趙子健，田 鵬

(1.晉能控股煤業(yè)集團 大通煤礦，山西 高平 048000；2.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司(晉城) 技術(shù)中心，山西 晉城 048006)

高瓦斯礦井在巷道掘進(jìn)、回采期間，需要進(jìn)行瓦斯抽采以達(dá)到安全采掘的目的。因此，在煤體中需要布置大量的瓦斯抽采鉆孔，而大量抽采鉆孔的布置往往會損傷、破壞煤體。以往在進(jìn)行高瓦斯煤層巷道錨桿支護(hù)形式與參數(shù)設(shè)計時，均未考慮抽采鉆孔、瓦斯壓力、瓦斯抽采對煤體強度、結(jié)構(gòu)、煤層錨固特性以及支護(hù)構(gòu)件受力特性產(chǎn)生的影響，關(guān)于瓦斯抽采對巷道支護(hù)效果的影響缺乏專門和有針對性的研究，導(dǎo)致高瓦斯煤層巷道支護(hù)出現(xiàn)支護(hù)失效現(xiàn)象[1]。

山西某礦主要采取地面鉆井抽采瓦斯、千米鉆機大面積區(qū)域性預(yù)抽采、掘進(jìn)過程中鉆場和橫川超前鉆孔抽采等瓦斯抽采措施，為采掘創(chuàng)造條件[2]。由于巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中瓦斯抽放密度和抽放力度較大，導(dǎo)致煤體內(nèi)裂隙貫通，對煤體的完整性和承載能力造成了一定程度的損傷[3]。本文從瓦斯抽采鉆孔施工的直徑、抽采鉆孔的布置密度兩個方面展開研究，揭示瓦斯抽采鉆孔直徑、密度對巷道煤體的影響。

1 抽采鉆孔直徑的影響

以山西某礦東五盤區(qū)的地應(yīng)力情況為背景建立模型，采用單一模式力學(xué)計算，垂直主應(yīng)力為6.05 MPa，最大水平主應(yīng)力為12 MPa，最小水平主應(yīng)力為6.23 MPa。模型長寬均為0.7 m，如圖1所示。

圖1 抽采鉆孔數(shù)值模型

模擬方案一：抽采鉆孔垂直最大水平主應(yīng)力，模擬不同直徑(80 mm、100 mm、120 mm)條件下，巷道掘進(jìn)期間、一次工作面采動影響和二次工作面采動影響后瓦斯抽采鉆孔圍巖破裂情況，見圖2。

圖2 方案一模擬結(jié)果

模擬方案二：抽采鉆孔垂直最小水平主應(yīng)力，模擬不同直徑(80 mm、100 mm、120 mm)條件下，巷道掘進(jìn)期間、一次工作面采動影響和二次工作面采動影響后瓦斯抽采鉆孔圍巖破裂情況，見圖3。

由圖2～圖3中分析可知：

1) 當(dāng)抽采鉆孔垂直最大水平主應(yīng)力布置時，鉆孔受尺寸和圍巖應(yīng)力兩個因素影響顯著。考慮兩者中單一因素影響，即鉆孔直徑增大或圍巖應(yīng)力升高，鉆孔周圍煤體的破壞范圍均呈現(xiàn)遞增趨勢。這種布置方式下，巷道掘進(jìn)動壓影響后鉆孔孔壁即發(fā)生明顯破壞，且隨著鉆孔直徑增大(80 mm→100 mm→120 mm)，破壞程度加大，破壞范圍達(dá)到1.5D(D為鉆孔直徑)。一次采動影響后，孔壁破壞程度達(dá)60%～70%，鉆孔破壞范圍達(dá)到2D；二次采動影響后，孔壁完全破壞，并出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，鉆孔破壞范圍達(dá)到2.5～3D。

