薛彥平

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113122)

0 引言

相對于單一煤層或其他煤層群開采，近距離煤層群在重復(fù)采動條件下，覆巖破壞、裂隙發(fā)育及瓦斯分布運(yùn)移更為復(fù)雜，由此帶來的瓦斯治理問題也更為復(fù)雜[1-3]。文獻(xiàn)[4-5]通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)等方法研究了定向長鉆孔在近距離煤層群中的抽采參數(shù)設(shè)計及應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[6]對煤層群抽采巷布置進(jìn)行了優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[7]通過模擬及比較的方法研究了順層鉆孔布置參數(shù)及抽采效果。文獻(xiàn)[8]對近距離煤層群條件下采空區(qū)動態(tài)拖管瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[9]對近距離煤層群上行開采瓦斯治理措施進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[10-11]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)踐等方法對近距離煤層群下行開采應(yīng)力分布及瓦斯治理措施進(jìn)行了研究。以上研究側(cè)重于單一措施參數(shù)的確定及效果分析，或多措施結(jié)合時只對應(yīng)力或瓦斯等單一層面的影響進(jìn)行分析，對瓦斯治理措施在時間、空間層面之間的聯(lián)系的研究不夠深入，對綜合瓦斯治理措施的優(yōu)選組合、具體參數(shù)的確定依據(jù)及措施采取后的效果分析研究較少[12-15]。針對上述問題，本文以山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司一礦(以下簡稱陽煤一礦)81403綜采工作面為研究對象，通過數(shù)值模擬方式，分析了近距離煤層群條件下開采應(yīng)力分布及演化過程，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選出適合該工作面瓦斯涌出特點(diǎn)的治理措施，為順層鉆孔、穿層鉆孔、高抽巷等具體參數(shù)的確定提供依據(jù)，同時探討了各措施在時間和空間上的交互關(guān)系，旨在保證工作面回采安全，為近似賦存情況煤層提供參考。

1 近距離煤層綜采工作面基本情況

陽煤一礦81403綜采工作面位于15煤層北條帶十四采區(qū)西北部，東部為十四采區(qū)主巷，南部為81405綜采工作面，西部為十六采區(qū)，北部為其他2個整合煤礦。上覆12煤層平均厚度為2.7 m，最小煤層層間距為30 m。81403綜采工作面煤層賦存相對穩(wěn)定，工作面走向長度為1 300 m，傾向長度為180 m，采高為4.5 m。通過分源法預(yù)測得出綜采工作面絕對瓦斯涌出量為28.6 m3/min，相對瓦斯涌出量為6.1 m3/t。

2 采動覆巖結(jié)構(gòu)變化模擬分析

瓦斯治理措施制定的根本依據(jù)是瓦斯涌出來源的分析與確定，而在下伏煤層開采過程中，采動覆巖結(jié)構(gòu)的變化及裂隙的發(fā)育是影響瓦斯涌出的根本因素。通過數(shù)值模擬方法可以直觀地觀察在開采過程中上覆巖層的變化過程，并對“三帶”高度進(jìn)行估算測量，與計算數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證比較，研究裂隙等發(fā)育變化規(guī)律，為鉆孔設(shè)計等抽采瓦斯治理措施的制定提供理論基礎(chǔ)。

2.1 模擬基礎(chǔ)模型建立

陽煤一礦81403綜采工作面巖層賦存地質(zhì)條件較為復(fù)雜，根據(jù)該工作面煤層的具體賦存情況，為了提高模擬的整體性，在模型建立的過程中將厚度較小、巖性較為接近的巖層合并為同一模擬巖層，并根據(jù)相關(guān)研究資料補(bǔ)充其相關(guān)力學(xué)性質(zhì)。按照工作面前進(jìn)方向，模型長度設(shè)置為300 m，高度設(shè)置為100 m，模型最小單位為300×100=30 000個。工作面標(biāo)高為590～640 m，上覆巖層自重應(yīng)力設(shè)置為 5.6 MPa，水平方向的位移為0。工作面開采步距為5 m，模擬的總步數(shù)設(shè)置為40，總模擬回采長度為200 m。數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Numerical simulation mechanical parameters of rock mass

2.2 采動覆巖結(jié)構(gòu)及移動破壞過程

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板垮落，上覆巖層逐步垮塌穩(wěn)定，在巖層內(nèi)達(dá)到新的應(yīng)力平衡，并形成了垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。采動覆巖移動破壞過程以及產(chǎn)生的裂隙分布對采空區(qū)瓦斯抽采影響較大，是瓦斯治理措施研究的重要方向。利用RFPA 2D對陽煤一礦81403綜采工作面開采過程中覆巖破壞過程進(jìn)行模擬，如圖1所示。根據(jù)軟件生成的覆巖垮落破壞及裂隙變化情況，選取圖像清晰、變化明顯、具有代表性的幾組模擬圖像，分析討論工作面上覆巖層“三帶”變化及裂隙發(fā)育規(guī)律。

