邱春亮，趙鵬翔，王緒友，劉殿福，張雪濤，安學(xué)東，楊俊生

(1.兗礦新疆礦業(yè)有限公司 硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

中國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富,目前已探明地質(zhì)儲(chǔ)量10 000億t,同時(shí)也是世界上煤層甲烷(煤層氣、煤層瓦斯)資源最豐富的國(guó)家之一,目前與礦物燃料相比,替代能源依然昂貴得令 人望而卻步。因此，能否安全、高效、潔凈地開發(fā)和利用豐富的煤炭資源和煤層氣資源，對(duì)于從事煤層與甲烷安全共采理論與技術(shù)的研究是一項(xiàng)很有意義的事[1]。

隨著煤炭開采機(jī)械化程度的不斷增大，導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量不斷增加，容易造成上隅角瓦斯超限，嚴(yán)重制約著工作面安全高效回采[2]。針對(duì)上隅角瓦斯超限這一難題，許多學(xué)者開展了大量的研究，并得到相應(yīng)的理論及技術(shù)體系[3-6]。受采動(dòng)影響，瓦斯從煤體中解吸出來(lái)進(jìn)入采動(dòng)空間[7-9]，受到風(fēng)流的作用升浮至采動(dòng)覆巖裂隙區(qū)并形成瓦斯富集區(qū)[10-12]。如將高位鉆孔終孔位置布置在瓦斯富集區(qū)內(nèi)，能有效提高瓦斯抽采效果。因此，準(zhǔn)確掌握覆巖采動(dòng)“三帶”分布特征[13]，對(duì)設(shè)計(jì)高位鉆孔終孔位置尤為重要。文中針對(duì)硫磺溝煤礦(4-5)04工作面實(shí)際情況，對(duì)工作面采動(dòng)覆巖“三帶”分布特征開展實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)高位鉆場(chǎng)的布置方案及鉆孔的施工參數(shù)，為硫磺溝煤礦上隅角瓦斯超限治理提供了技術(shù)支持。

1 覆巖“三帶”物理相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 (4-5)04工作面概況

(4-5)04工作面位于(4-5)02工作面北部，與(4-5)02皮帶順槽傾斜距離為40 m煤柱，西鄰井田邊界(32勘探線)130 m，東部為副斜井保護(hù)煤柱，北部為未采動(dòng)的實(shí)體煤。工作面走向長(zhǎng)度2 636 m，傾斜長(zhǎng)為180 m，沿傾向布置走向回采，煤層傾角22°～26°，平均24°；開采厚度6.06～7.52 m，平均開采厚度6.15 m，割煤高度3.0 m，平均放煤高度3.15 m，采放比為1∶1.1。瓦斯含量3～4 m3/t.軌道順槽、皮帶順槽沿4-5號(hào)煤層底板掘進(jìn)，切眼沿4-5號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，工作面配風(fēng)量平均為1 048 m3/min.

1.2 實(shí)驗(yàn)相似比及參數(shù)確定

實(shí)驗(yàn)利用西安科技大學(xué)西部煤礦開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維平面模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，按幾何比例1∶100沿工作面傾向及走向?qū)?4-5)04工作面開展采動(dòng)覆巖“三帶”分布特征物理相似模擬實(shí)驗(yàn)。傾向模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 000 mm×200 mm×1 300 mm，走向模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 000 mm×200 mm×1 100 mm，模型高度以上的煤層采用物理相似的配種進(jìn)行均勻加載。

根據(jù)已有的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)相似準(zhǔn)則及(4-5)04工作面實(shí)際情況，確定物理相似模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間相似常數(shù)為10，容重相似常數(shù)為1.5，泊松比相似常數(shù)為1.0，應(yīng)力及抗壓強(qiáng)度相似常數(shù)為150，選取相應(yīng)的材料配比開展傾向及走向采動(dòng)覆巖“三帶”特征物理相似模擬實(shí)驗(yàn)。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

