劉增亮

(山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300)

瓦斯含量超標(biāo)是導(dǎo)致煤礦事故高發(fā)的因素之一。在礦井生產(chǎn)過程中,瓦斯抽采是實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯災(zāi)害治理及綠色開采的重要手段[1]。特厚煤層高瓦斯工作面使用分層開采技術(shù)時,其下分層的瓦斯卸壓后,通過穿層裂縫裂隙逸散到上分層采空區(qū)中,在工作面中引起瓦斯超限,而普通鉆孔難以抽采到下分層中的已卸壓瓦斯[2]。因此,特厚煤層高瓦斯工作面中的瓦斯抽采工作面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)主要采用尾巷、高位抽放巷、底板巖巷上向網(wǎng)格式鉆孔、地面鉆孔和高位鉆孔等抽采工藝治理特厚煤層高瓦斯工作面[3-5],然而由于這些方法難以定向和長期抽采已卸壓的下分層瓦斯,且經(jīng)濟(jì)成本較高,抽采效果不佳,很難削弱已卸壓下分層瓦斯對工作面產(chǎn)生的影響。本文以某礦205工作面為研究對象,以治理下分層卸壓瓦斯為目的,綜合研究工作面瓦斯來源、已卸壓下分層瓦斯運(yùn)移規(guī)律和底板破壞機(jī)理[6],通過理論計算和數(shù)值模擬得到千米鉆孔在工作面下分層中的合理終孔位置,并通過對比分析現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),為特厚煤層高瓦斯工作面的瓦斯治理提供參考。

1 下分層煤體卸壓及瓦斯運(yùn)移規(guī)律

特厚煤層高瓦斯工作面使用分層開采方法時,采動的作用將直接影響到下分層。上分層的煤體發(fā)生上鼓作用,破裂斷開產(chǎn)生穿層裂縫裂隙,形成上、下分層間的瓦斯運(yùn)移通道[7-9];下部少量煤體、底板巖層因上鼓量不同,大量的順層裂隙發(fā)生在層間薄弱面上,導(dǎo)致卸壓瓦斯通過交叉裂隙和離層裂隙流至相互貫通的裂縫裂隙中,最后運(yùn)移到工作面采空區(qū);因煤層中產(chǎn)生大量的交叉裂隙、穿層裂隙和順層裂隙,導(dǎo)致煤層的透氣性系數(shù)增大數(shù)倍[9-10]。伴隨著工作面采空區(qū)面積的增大,垮落下來的覆巖逐步被壓緊,應(yīng)力開始恢復(fù),使得下分層煤體的透氣性減小,但仍然很難達(dá)到原始狀態(tài),煤層透氣性減小受限。在卸壓恢復(fù)這一過程中,打破了下分層原始的瓦斯賦存平衡條件,造成絕大多數(shù)的吸附態(tài)瓦斯向游離態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)化,為下分層煤體使用千米鉆孔抽采瓦斯技術(shù)提供了條件。

因回采特厚煤層高瓦斯工作面上分層時,在下分層煤體將會形成“卸壓增流”現(xiàn)象,顯著提高了煤層透氣性,加快了瓦斯“解吸—擴(kuò)散—滲流”速度[11-13]。所以,實(shí)施千米定向鉆孔來高效率、大面積和長時間抽采下分層瓦斯是完全可能的。實(shí)施千米定向鉆孔工藝抽采下分層瓦斯時,需要結(jié)合下分層的卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律、采動裂隙場分布規(guī)律及塑性變形情況,以獲得千米定向鉆孔在下分層的合理位置[14-15]。在布置鉆孔時需重點(diǎn)注意,在豎直方向上,應(yīng)在下分層裂隙帶布置鉆孔,保證當(dāng)?shù)装灏l(fā)生周期性破壞時,鉆孔不會發(fā)生塌孔破壞現(xiàn)象,達(dá)到鉆孔既可以預(yù)抽下分層瓦斯,又可以高效率、長時間抽采卸壓瓦斯的雙重目的[16];在水平方向上,應(yīng)將鉆孔密集布置在O形圈區(qū)域內(nèi),在工作面采空區(qū)后方的壓實(shí)范圍內(nèi)盡可能減少布孔,鉆孔的布置方式如圖1所示。