(a) 回采20 m

利用數(shù)值模擬分析可以較為直觀地顯示工作面回采過程中覆巖的變化過程及裂隙的發(fā)育情況。從圖1可看出，在工作面回采初期，上覆巖層的力還處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，沒有較大幅度的位移及破壞；當(dāng)工作面回采至40 m時，采空區(qū)上覆巖層垂直裂隙得到發(fā)育，頂板有垮落的跡象；當(dāng)工作面回采至60 m時，基本頂形變形態(tài)相對明顯，周期運(yùn)動呈現(xiàn)發(fā)展趨勢，裂隙在橫向、縱向上不斷發(fā)育，以縱向裂隙為主的發(fā)育已于上覆12層煤出現(xiàn)連通，形成了能供瓦斯運(yùn)移的通道；當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時，工作面開采對上覆12層煤的影響明顯，12煤層出現(xiàn)了水平和剪切應(yīng)力作用下的破壞，瓦斯運(yùn)移通道充分形成；當(dāng)工作面回采至130 m時，大面積垮落明顯，回采到160 m時，“三帶”的發(fā)育范圍逐漸趨于穩(wěn)定，高度和區(qū)域動態(tài)形成一個比較合理的區(qū)間，動態(tài)過程顯現(xiàn)清晰。

2.3 “三帶”演化結(jié)構(gòu)分析

工作面回采至200 m時“三帶”分布如圖2所示。從圖2可看出，在煤層開采過程中，上覆巖層的形變從下而上不斷發(fā)展，裂隙、斷裂等破壞形式相繼發(fā)生，形成瓦斯流動的良好通道。當(dāng)工作面開采至200 m時，上覆巖層穩(wěn)定，形成了較為完整的“三帶”分布，其中垮落帶模擬高度為13.8 m左右，斷裂帶模擬高度為13.8～39.5 m，彎曲下沉帶為39.5 m以上直至地表。

Ⅰ-垮落帶；Ⅱ-斷裂帶；Ⅲ-彎曲下沉帶。

3 綜合瓦斯治理措施優(yōu)選

瓦斯治理措施主要有引導(dǎo)風(fēng)流法、瓦斯抽采法、風(fēng)壓調(diào)解法、充填置換法等，瓦斯治理措施優(yōu)選的核心是根據(jù)瓦斯來源分析，確定工作面回采過程中瓦斯來源，并對措施參數(shù)進(jìn)行合理確定。根據(jù)陽煤一礦礦井瓦斯涌出量預(yù)測可知，81403綜采工作面瓦斯主要來源是煤層解吸瓦斯、上鄰近層卸壓瓦斯、采空區(qū)瓦斯等，針對不同瓦斯涌出源頭采取順層鉆孔預(yù)抽+高抽巷+高位鉆孔+采空區(qū)埋管的瓦斯抽采措施，在開采前充分預(yù)抽減少煤層解析瓦斯量，通過高位鉆孔、高抽巷處理鄰近層瓦斯涌入，采用埋管治理上隅角瓦斯局部聚集，在時間和空間上形成綜合的治理體系，從而達(dá)到瓦斯治理目的。

3.1 順層鉆孔預(yù)抽

81403綜采工作面順層鉆孔采用平行布置的方式，如圖3所示。利用百米鉆機(jī)通過進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷對本煤層施工水平鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，按照抽采鉆孔影響范圍使抽采影響區(qū)域覆蓋整個開采空間。工作面鉆孔間距為3 m，鉆孔采用交錯布置方式，下排鉆孔距離底板1.5 m，上排鉆孔與下排鉆孔間距為1.5 m，鉆孔直徑為113 mm，進(jìn)風(fēng)巷鉆孔深度為110 m，回風(fēng)巷道鉆孔深度為80 m。

圖3 工作面順層鉆孔布置Fig.3 Bedding borehole layout along working face

3.2 高抽巷

高抽巷處于開采工作面和上覆煤層中間，既能對采空區(qū)瓦斯聚集的“O”形圈內(nèi)的瓦斯進(jìn)行聚集抽采，也能對上覆煤層涌入的瓦斯起到攔截抽采的作用。模擬確定煤層頂板垮落帶高度為13.8 m，斷裂帶高度為39.5 m，高抽巷最佳布置位置取垮落帶高度的1.5倍，距離開采煤層20 m。確定高抽巷水平位置的主要依據(jù)：既要保證其處于垮落帶范圍，又要兼顧工作面通風(fēng)的影響，高抽巷在回風(fēng)巷的水平投影長度必須不小于防止瓦斯巷道被破壞的水平投影長度；在采空區(qū)距離回風(fēng)巷20～40 m的區(qū)域，瓦斯聚集的體積分?jǐn)?shù)最高，通過計算及結(jié)合本礦其他工作面開采經(jīng)驗(yàn)，在水平位置上，將高抽巷布置在距離回風(fēng)巷25 m的位置，如圖4所示。