傾向模型與煤層平行布置9條測(cè)線，沿測(cè)線布置22個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距為10 cm，同一條測(cè)線相鄰10 cm，如圖1所示，由此觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤層采后覆巖“三帶”特征及巖層下沉量變化規(guī)律。走向模型與煤層平行布置10 測(cè)線，沿測(cè)線布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距為10 cm，如圖2所示，其作用于傾向模型中測(cè)點(diǎn)相同。

圖1 (4-5)04工作面傾向模型Fig.1 Tend model of(4-5)04 working face

圖2 (4-5)04工作面走向模型Fig.2 Direction model of(4-5)04 working face

2 (4-5)04工作面覆巖“三帶”分布特征

2.1 (4-5)04工作面傾向“三帶”分布特征

通過(guò)對(duì)(4-5)04工作面開展傾向物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，得出如圖4所示的覆巖“三帶”分布，并通過(guò)布置的測(cè)點(diǎn)得到巖層下稱量的變化規(guī)律。從圖3可以看到，當(dāng)工作面開采后，在采空區(qū)上方的覆巖由彈性狀態(tài)逐漸向塑性轉(zhuǎn)變，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，其上覆巖體發(fā)生移動(dòng)、破斷及垮落，從而在工作面傾斜方向上形成覆巖“三帶”(即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶)，工作面上隅角處的冒落角為71°左右，工作面下隅角處的冒落角為60°左右，上隅角處裂隙較為發(fā)育，為高位鉆孔抽采上隅角瓦斯提供了良好的環(huán)境。通過(guò)開展物理相似模擬實(shí)驗(yàn)得到(4-5)04工作面傾斜方向冒落帶高度為25 m，裂隙帶的高度為110 m，其上為彎曲下沉帶[18]。

圖3 (4-5)04工作面傾向“三帶”分布特征Fig.3 “Three zones” distribution property in tend of(4-5)04 working face

圖4 傾斜方向測(cè)點(diǎn)下沉量Fig.4 Sinkage of point in tend

從圖4可知，在(4-5)04工作面沿傾斜方向，覆巖移動(dòng)規(guī)律離煤層頂板越遠(yuǎn)，移動(dòng)過(guò)程越連續(xù)。覆巖垮落后，由于煤層傾角的影響，一般位于采空區(qū)中部偏回風(fēng)巷側(cè)頂板下沉較為充分，頂板巖層有垂直于層面的法向彎曲移動(dòng)及沿層面向下滑移運(yùn)動(dòng)，當(dāng)強(qiáng)度與變形超過(guò)極限值時(shí)巖層斷裂或垮落，但空間結(jié)構(gòu)高度沿工作面傾斜方向上呈現(xiàn)下端小、上端大的變化形態(tài)。

2.2 (4-5)04工作面走向“三帶”分布特征

對(duì)工作面走向回采過(guò)程開展物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，采動(dòng)覆巖裂隙“三帶”分布特征，如圖5所示。工作面回采過(guò)程中覆巖共發(fā)生7次礦壓顯現(xiàn)，其中初次來(lái)呀步距為36 m，周期來(lái)壓步距為12～22 m，平均16.6 m.冒落帶高度(不規(guī)則冒落帶+規(guī)則冒落帶)為26.8 m，裂隙帶高度為109.2 m，其上為彎曲下沉帶。與傾向物理相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分相近，因此，結(jié)合走向與傾向物理相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到(4-5)04工作面回采完成后會(huì)形成“圓角矩形梯臺(tái)帶”的三維形態(tài)。

圖5 (4-5)04工作面走向“三帶”分布特征Fig.5 “Three zones” distribution property in direction of(4-5)04 working face

圖6 (4-5)04工作面開采后裂隙區(qū)域劃分Fig.6 Cracked zone partition after(4-5)04 working face mining