圖1 千米鉆孔布孔方式Fig.1 Arrangement of kilometer drilling boreholes

2 工程概況

2.1 工作面概況

某礦是高瓦斯礦井,主采2#,3#,8#,9#煤層,其中2#煤層厚度為16.4～21.0 m,屬于可抽放煤層,透氣性系數(shù)為0.25～0.76 m2/(MPa2·d)。205工作面是大采高工作面,煤層平均傾角為4o,平均厚度達(dá)到19 m,絕對瓦斯涌出量為81.96 m3/min,相對瓦斯涌出量為17.43 m3/t,瓦斯壓力為0.57～0.64 MPa,煤質(zhì)較硬,堅固性系數(shù)可達(dá)到1.96～2.80,千米鉆孔施工完成后成孔率較高。采用分層開采,其中上分層采高為6 m,全面垮落法管理頂板,工作面長度為200 m,可采走向長度為2 200 m。

2.2 工作面瓦斯來源分析

在回采上分層煤體時,工作面采破煤集中且強(qiáng)度大,且下分層煤體卸壓完全,原生裂隙裂縫互相貫通,絕大多數(shù)的瓦斯實(shí)現(xiàn)了由吸附態(tài)向游離態(tài)的轉(zhuǎn)化。205工作面已卸壓的下分層煤體構(gòu)成了其采空區(qū)瓦斯的主要來源。回采時工作面瓦斯來源分析見表1。從表1發(fā)現(xiàn),205工作面的瓦斯來源于工作面落煤和下分層大量的卸壓煤體。所以工作面瓦斯治理的重要方法是在回采工作面之前預(yù)抽下分層瓦斯,回采后抽采卸壓煤體瓦斯。

表1 205工作面瓦斯構(gòu)成Table 1 Gas composition of 205 working face

3 鉆孔合理位置分析

3.1 裂隙帶范圍計算

某礦2#煤層傾角小,205工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單,在掘進(jìn)巷道時只出現(xiàn)一個3.6 m落差的小斷層。所以借助經(jīng)驗公式,分析計算下分層裂隙帶最大深度hmax,最大裂隙帶深度距煤壁水平距離l0,即

(1)

(2)

式中:h為開采深度,m;φ為煤層內(nèi)摩擦角,(°)。

工作面埋深h為580 m,內(nèi)摩擦角φ為28°,代入式(1)、(2),計算得到hmax=12.89 m,l0=6.85 m。結(jié)果證明,下分層的煤體幾乎全部位于卸壓裂隙帶中。

3.2 下分層卸壓范圍

3.2.1模型建立

利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D模擬某礦2#煤層上分層開采情況。模型坐標(biāo)系參數(shù)見表2,煤巖體力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameters

表3 煤巖層參數(shù)Table 3 Coal and rock parameters

3.2.2鉆孔合理位置確定

借助FLAC3D軟件數(shù)值模擬下分層塑性變形及破壞規(guī)律,模擬結(jié)果得到塑性破壞的最大距離達(dá)到14.5 m;而采用公式計算得到的下分層裂隙帶最大距離是12.89 m,二者僅相差1.61 m,表明二者模擬基本符合現(xiàn)場實(shí)際。參考理論計算數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結(jié)果,將205工作面下分層塑性破壞最大距離定為13 m。

