倪 萌 劉 峰 劉祖太

（1.山東能源新礦集團(tuán)職工大學(xué)，山東 濟(jì)南 271100；2.山東萬祥礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 271100）

潘西礦工作面最大采深已達(dá)1100 m，煤層地應(yīng)力大，局部煤層瓦斯涌出異常。工作面需進(jìn)行應(yīng)力卸壓、瓦斯抽放和注水降塵措施，鉆孔的施工數(shù)量多、工作量大，多種鉆孔之間相互影響較嚴(yán)重。目前國內(nèi)外對應(yīng)力卸壓、瓦斯抽采、煤層注水降塵等三種防治技術(shù)有效結(jié)合的研究不夠系統(tǒng)，防治技術(shù)的相關(guān)研究相對較少，鉆孔的優(yōu)化布置研究急需開展[1-5]。

1 工程概況

6198工作面位于礦井-1100 m水平后六采區(qū)，開采19#煤層，平均煤厚2.6 m，平均煤層傾角27°，煤層走向95°～135°，煤層傾向5°～45°。掘進(jìn)期間共計(jì)揭露5處煤層異常區(qū)，主要表現(xiàn)為：煤層受斷層影響局部缺失、變薄，煤層結(jié)構(gòu)受擠壓錯(cuò)動(dòng)，煤層理不清，出現(xiàn)層間揉皺和滑動(dòng)鏡面；煤層頂?shù)装宄尸F(xiàn)協(xié)調(diào)或不協(xié)調(diào)褶皺、脆性或彈塑性斷裂，煤、巖層產(chǎn)狀變化大；煤層擠壓貫入頂?shù)装澹蝽數(shù)装邋e(cuò)斷壓入煤層；煤層呈現(xiàn)破碎的粒狀、鱗片狀、粉末狀等現(xiàn)象。

2 危險(xiǎn)區(qū)域劃分

6198工作面所處地層為單斜構(gòu)造，埋深984.8～1 215.5 m。該工作面構(gòu)造以斷層為主，根據(jù)沖擊地壓宏觀評價(jià)結(jié)果顯示，工作面沖擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)U=0.84，具有發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)。

3 多功能鉆孔參數(shù)研究

3.1 應(yīng)力卸壓鉆孔參數(shù)研究

根據(jù)潘西煤礦19#煤層賦存條件和6198工作面沖擊地壓高度危險(xiǎn)區(qū)建立數(shù)值模擬模型，模型四周邊界均固定水平位移，底端邊界固定垂直位移，頂端邊界施加均勻載荷。模型采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，模擬煤巖層上覆巖層自重為32 MPa，側(cè)向壓力系數(shù)為1。其中，卸壓孔直徑為110 mm，孔間距為3 m，孔深為20 m。

實(shí)施卸壓孔后，煤體應(yīng)力不均勻，鉆孔附近煤體由三向應(yīng)力變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度低于圍巖應(yīng)力，在孔洞周邊出現(xiàn)屈服、剪切等現(xiàn)象而形成塑性區(qū)。塑性區(qū)為近似圓形的區(qū)域，分布在卸壓孔周圍，塑性區(qū)直徑約390 mm，面積約0.12 m2。塑性區(qū)內(nèi)的煤體主要受到剪應(yīng)力作用，越靠近鉆孔的位置，變形破壞越嚴(yán)重，塑性區(qū)外的煤體由于遠(yuǎn)離鉆孔，受到鉆孔的影響較小，煤體變形較小，主要受到壓應(yīng)力作用。此次模擬的卸壓孔直徑為110 mm，塑性區(qū)直徑約為卸壓孔直徑的3.5倍。潘西煤礦鉆孔周圍塑性區(qū)范圍較大的原因是該礦19#煤比較松軟，施工卸壓鉆孔之后容易形成塌孔，為周圍煤體提供了卸壓擴(kuò)容空間。