根據(jù)物理相似模擬可知，當(dāng)煤層開采后，根據(jù)裂隙所處的狀態(tài)，可將采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育的區(qū)域分為壓實(shí)區(qū)和裂隙區(qū)，如圖6所示，壓實(shí)區(qū)是裂隙基本處于閉合狀態(tài)的區(qū)域；裂隙區(qū)是裂隙處于張開狀態(tài)的區(qū)域，裂隙區(qū)對(duì)壓實(shí)區(qū)形成了半包圍，包括處于壓實(shí)區(qū)上方裂隙區(qū)和處于壓實(shí)區(qū)周圍的裂隙區(qū)。裂隙區(qū)寬度在切眼附近約40 m(即0.7倍初次來(lái)壓步距)，回風(fēng)巷及進(jìn)風(fēng)巷附近約30 m(約0.5倍初次來(lái)壓步距)，在工作面附近20～40 m(即1～2倍周期來(lái)壓步距)變化。由于裂隙的存在，為采動(dòng)卸壓瓦斯運(yùn)移提供了通道，將高位鉆孔的終孔位置布置在該區(qū)域能實(shí)現(xiàn)對(duì)上隅角及采空區(qū)瓦斯的抽采[19]。

3 高位鉆孔抽采瓦斯參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 高位鉆場(chǎng)布置

根據(jù)前人研究成果及物理相似模擬實(shí)驗(yàn)所得到的(4-5)04工作面采動(dòng)覆巖“三帶”分布特征、來(lái)壓步距及覆巖裂隙區(qū)分布范圍，確定將高位鉆場(chǎng)布置在該工作面回風(fēng)順槽實(shí)體煤一側(cè)，在該側(cè)巷幫起坡45°角掘進(jìn)至煤層頂板，鉆場(chǎng)規(guī)格設(shè)計(jì)為4 m×3.6 m×2.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，鉆場(chǎng)間距為65 m，鉆場(chǎng)壓茬距離為35 m.

3.2 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆場(chǎng)中設(shè)計(jì)施工10個(gè)鉆孔，分兩排布置(圖7)，上排鉆孔距鉆場(chǎng)底板2.0 m，下排鉆孔局鉆場(chǎng)底板1.5 m，下排鉆場(chǎng)第一個(gè)鉆孔距離鉆場(chǎng)外幫0.4 m，其余鉆孔間距為0.8 m，鉆孔終孔位置在煤層頂板以上9～34 m范圍內(nèi)均勻分布，平距為距離回風(fēng)巷中線-1.3～22.7 m范圍內(nèi)均勻分布。

4 高位鉆場(chǎng)抽采瓦斯效果分析

4.1 高位鉆孔單孔抽采效果分析

通過(guò)對(duì)高位鉆場(chǎng)中典型鉆孔單孔抽采瓦斯?jié)舛葘?shí)施觀測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)整理分析后得到如圖8所示的變化趨勢(shì)，隨和鉆場(chǎng)與工作面距離的變化，鉆場(chǎng)抽采瓦斯?jié)舛瓤煞譃?個(gè)階段：當(dāng)鉆場(chǎng)距工作面55～81 m時(shí)，由于工作面距離鉆場(chǎng)過(guò)遠(yuǎn)，覆巖裂隙發(fā)育及應(yīng)力變化還未影響到鉆孔，導(dǎo)致這時(shí)期的鉆孔抽采瓦斯?jié)舛容^低；當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面13～75 m范圍內(nèi)，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，在采動(dòng)應(yīng)力的影響下鉆孔所在巖層發(fā)生變形，覆巖裂隙逐步發(fā)育至鉆孔，使得這一階段瓦斯呈現(xiàn)逐步上升的發(fā)展趨勢(shì)；當(dāng)鉆場(chǎng)距離工作面小于13～32 m范圍時(shí)，底層為鉆孔瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)驟減，高層位鉆孔瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)平緩下降的變化趨勢(shì)，這是由于工作面推進(jìn)至離鉆孔較近的位置時(shí)，鉆孔的終孔位置已經(jīng)進(jìn)入冒落帶，抽出的氣體主要為含有低濃度瓦斯的空氣，因此，就要求瓦斯高位鉆場(chǎng)在此時(shí)進(jìn)行搭接，彌補(bǔ)抽采瓦斯?jié)舛鹊牟蛔恪?/p>

從圖8(a)、(b)可以看出，1-3#，1-4#在整個(gè)抽采過(guò)程中鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍阢@場(chǎng)距離工作面54～75 m的范圍內(nèi)開始上升，最大濃度值為19%～27%，平均濃度為23%，瓦斯?jié)舛确逯递^為穩(wěn)定，同時(shí)高濃度(瓦斯?jié)舛却笥诘扔?%)瓦斯段的長(zhǎng)度分別為鉆場(chǎng)距工作面49～8 m，75～8 m，平均長(zhǎng)度為54 m.