持續(xù)開挖到160 m時,下分層的塑性破壞停止向深部發(fā)育,不再跟隨工作面的推進(jìn)而變化。當(dāng)開挖到180 m時,下分層距煤體不同距離發(fā)生塑性破壞的情況如圖2所示。從圖中可看出,在上分層底板以下3 m距離處(圖2a),工作面采空區(qū)發(fā)生拉張破壞和面狀剪切,周圍發(fā)生剪切破壞,導(dǎo)致煤體發(fā)生錯位移動,被強(qiáng)烈破壞,充分發(fā)育出貫穿裂縫裂隙。在上分層底板以下6 m距離處(圖2b),工作面采空區(qū)四周發(fā)生O型剪切破壞,中間部分局部主要發(fā)生拉張破壞,伴隨少數(shù)剪切破壞,當(dāng)破壞程度減弱時,煤體開始從劇烈破壞過渡至張裂破壞。在上分層底板以下9 m距離處(圖2c),只有采空區(qū)四周形成剪切破壞狀態(tài),中間區(qū)域幾乎未發(fā)生塑性變形,此時煤體擾動情況較輕微,在此層位布置鉆孔,并不會發(fā)生塌孔現(xiàn)象。在上分層底板以下12 m處(圖2d),唯獨(dú)在采空區(qū)的四周形成間斷式的剪切破壞,其他地點(diǎn)幾乎沒有發(fā)生破壞,擾動作用對煤體的影響很小。

分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在煤層底板以下6 m距離處,煤層被劇烈破壞,產(chǎn)生了大量的裂縫裂隙且相互貫通發(fā)育充分,在此層位施工千米定向鉆孔能充分?jǐn)r截借助豎向裂縫裂隙運(yùn)移至采空區(qū)中的卸壓瓦斯。在煤層底板以下6～9 m距離,煤體發(fā)生張裂破壞,鉆孔未受到嚴(yán)重破壞,仍可保留原本形狀,能高效率、較長時間抽采來自下分層的卸壓瓦斯,保障了下分層安全快速回采。在煤層底板以下9 m的距離,卸壓瓦斯自下而上運(yùn)移,在壓力差的影響下千米定向鉆孔將有效阻攔卸壓瓦斯,使瓦斯難以涌入到采空區(qū)。

(a)底板以下3 m

(b)底板以下6 m

(c)底板以下9 m

(d)底板以下12 m

4 現(xiàn)場試驗

借助VLD-1000型千米定向鉆機(jī)(澳大利亞產(chǎn))在205工作面回風(fēng)順槽和204輔助撤面道施工4個鉆場,來施工下分層不同范圍的千米鉆孔,鉆孔布置示意圖如圖3和圖4所示。

1-采區(qū)輔運(yùn)上山;2-采區(qū)皮帶上山; 3-采區(qū)回風(fēng)上山;4-204輔助撤面道圖3 鉆孔平面圖Fig.3 Plan of drilling holes

圖4 鉆孔剖面圖Fig.4 Profile of drilling holes

設(shè)計在每個鉆場施工1個主孔，每間距5 m設(shè)置4個分支鉆孔,鉆孔施工參數(shù)見表4。鉆孔成孔后實(shí)施擴(kuò)孔,擴(kuò)至直徑達(dá)到150 mm,利用聚氨酯進(jìn)行封孔,封孔長度為6 m,鉆孔直徑為96 mm。

表4 鉆孔設(shè)計參數(shù)Table 4 Design parameters of drilling holes

設(shè)計千米鉆孔長度在560 m范圍內(nèi),在成孔時瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)達(dá)到52%,聯(lián)網(wǎng)開始預(yù)抽時鉆孔瓦斯抽采量開始減小,到工作面開始回采時瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)是36%。工作面回采后,當(dāng)工作面推進(jìn)距離、鉆孔主孔長度和抽采負(fù)壓幾乎相同條件下,監(jiān)測距上分層3,6,9,12 m這4個鉆孔組的抽采濃度,如圖5所示。

圖5 隨工作面回采各鉆孔的抽采情況Fig.5 Drainage concentration of drilling holes on the working face