圖4 高抽巷平面布置Fig.4 Plane layout of high extraction roadway

3.3 綜采工作面高位鉆孔

由于高抽巷的影響范圍及煤層透氣性、地質(zhì)條件等多方面原因影響，高抽巷不能完全達(dá)到對上覆煤層和采空區(qū)瓦斯的抽采，這樣就需要高位鉆孔來補(bǔ)充，從而提高整體的抽采效果。高位鉆孔抽采瓦斯也是利用了受到采動影響而發(fā)育的裂隙，將鉆孔施工在斷裂帶內(nèi)，可以對其間瓦斯進(jìn)行有效的抽采，降低其向工作面涌出的瓦斯量。鉆孔高度的確定既要考慮抽采效果，又要兼顧鉆孔施工的效率和工程的難易性，鉆孔應(yīng)該布置在垮落帶的上部和斷裂帶的中下部，這樣抽采的效果最好。由圖2“三帶”模擬分析可知斷裂帶高度為13.8～39.5 m，鉆孔垂高布置在距離開采煤層頂板以上18～30 m范圍較合適，鉆場間距設(shè)計為60～80 m，鉆孔水平投影搭接長度約為30 m，則鉆孔施工長度為100 m左右。工作面高位鉆孔剖面圖如圖5所示。

圖5 工作面高位鉆孔剖面圖Fig.5 High borehole profile on working face

3.4 采空區(qū)埋管抽采

對采空區(qū)埋管抽采瓦斯來說，抽采預(yù)留管路位置對抽采效果起關(guān)鍵作用，81403綜采工作面采空區(qū)涌出帶和過渡帶的深度為15～20 m，結(jié)合本礦其他工作面開采實(shí)踐，確定抽采口最佳位置為距離工作面20 m處，預(yù)留抽采口高度確定為2.5 m。

4 瓦斯治理效果分析

4.1 采前預(yù)抽鉆孔效果

工作面回采前共預(yù)抽6個月，單孔最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為90%，單孔最大抽采純量為1.12 m3/min，共抽采瓦斯3.36 Mm3，預(yù)抽率達(dá)到48.6%。預(yù)抽后測定煤層可解析瓦斯含量為2.98 m3/t，工作面設(shè)計日回采煤量為3 600 t，符合《煤礦安全規(guī)程》中可解析瓦斯含量小于6.0 m3/t的預(yù)抽達(dá)標(biāo)要求。

4.2 回采涌出治理效果

統(tǒng)計81403綜采工作面2019-06-01—10-30回采期間瓦斯抽采純量，如圖6所示，高抽巷平均抽采純量為12.9 m3/min，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為36.1%，抽采純量占抽采總純量的62.9%；穿層鉆孔平均抽采純量為5.1 m3/min，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為51.2%，抽采純量占抽采總純量的24.9%；采空區(qū)埋管平均抽采純量為2.5 m3/min，平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為6.7%，抽采純量占抽采總純量的12.2%，平均瓦斯抽采率達(dá)89.9%，滿足《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的工作面瓦斯抽采率大于40%的要求。表明根據(jù)模擬數(shù)據(jù)基礎(chǔ)制定的抽采措施符合實(shí)際工作需要，保證了抽采的有效性。

圖6 工作面回采期間瓦斯抽采純量隨時間變化曲線Fig.6 Change curves of gas extraction volume with time during face stoping

4.3 上隅角及回風(fēng)巷治理效果

工作面回采期間回風(fēng)巷、上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖7所示。81403工作面2019-06-01開始回采，在開采初期抽采效果相對較差，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于一個相對較高的水平，隨著抽采措施實(shí)施,效果逐漸顯現(xiàn)，回風(fēng)巷及上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)都符合《煤礦安全規(guī)程》要求，瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于1%，并處于一個較低的區(qū)間。這樣充分驗(yàn)證了通過本煤層預(yù)抽、高抽巷抽采、工作面高位鉆孔、采空區(qū)埋管抽采綜合瓦斯治理措施在時間和空間上的應(yīng)用，能夠保證工作面的安全回采。

圖7 工作面回采期間回風(fēng)巷、上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Gas volume fraction in air return airway and upper corner during face stoping

5 結(jié)論

(1) 通過模擬上覆巖層圖像的變化，分析出了“三帶”的大致高度及分布范圍，垮落帶模擬高度為13.8 m左右，斷裂帶模擬高度為13.8～39.5 m，彎曲下沉帶為39.5 m以上直至地表，為瓦斯抽采措施制定提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2) 根據(jù)近距離煤層賦存特點(diǎn)，制定了順層預(yù)抽鉆孔、高抽巷抽采、高位鉆孔、采空區(qū)埋管抽采等綜合瓦斯治理措施。實(shí)際應(yīng)用表明，工作面回采期間，高抽巷平均抽采純量為12.9 m3/min，穿層鉆孔平均抽采純量為5.1 m3/min，采空區(qū)埋管平均抽采純量為2.5 m3/min，平均瓦斯抽采率達(dá)89.9%?；仫L(fēng)巷及上隅角瓦斯保持在1%以下，符合安全回采相關(guān)要求。