為定量分析鉆孔周圍煤層應(yīng)力分布情況，提取鉆孔周圍沿煤層走向應(yīng)力曲線，如圖1?？梢钥闯鲈阢@孔附近應(yīng)力相較于原巖應(yīng)力明顯減小，每一個(gè)鉆孔附近應(yīng)力隨著距離的增大而逐漸增大，多個(gè)孔之間應(yīng)力出現(xiàn)了疊加。直徑為110 mm的卸壓孔單側(cè)顯著卸壓范圍為0.5 m，顯著影響范圍為1 m，該區(qū)域內(nèi)煤體應(yīng)力低于30 MPa，卸壓效果明顯；單側(cè)的卸壓范圍為1.5 m，卸壓孔最大影響范圍為3 m，如圖2。因此，潘西礦卸壓孔在高度危險(xiǎn)區(qū)布孔間距為1 m，一般危險(xiǎn)區(qū)布孔間距不應(yīng)超過3 m，結(jié)合煤礦沖擊地壓防治經(jīng)驗(yàn)，在中度危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔間距為2 m。

圖1 煤層卸壓孔周圍應(yīng)力分布曲線

圖2 單孔單側(cè)應(yīng)力分布曲線

3.2 瓦斯抽采參數(shù)研究

根據(jù)潘西煤礦煤層瓦斯含量較低的賦存特點(diǎn)，選取SF6作為示蹤氣體，在6198工作面上巷采用實(shí)測法進(jìn)行抽采半徑的測試。為全面考察抽采半徑大小及煤層注水對煤層抽采半徑大小的影響，測試鉆場包含1個(gè)注氣孔、4個(gè)檢測孔，所有鉆孔均為順層鉆孔，孔深不小于30 m，鉆孔孔徑94 mm，鉆孔封孔深度12 m。

經(jīng)過20多天的跟蹤檢測，距注氣孔1.5 m的2#檢測孔在第3天檢測到了SF6示蹤氣體，距注氣孔2 m的3#檢測孔在第6天檢測到了SF6示蹤氣體，距注氣孔2.5 m的4#檢測孔在第7天檢測到了SF6示蹤氣體，距注氣孔3 m的5#檢測孔在第10天檢測到了SF6示蹤氣體。

在煤層賦存條件一定的情況下，鉆孔抽采瓦斯影響半徑r（m）與抽采時(shí)間t（d）之間符合冪函數(shù)關(guān)系，即：r=AtB（1）

式中：r為抽采影響半徑，m；t為抽采時(shí)間，d；A、B為常數(shù)。

鉆孔觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出潘西煤礦19#煤層在抽放鉆孔直徑為94 mm的情況下的瓦斯抽采時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系式：

r=0.867t0.4054（2）

根據(jù)該規(guī)律預(yù)測瓦斯抽采鉆孔孔徑為94 mm，孔口負(fù)壓在不低于14 kPa的條件下連續(xù)抽采3 d影響半徑約為1.5 m，連續(xù)抽采6 d的影響半徑約為2 m，連續(xù)抽采18 d的影響半徑約為2.5 m。

3.3 煤層注水參數(shù)

以潘西煤礦6198工作面煤層物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)建立鉆孔注水模型，注水孔直徑為82 mm，注水壓力為3 MPa，得到注水后的煤層孔隙水壓力分布云圖，如圖3。

圖3 煤層注水孔周圍孔隙水壓力分布圖

注水之后，在煤層內(nèi)部形成了一個(gè)以注水孔為中心的滲流場，煤層孔隙水壓力以注水孔為中心呈輻射狀分布，距離注水孔越近，孔隙水壓力越高，受注水的影響越大。此外，孔隙水壓力圖在走向上的影響范圍略大于垂直煤層的方向，這是由于煤層的各向異性造成的，表明煤層在走向上的滲透性高于垂直煤層方向。

如圖4，注水孔兩側(cè)水壓呈指數(shù)降低，越靠近注水孔，降低速度越快，水壓力梯度越大。當(dāng)距離達(dá)到注水孔4 m處時(shí)，水壓力降至0。因此，6198工作面注水影響半徑約4 m，注水卸壓與防塵的有效范圍為注水孔周圍煤層走向上8 m以內(nèi)區(qū)域。

圖4 煤層注水孔周圍孔隙水壓力分布曲線

3.4 多功能鉆孔一體化技術(shù)

