郝光生，馬錢錢

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

我國煤層開采地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著開采水平延深，原始煤層瓦斯含量和壓力逐步加大，同時高產(chǎn)高效開采導(dǎo)致礦井瓦斯涌出也顯著增加，嚴(yán)重制約高瓦斯礦井安全高效開采[1]。我國70%以上國有重點煤礦為高瓦斯及突出礦井，其中難以抽采煤層占50%以上，安全高效開采難度大[1-3]。目前，除常用傳統(tǒng)鉆孔抽采，我國提高開采煤層透氣性主要有水力增透、爆破致裂及保護層開采等，但受煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造和成本等因素影響，以上方法現(xiàn)場應(yīng)用都存在一定局限性，探索有效瓦斯防治措施至關(guān)重要。本煤層預(yù)抽瓦斯是煤層采掘前根據(jù)現(xiàn)場抽-掘-采銜接安排，合理選擇鉆孔布置方式、抽采時間等，提前布置預(yù)抽鉆孔。現(xiàn)場以順層密集鉆孔為主，根據(jù)彈塑性力學(xué)理論研究，在原始應(yīng)力平衡巖層中，順層鉆孔周圍重新分布的應(yīng)力會超過巖體強度產(chǎn)生塑性變形，塑性變形區(qū)內(nèi)存在大量裂隙，可提高鉆孔圍巖體透氣性，有利于瓦斯抽采?；诖?，主要研究如何提高順層鉆孔附近塑性區(qū)的連通性，優(yōu)化鉆孔布置方式，提高開采煤層透氣性，有效減少瓦斯抽采達標(biāo)時間。

1 工程概況

王坡煤礦改擴建后設(shè)計生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，主采3號煤層，平均煤厚5.82 m，埋深120～750 m，全區(qū)穩(wěn)定可采；頂?shù)装逡阅鄮r為主；地質(zhì)構(gòu)造簡單，無大斷層影響。采用綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。3號煤層預(yù)測最大瓦斯含量18 m3/t，屬高瓦斯礦井。3號煤層透氣性系數(shù)為1.745～4.864 m2/（MPa2·d），平均為2.575 m2/（MPa2·d）。

王坡煤礦主要采用密集順層平行鉆孔進行本煤層預(yù)抽，因煤層透氣性不理想，抽采達標(biāo)時間長，抽-掘-采銜接緊張，進入煤層瓦斯含量較高區(qū)域時，工作面瓦斯涌出量增大，工作面回采時上隅角瓦斯頻繁超限，僅依靠通風(fēng)難以解決瓦斯超限問題。針對王坡煤礦瓦斯治理現(xiàn)狀，選擇1個試驗工作面進行立體交叉鉆孔、平面交叉鉆孔和密集順層平行鉆孔抽采效果考察，確定最佳抽采鉆孔布置方式，推廣應(yīng)用后可全面提升王坡煤礦采煤工作面瓦斯預(yù)抽效果，解決抽-掘-采銜接緊張問題。

2 本煤層預(yù)抽瓦斯理論分析

根據(jù)理想彈塑性模型，假設(shè)鉆孔周圍均質(zhì)、各向同性、等壓，視為平面應(yīng)變問題，可推導(dǎo)推出鉆孔周圍塑性區(qū)應(yīng)力計算公式[4-6]：

式中：σг為塑性區(qū)徑向應(yīng)力；σ0為塑性區(qū)切向應(yīng)力；r為塑性區(qū)任一點半徑；C為煤巖黏聚力；φ為煤巖內(nèi)摩擦角；R0為鉆孔半徑。

式（1）和式（2）表明：鉆孔周圍塑性區(qū)范圍應(yīng)力與煤體自身的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ有關(guān)，與煤體周圍原巖應(yīng)力σ0無關(guān)。根據(jù)式（2），可繪出圓形鉆孔周邊切向應(yīng)σθ分布形態(tài)（圖1）。

由于彈性區(qū)與塑性區(qū)交界處應(yīng)力相同，同時滿足彈性條件和塑性條件，推導(dǎo)出塑性區(qū)半徑R：

圖1 圓形鉆孔周邊塑性區(qū)及應(yīng)力分布形態(tài)

根據(jù)式（3）可知：鉆孔周邊塑性區(qū)范圍與其周邊應(yīng)力σ0和鉆孔半徑R0成正比關(guān)系，鉆孔周邊應(yīng)力σ0和鉆孔半徑R0大，則塑性區(qū)范圍越大；另外，雖塑性區(qū)范圍與煤體自身的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ有關(guān)，但其不受人為因素影響。

根據(jù)以上分析，預(yù)抽鉆孔形成后，鉆孔周邊應(yīng)力會二次重新分布，存在應(yīng)力集中和破碎區(qū)。當(dāng)鉆孔采取一定布置方式存在交叉區(qū)域時，兩鉆孔應(yīng)力集中區(qū)范圍相互疊加，會使塑性區(qū)空間范圍增大，提高了煤層透氣性，有利于瓦斯預(yù)抽；當(dāng)增加兩鉆孔交叉點數(shù)量，可以增大鉆孔網(wǎng)的孔周塑性區(qū)體積，從而提高煤層透氣性、增加瓦斯抽放量的目的。另外，塑性區(qū)導(dǎo)通鄰近抽采鉆孔，可避免單個鉆孔塌孔抽不出瓦斯問題，提高了抽采鉆孔利用率。

3 抽采影響半徑考察

井下瓦斯預(yù)抽鉆孔影響半徑有限，抽采鉆孔布置間距是否合理是影響鉆孔抽采效果首要因素[7-10]。大量研究結(jié)果表明，抽采鉆孔影響半徑與抽采時間、透氣性系數(shù)和原始瓦斯壓力有關(guān)[11-16]。