從圖8(c)、(d)可以看出，2-4#，2-6#在整個(gè)抽采過(guò)程中鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍阢@場(chǎng)距離工作面60～66 m的范圍內(nèi)開始上升，濃度開始上升的方位比較集中，最大濃度值為18.9%～20.8%，平均濃度為19.85%，瓦斯?jié)舛确逯递^為穩(wěn)定，同時(shí)高濃度(瓦斯?jié)舛却笥诘扔?%)瓦斯段的長(zhǎng)度分別為鉆場(chǎng)距工作面63～8 m，63～8 m，平均長(zhǎng)度為55 m.

4.2 高位鉆場(chǎng)抽采效果分析

從圖9可以看出，在(4-5)04工作面正?；夭蛇^(guò)程中，高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采量占絕對(duì)瓦斯涌出總量的49.94%～89.88%，風(fēng)排瓦斯量占到絕對(duì)瓦斯總涌出量的10.12%～50.06%.

從圖9還可以看出，高位鉆場(chǎng)抽采前期，抽采瓦斯量持續(xù)升高，風(fēng)排瓦斯兩逐漸降低，從而達(dá)到了減輕風(fēng)排瓦斯的壓力，達(dá)到了高位鉆場(chǎng)抽采瓦斯的目的，隨著工作面與鉆場(chǎng)間距的不斷減小，高位鉆孔的層位逐漸降低使得高位鉆孔只能抽取大量含有低濃度瓦斯的空氣，使得瓦斯抽采純量不斷下降，風(fēng)排瓦斯兩出現(xiàn)明顯的上升，增大了風(fēng)排瓦斯的壓力。

圖7 高位鉆場(chǎng)鉆孔布置方式Fig.7 Layout of borehole in high level drilling field

圖8 典型鉆孔抽采濃度與工作面距離的關(guān)系Fig.8 Relationship between borehole drainage concentration and distance of working face

圖9 高位鉆場(chǎng)抽采瓦斯效果Fig.9 Extraction effect of high level drilling field

4.3 高位鉆場(chǎng)抽采瓦斯治理效果

通過(guò)對(duì)瓦斯上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)觀測(cè)，得到如圖10所示的在高位鉆場(chǎng)抽采條件下，上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，由此驗(yàn)證了高位鉆孔抽采瓦斯對(duì)工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛鹊目刂菩Ч?。保證上隅角瓦斯瓦斯?jié)舛染S持在0.08%～0.45%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染S持在0.15%～0.48%，保證(4-5)04工作面安全高效回采。

圖10 上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.10 Variation of gas concentration at upper corner and reture airway

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)(4-5)04工作面開展傾向物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，得出傾斜煤層覆巖“三帶”分布及上覆巖層裂隙分布范圍；

2)通過(guò)開展傾向及走向物理相似模擬實(shí)驗(yàn)得到(4-5)04工作面冒落帶高度為25～26.8 m，裂隙帶高度為109.2～110 m，初次來(lái)壓步距為36 m，周期來(lái)壓步距平均為16.6 m，得到切眼附近裂隙區(qū)寬度約為40 m，回風(fēng)巷及進(jìn)風(fēng)巷附近約30 m，工作面附近約20～40 m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本吻合，所以，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全指導(dǎo)具有實(shí)際意義；

3)通過(guò)對(duì)典型鉆場(chǎng)中的鉆孔進(jìn)行分析后，得到鉆孔抽采濃度為19.85%～23%，有效抽采段距離平均為54.5 m，抽采過(guò)程中上隅角及工作面瓦斯分別為0.08%～0.45%及0.15%～0.48%，所以高位鉆孔抽采可以有效控制(4-5)04工作面上隅角及采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋?/p>

4)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)從二維層面研究了采動(dòng)覆巖特征，還可以通過(guò)三維物理模擬和數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)一步分析傾斜煤層瓦斯抽采的有效方法。

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