2) 當(dāng)抽采鉆孔垂直最小水平主應(yīng)力布置時，與方案一相比，鉆孔受尺寸和應(yīng)力兩個因素影響程度小，但規(guī)律一致，即隨著鉆孔直徑增大或圍巖應(yīng)力升高，鉆孔周圍煤體的破壞范圍均呈現(xiàn)遞增趨勢。這種布置方式下，巷道掘進(jìn)動壓影響后鉆孔孔壁未發(fā)生明顯破壞。一次采動影響后，孔壁破壞程度達(dá)40%～50%，鉆孔破壞范圍達(dá)到1.5D；二次采動影響后，鉆孔破壞范圍達(dá)到2D。

2 抽采鉆孔密度的影響

瓦斯抽采鉆孔對煤體的損傷破壞，除了受鉆孔直徑影響外，還與抽采鉆孔的密度有關(guān)。

在負(fù)壓為10 kPa、實際地應(yīng)力和孔徑為94 mm條件下，探討不同瓦斯抽采鉆孔密度(排距1 m、3 m、5 m、7 m)時，瓦斯抽采孔周邊濃度變化和抽采影響范圍。從現(xiàn)場試驗可以得出：

1) 在相同應(yīng)力條件下，多個抽采孔的應(yīng)變會比單個抽采孔應(yīng)變大，也就是煤體壓縮的量更大，同時最大應(yīng)變點也是應(yīng)力集中的位置。然而孔距對于應(yīng)變的影響不大，這是由于孔徑和孔距相比差了兩個數(shù)量級的緣故，所以可以忽略不計。

2) 孔距為1 m時，對于兩孔中間的煤體抽采效果是最好的，隨著孔距的提升，兩孔中間的煤體的瓦斯壓力也是增加的，這也說明了多個抽采孔對于瓦斯抽采的效率是有很大提升的。為了更好地對比抽采效率，取中間兩抽采孔連線的中心點作為參考，通過比較相同抽采時間內(nèi)該點的瓦斯壓力，來對比得到抽采效率[4]。具體數(shù)值如表1所示。

表2 瓦斯壓力數(shù)據(jù) MPa

從表2可以看出，孔距為1 m時抽采效率是最高的，抽采60 d煤體就達(dá)到1.11 MPa，而孔距7 m抽采了360 d也只有2.19 MPa。同時也發(fā)現(xiàn)，隨著孔距的增加，抽采效率的下降趨勢越來越緩，孔距1 m和孔距3 m到60 d時的抽采效果相比差了4倍(分別從2.6 MPa下降到1.11 MPa和2.28 MPa)，而孔距3 m到孔距5 m的抽采效果差了只有1倍左右。所以可以得出3 m是兼顧經(jīng)濟效益和抽采效率的間距[5]。

3 結(jié) 語

1) 通過瓦斯抽采鉆孔數(shù)值模擬分析，僅考慮鉆孔施工單一因素，隨著鉆孔尺寸和圍巖應(yīng)力的增大，鉆孔周圍煤體的破壞范圍逐漸增大。以山西某礦東五盤區(qū)為例，最大水平主應(yīng)力為東西向，工作面東西布置，工作面瓦斯抽采鉆孔垂直最大水平主應(yīng)力打設(shè)，一次采動影響后，鉆孔周圍破壞范圍達(dá)到2D，二次采動影響后，鉆孔周圍破壞范圍達(dá)到2.5～3D。

2) 在相同應(yīng)力條件下，多個抽采孔的應(yīng)變會比單個抽采孔應(yīng)變大，即煤體壓縮的量更大，同時最大應(yīng)變點也是應(yīng)力集中的位置。然而，由于孔徑和孔距相比差了兩個數(shù)量級的緣故，孔距對于應(yīng)變的影響不大，可忽略不計。

3) 隨著抽采孔距的增加，抽采效率的下降趨勢越來越緩[6]。以山西某礦東五盤區(qū)為例，抽采鉆孔間距為3 m時，經(jīng)濟效益和抽采效率最佳。