板覆巖形成壓實區(qū)和裂隙區(qū)，冒落帶高度為28 m左右，裂隙帶高度為119 m左右。裂隙區(qū)成為瓦斯富集[17，18]的重點區(qū)域，范圍為28～48 m。

圖1 礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律模擬

2.2.3 空間關鍵參數(shù)確定

以物理相似模擬實驗為基礎，通過現(xiàn)場跟蹤觀測工作面礦壓基本參數(shù)，綜合判定初次來壓步距為50 m左右，周期來壓步距為20 m左右。綜合經(jīng)驗公式計算和相似模擬研究結果，確定頂板冒落帶最大高度為28 m，裂隙帶最大高度為119 m；瓦斯富集重點區(qū)域范圍為28～48 m。

2.3 采空區(qū)瓦斯分布空間關鍵參數(shù)

利用COMSOL軟件對采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律進行模擬。數(shù)值模型構建如下：進(回)風巷的尺寸為50 m×5 m×3 m(長×寬×高)，形狀為長方體；工作面的尺寸為300 m×5 m×3 m(長×寬×高)，形狀為長方體。

頂板冒落帶高度為28 m，裂隙帶高度為119 m；根據(jù)孔隙率將采空區(qū)和頂板巖層劃分為15個區(qū)域，模型設計為矩形梯臺體，邊界條件設置如下：入口邊界為進風巷，入口處風速取值為測風旬報的平均值，忽略邊界湍流且瓦斯?jié)舛葹?。出口邊界為回風巷，設置為壓力流出。涉及到的固體邊界全部設置成壁面，初始壓力均設置為大氣壓。設定達西定律多物理場和多孔介質(zhì)稀物質(zhì)流動耦合求解。模擬出的采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植既鐖D2所示。

圖2 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?%)

從采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D可知，回風側采場瓦斯?jié)舛却笥谶M風側，距離工作面越遠瓦斯?jié)舛仍酱?；采場瓦斯?jié)舛鹊戎得嬉怨ぷ髅娌贾脼榛A，呈現(xiàn)梯形形狀，靠近工作面一側寬，遠離工作面一側變窄，靠近進風一側濃度變化較小，越靠近回風側瓦斯?jié)舛茸兓酱?，越靠近采空區(qū)深部，等值面的分布越密集；回風巷向里延伸至采空區(qū)，向外至上隅角是瓦斯?jié)舛鹊母叻植紖^(qū)；沿推進方向距離工作面越遠，瓦斯?jié)舛仍礁撸桓邼舛韧咚怪饕植荚诓煽諈^(qū)深部和頂板以上巖層的高度發(fā)育裂隙中，超過該區(qū)域進入彎曲下沉帶，由于裂隙較小，瓦斯?jié)舛缺戎胁坑薪档挖厔荨９ぷ髅娓?、落煤涌出瓦斯在風流的影響下，一部分沿著工作面匯入回風巷，一部分被工作面漏風帶入采空區(qū)，同時受到采動影響，鄰近層的瓦斯也涌入到采空區(qū)，在漏風風流的作用下，采空區(qū)聚集的瓦斯經(jīng)過上隅角由回風巷排出。瓦斯?jié)舛瘸^20%的區(qū)域主要分布在回風巷內(nèi)錯[19]60 m左右范圍內(nèi)。

2.4 鉆場合理搭接空間關鍵參數(shù)

在孔口負壓、鉆孔直徑、抽采流量和鉆孔長度不同的條件下，抽采鉆孔孔內(nèi)負壓分布與鉆孔長度呈負指數(shù)關系，因此超長距離的鉆孔并不利于瓦斯抽采。合理的鉆場間距[20]不僅可以避免抽采影響區(qū)存在空白區(qū)，實現(xiàn)連續(xù)抽采，而且兩組鉆孔之間不會因搭接段過長而造成工程浪費。

2號煤層頂板大部分為砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖、粉砂巖，通過對鉆孔施工現(xiàn)場觀測，當走向長鉆孔施工距離超過500 m時，出現(xiàn)鉆孔變形嚴重，孔內(nèi)錯動程度加劇，鉆孔下段孔壁裂隙發(fā)育，上部孔壁巖石脫落堵塞鉆孔，導致抽采效果不佳；對不同搭接距離的鉆孔抽采數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，在搭接距離小于80 m后，抽采總純量有明顯的下降。因此鉆場間距應不大于500 m，相鄰鉆場鉆孔搭接距離不小于80 m。

3 走向長鉆孔群立體空間設計及工程應用

3.1 走向長鉆孔群立體空間設計

綜合以上研究，上隅角瓦斯治理是確保工作面安全生產(chǎn)的關鍵。以上隅角位置為坐標原點，走向長鉆孔群立體空間用X-Y-Z坐標軸表示，研究回風巷內(nèi)錯平距的分布，沿工作面推進方向的鉆場搭接以及走向長鉆孔群在工作面頂板以上層位的分布。

1)在X軸方向，在頂板以上同一高度，內(nèi)錯距離與回風巷太近時，巷道附近未垮落的區(qū)域因卸壓不充分影響瓦斯抽采；內(nèi)錯距離與回風巷太遠時，遠離了瓦斯高濃度區(qū)，走向長鉆孔治理瓦斯的功能作用未完全發(fā)揮。綜合分析可知，設計走向長鉆孔距離回風巷平距分布范圍為10～60 m。

2)在Y軸方向，以鉆孔工程施工性價比最高為目標，綜合考慮層間巖性、鉆孔成孔質(zhì)量、鉆孔的有效抽采距離和抽采效果，綜合分析可知，設計鉆場間距不大于500 m，相鄰鉆場鉆孔搭接距離不小于80 m。