由圖5可知,當(dāng)4個鉆場與工作面距離為30 m時,鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均值在36%左右,同時呈現(xiàn)出逐步減小的趨向。隨著工作面回采推進(jìn),加快了支撐壓力的增高速度,煤體透氣性系數(shù)迅速下降,導(dǎo)致抽采量減小,但是抽采量減小程度隨著鉆孔所在層位不同而不同,當(dāng)鉆孔距上分層底板越遠(yuǎn),抽采瓦斯量減小越緩慢。當(dāng)鉆孔距回采工作面5～8 m時,抽采量下降到最低點(diǎn),這時下分層煤體位于應(yīng)力峰值區(qū),在高應(yīng)力的影響下,煤體被壓縮,內(nèi)部的裂隙裂縫部分閉合,煤體透氣性系數(shù)減小到最低點(diǎn)。當(dāng)鉆孔的深度增加時,下分層煤體的透氣性系數(shù)和抽采量最低值的滯后時間開始延長,滯后時間的最大值約等于工作面回采4.5 m的時間。通過應(yīng)力峰值區(qū)后,下分層煤體開始從應(yīng)力壓縮區(qū)轉(zhuǎn)為卸壓膨脹區(qū),形成卸壓增流效應(yīng),透氣性系數(shù)顯著提高。

鉆孔進(jìn)入到采煤工作面后方時,因為煤層底板發(fā)生卸壓破壞,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)升高至37.6%后就保持平穩(wěn)。原因是1#鉆場中的鉆孔受到破壞,發(fā)生塌孔現(xiàn)象,導(dǎo)致孔內(nèi)瓦斯不能被抽出,瓦斯抽采量再次返回初始狀態(tài),因此位于底板以下3 m距離處的鉆孔很難實(shí)現(xiàn)長期抽采瓦斯的目標(biāo)。而隨著工作面的回采,2#鉆場和3#鉆場中的鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)指數(shù)上升,最后升高至68%,表明采動礦壓沒有破壞鉆孔,鉆孔仍然具有一定的完整性,因此位于底板以下6～9 m范圍的煤體發(fā)生明顯的卸壓效果,產(chǎn)生了大量相互貫通的裂隙且發(fā)育很完全,煤體透氣性顯著增大,瓦斯抽采量可以長時間保持在較高水平,實(shí)現(xiàn)了千米定向鉆孔高效率、較長時間穩(wěn)定抽采下分層瓦斯的目標(biāo)。布置在底板以下12 m處的4#鉆場,當(dāng)工作面回采到-20 m距離時,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)升高至58%后就保持穩(wěn)定不變,并未發(fā)生明顯的卸壓增流效應(yīng),大量的瓦斯逸散到工作面的采空區(qū)中。根據(jù)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定報告,2#煤層有效抽采半徑為3 m,當(dāng)煤層底板發(fā)生卸壓破壞后抽采半徑會擴(kuò)大,若抽采鉆孔設(shè)置在下分層最底部,鉆孔有效利用時間將會減小。

綜上所述,工作面底板下6～9 m距離為某礦205工作面千米定向鉆孔布置的最佳層位,與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,此抽采技術(shù)為治理特厚煤層高瓦斯工作面提供了一定的借鑒。

5 結(jié)論

1)工作面底板以下裂隙帶的最大高度為13 m,此范圍內(nèi)下分層煤體處于破壞狀態(tài),會產(chǎn)生卸壓增流現(xiàn)象,下分層已泄壓瓦斯是工作面瓦斯的主要來源。

2)在工作面底板以下6 m范圍內(nèi),煤體發(fā)生嚴(yán)重破壞,底鼓明顯,此范圍內(nèi)的鉆孔容易被破壞,發(fā)生塌孔,難以實(shí)現(xiàn)長時間抽采瓦斯的目標(biāo);在工作面底板6 m以下區(qū)域內(nèi)千米定向鉆孔很少受到破壞,在6～9 m區(qū)域內(nèi)施工鉆孔能實(shí)現(xiàn)高效率、長期抽采下分層已卸壓瓦斯的目標(biāo),可有效保障上分層安全開采。

3)在工作面下分層布置千米定向長鉆孔能取代底板巖巷的上向網(wǎng)格式鉆孔,節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本,減少施工鉆孔的周期,保證有足夠鉆孔的抽采時間。