為確定王坡煤礦3號煤層抽采影響半徑，在3212工作面進行了考察試驗。考察分3組進行，每組5個鉆孔，鉆孔間距分別為3 m和2 m，每組鉆孔間距50 m，鉆孔長均為50 m，鉆孔孔徑94 mm。

通過考察結(jié)果擬合分析，得到間距2 m和3 m試驗鉆孔抽采影響半徑變化與抽采時間關(guān)系（圖2）。

王坡煤礦3號煤層抽采影響半徑規(guī)律如下：

式中：R1為抽采影響半徑，m；K為煤層滲透率，10-15m2；p0為煤層氣原始壓力，MPa；T為煤層氣鉆孔的抽采時間，d。

圖2 鉆孔抽采影響半徑與抽采時間關(guān)系

由式（4）可知，在預(yù)抽初期，2 m間距布置的鉆孔流量（0.173 2 m3/min）是3 m間距布置（0.071 4 m3/min）的2.4倍，且流量衰減慢；鉆孔預(yù)抽22 d后，2 m間距鉆孔流量衰減加快,而3 m間距鉆孔流量衰減減慢。綜合考慮鉆孔有效抽采時間和抽采效果，王坡煤礦3號煤層順層預(yù)抽鉆孔間距宜選擇2～3 m之間，本次預(yù)抽鉆孔布置方式優(yōu)化方案，鉆孔布置間距取平均值2.5 m。

4 預(yù)抽瓦斯鉆孔布置方案

王坡煤礦3207工作面作為預(yù)抽順層鉆孔布置優(yōu)化考察試驗工作面，在工作面切眼外380 m左右（360～460 m）、切眼外1 260 m 左右（1 210～1 300 m）、切眼外 1 560 m 左右（1 540～1 650 m）3段分區(qū)域布置預(yù)抽鉆孔。同一工作面3個區(qū)域煤層賦存條件基本一致，瓦斯含量10 m3/t左右。試驗鉆孔布置示意圖如圖3。

圖3 3207綜放面3個試驗區(qū)鉆孔布置示意圖

3種鉆孔布置方案中鉆孔間距均為2.5 m，鉆孔直徑94 mm，設(shè)計孔深160 m，鉆孔封孔長度不低于8 m，封孔深度不低于20 m。

1）密集平行鉆孔。共施工30個預(yù)抽鉆孔，鉆孔開孔均距煤層底板2.0 m，設(shè)計孔深160 m，鉆孔仰角 3°。

2）平面交叉鉆孔。共施工30個預(yù)抽鉆孔，鉆孔開孔高度相同，開孔位置距底板2.0 m，設(shè)計孔深160 m，鉆孔仰角 1°。

3）立體交叉鉆孔。共施工40個預(yù)抽鉆孔，“三花眼”布置，迎向工作面80°鉆孔的開孔高度2.5 m，平行于工作面的開孔高度1.0 m，鉆孔仰角均為1°。

5 預(yù)抽瓦斯效果分析

1）抽采特征系數(shù)對比。3種不同鉆孔方式的考察結(jié)果見表1。通過平均百米鉆孔抽采量和衰減系數(shù)分析可知，立體交叉鉆孔的衰減系數(shù)最小，平均百米鉆孔抽采量最大，其中立體交叉鉆孔的抽采能力是密集平行鉆孔和平面交叉鉆孔的1.7倍和1.3倍，立體交叉鉆孔的抽采效率比密集平行鉆孔和平面交叉鉆孔分別提高68.9%和25.7%，另外立體交叉鉆孔的單孔抽采量最為理想，平均達0.2 m3/min。

表1 不同鉆孔方式考察效果

2）抽采效果對比。王坡煤礦試驗工作面回采期間在3種不同鉆孔布置區(qū)域的瓦斯涌出情況對比如圖4。在工作面回采期間，工作面的平均瓦斯涌出量在密集平行鉆孔、平面交叉鉆孔和立體交叉鉆孔區(qū)域分別為39.1、35.9、33.4 m3/min，其中立體交叉鉆孔布置區(qū)域回采期間平均瓦斯涌出量最小；另外，密集平行鉆孔和平面交叉鉆孔布置區(qū)域回采期間均發(fā)生過上隅角瓦斯超限2～3次，而立體交叉鉆孔布置區(qū)域在回采期間未發(fā)生上隅角瓦斯異常現(xiàn)象，安全順利開采。

6 結(jié)論

1）立體交叉鉆孔布置合理時，鉆孔交叉區(qū)域存在應(yīng)力疊加現(xiàn)象，能增大交叉鉆孔應(yīng)力疊加區(qū)域的孔周塑性區(qū)體積，與平行順層鉆孔相比，能進一步提高煤層透氣性，增加鉆孔單位時間瓦斯抽采量。

2）立體交叉鉆孔塑性區(qū)導(dǎo)通，可避免單個鉆孔塌孔抽不出瓦斯問題。當(dāng)部分鉆孔塌孔時，利用立體交叉鉆孔塑性區(qū)導(dǎo)通通道，可繼續(xù)抽采瓦斯，抽采鉆孔有效長度得到保障，提高了抽采鉆孔利用率。

圖4 不同鉆孔方式工作面瓦斯涌出對比

3）在密集平行鉆孔、平面交叉鉆孔和立體交叉鉆孔中，立體交叉鉆孔抽采衰減系數(shù)最小，平均百米鉆孔抽采量最大；在同等鉆孔工程量下，立體交叉鉆孔的抽采能力是密集平行鉆孔和平面交叉鉆孔的1.7倍和1.3倍，立體交叉鉆孔的抽采效率比密集平行鉆孔和平面交叉鉆孔分別提高68.9%和25.7%。