3)在Z軸方向，初采期的瓦斯來源主要為開采層的瓦斯涌出，需專門布置一定數(shù)量的低位鉆孔處理頂板垮落之前的瓦斯涌出；正常回采期的瓦斯來源增加了圍巖和鄰近層，因此高位鉆孔需覆蓋至頂板以上瓦斯富集區(qū)內(nèi)，確保卸壓瓦斯應抽盡抽，中位鉆孔需對鄰近層瓦斯進行提前攔截，還需布置一定數(shù)量低位鉆孔解決割、落煤的瞬間瓦斯涌出；同時還需考慮煤層頂板巖性對于鉆孔成孔的影響。綜合分析可知：在工作面初次來壓之前，需對切眼以里50 m左右設計低位加密鉆孔；正?；夭善陔A段，設計走向長鉆孔群在頂板以上分布范圍為9～50 m。

3.2 走向長鉆孔群治理瓦斯工程應用

以走向長鉆孔群立體空間分布研究為基礎，結合生產(chǎn)實際情況，在綜采工作面回風巷2850 m和2450 m處布置1#鉆場和2#鉆場。鉆場規(guī)格為4 m×6 m×3 m(長×寬×高)，迎著工作面推進方向共施工14個定向鉆孔，其中，1-6鉆孔由于成孔質(zhì)量較差，施工深度為258 m。由于1#鉆場為工作面第一組鉆場，因此補充1-7和1-8兩組鉆孔針對性解決初次來壓之前的上隅角瓦斯，施工參數(shù)見表1，鉆孔布置如圖3所示。

表1 1#鉆場和2#鉆場施工參數(shù)

圖3 走向長鉆孔布置

4 走向長鉆孔群抽采瓦斯效果分析

4.1 鉆孔抽采瓦斯量分析

1#鉆場共計施工8個鉆孔，從7月9日至9月30日，對各鉆孔平均抽采瓦斯純量進行跟蹤統(tǒng)計，1-1#孔平均抽采瓦斯純量為0.7 m3/min，1-2#孔平均抽采瓦斯純量為0.75 m3/min，1-3#孔平均抽采瓦斯純量為0.51 m3/min，1-4#孔平均抽采瓦斯純量為0.37 m3/min，1-5#孔平均抽采瓦斯純量為0.43 m3/min，1-6#孔平均抽采瓦斯純量為0.29 m3/min，1-7#孔平均抽采瓦斯純量為0.34 m3/min，1-8#孔平均抽采瓦斯純量為0.43 m3/min。

2#鉆場共計施工6個鉆孔，從10月19日至12月31日，對各鉆孔平均抽采瓦斯純量進行跟蹤統(tǒng)計，2-1#孔平均抽采瓦斯純量為0.81 m3/min，2-2#孔平均抽采瓦斯純量為1.42 m3/min，2-3#孔平均抽采瓦斯純量為0.68 m3/min，2-4#孔平均抽采瓦斯純量為0.38 m3/min，2-5#孔平均抽采瓦斯純量為0.66 m3/min，2-6#孔平均抽采瓦斯純量為0.49 m3/min。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證了前文瓦斯分布區(qū)域的分析結果，走向長鉆孔群可覆蓋瓦斯富集區(qū)域，實現(xiàn)了卸壓瓦斯應抽盡抽。走向長鉆孔抽采瓦斯純量曲線如圖4所示。

圖4 走向長鉆孔抽采瓦斯純量曲線

4.2 工作面瓦斯?jié)舛确治?/h3>

7月9日至12月31日，統(tǒng)計了回采期間上隅角和回風流瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.04%～0.7%，回風流瓦斯?jié)舛葹?%～0.56%。上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.8%以下，回風流瓦斯?jié)舛染S持在0.6%以下，以走向長鉆孔群治理瓦斯為主，結合上隅角埋管和風排瓦斯，基本保障了工作面初采期和正常生產(chǎn)期的安全生產(chǎn)。工作面上隅角和回風流瓦斯?jié)舛惹€如圖5所示。

圖5 工作面上隅角和回風流瓦斯?jié)舛惹€

5 結 論

1)通過數(shù)值模擬、相似模擬、理論計算和現(xiàn)場觀測等多種手段，確定走向長鉆孔群立體空間關鍵參數(shù)為：頂板以上9～50 m，回風巷內(nèi)錯10～60 m，鉆場間距不大于500 m，相鄰鉆場鉆孔搭接距離不小于80 m。

2)在走向長鉆孔群立體空間分布研究的基礎上，施工2組鉆場14組鉆孔進行工程應用，通過對鉆孔抽采瓦斯純量和工作面瓦斯?jié)舛认嚓P參數(shù)的持續(xù)跟蹤監(jiān)測，1#鉆場鉆孔瓦斯抽采純量為0.29～0.75 m3/min；2#鉆場鉆孔瓦斯抽采純量為0.38～1.42 m3/min；上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.7%，回風流瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.56%。研究表明，走向長鉆孔群不僅可實現(xiàn)瓦斯應抽盡抽的要求，而且可保障工作面初采期和正常生產(chǎn)期的安全生產(chǎn)。

3)通過現(xiàn)場工程應用，建議在工作面初采期，在低位增加多組鉆孔，針對性解決初次來壓之前的上隅角瓦斯積聚問題；回風流、上隅角瓦斯?jié)舛扰c日推進量呈正相關，需進一步加深研究，確保同時兼顧安全和生產(chǎn)。