6198工作面卸壓鉆孔直徑為110 mm，在高度危險(xiǎn)區(qū)域布孔間距應(yīng)為1 m，中度危險(xiǎn)區(qū)域卸壓孔間距為2 m，一般危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔的布孔間距不應(yīng)超過3 m。直徑94 mm的瓦斯抽采孔最大抽采半徑為2.8 m，最大布孔間距應(yīng)為5.6 m，超過卸壓孔布孔間距。注水孔直徑為82 mm、注水壓力為3 MPa時(shí)，煤層注水影響半徑為4 m，因此，注水孔的最大布孔間距為8 m，也超過卸壓孔布孔間距。

綜上所述，如表1所示，就直徑為110 mm的煤體卸壓孔而言，其鉆孔尺寸超過瓦斯抽采孔和注水孔，且布孔間距小于二者。因此，可以利用110 mm孔徑的卸壓孔進(jìn)行瓦斯抽采和煤層注水，卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果，多功能孔的實(shí)施是可行的。

表1 不同類型鉆孔的影響范圍與布孔間距對比

4 多功能鉆孔效果研究

結(jié)合礦井現(xiàn)場實(shí)際條件，多功能鉆孔最重要的是滿足沖擊地壓防治的目的。通過選取6198工作面施工多功能鉆孔與傳統(tǒng)鉆孔區(qū)域，利用KJ21-Z沖擊地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析了多功能鉆孔與傳統(tǒng)鉆孔的卸壓效果。多功能孔施工前后，當(dāng)同時(shí)距離工作面120 m處時(shí)，施工多功能鉆孔前，埋深8 m的5組礦壓監(jiān)測探頭，礦壓監(jiān)測最大值穩(wěn)定在3.0～5 MPa之間；施工多功能鉆孔后，埋深8 m的5組礦壓監(jiān)測探頭當(dāng)距離工作面120 m時(shí)，五組鉆孔中的4組礦壓監(jiān)測最大值穩(wěn)定在1.8～3 MPa之間，最大值降低明顯。

多功能鉆孔布置前實(shí)測了煤層抽采影響半徑，得到了瓦斯抽采18 d以上時(shí)，19#煤層的瓦斯抽采可影響2.5 m，6198工作面瓦斯抽采有效半徑2.8 m，多功能鉆孔布置的最大間距為5.6 m。同時(shí)，對抽采鉆孔的瓦斯抽采流量、瓦斯抽采濃度進(jìn)行了跟蹤測量。根據(jù)跟蹤結(jié)果，鉆孔瓦斯抽采衰減速度快，瓦斯抽采第1天瓦斯抽采流量普遍可達(dá)0.7 m3/min以上，隨后瓦斯抽采量急劇降低，瓦斯抽采濃度低于10%以下。

煤層注水降塵的效果則與煤的含水率指標(biāo)密切相關(guān)，通過現(xiàn)場取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，注水壓力為3 MPa時(shí)的注水影響半徑，得出了煤層最佳注水半徑約為4 m。因此，多功能鉆孔的布置間距可以滿足煤層注水影響半徑的需求，不會留下空白帶。

5 結(jié)論

（1）孔徑為110 mm的卸壓孔在高度危險(xiǎn)區(qū)、中度危險(xiǎn)區(qū)和一般危險(xiǎn)區(qū)的鉆孔間距為1 m、2 m、3 m，煤層卸壓孔的間距、孔徑滿足工作面超前卸壓的要求，同時(shí)，卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果，多功能孔的實(shí)施是可行的。

（2）抽放鉆孔直徑為94 mm的情況下瓦斯抽采時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系式為：r= 0.867t0.4054，孔口負(fù)壓在不低于14 kPa的條件下連續(xù)抽采3 d影響半徑約為1.5 m，連續(xù)抽采6 d的影響半徑約為2 m，連續(xù)抽采18 d的影響半徑約為2.5 m，卸壓孔間距滿足瓦斯孔的要求。

（3）煤層注水影響半徑約4 m，注水卸壓與防塵的有效范圍為注水孔周圍煤層走向上8 m以內(nèi)的區(qū)域，多功能鉆孔的布置間距可以滿足煤層注水影響半徑的需求，不會留下空白帶。

（4）采用110 mm孔徑的卸壓孔可以進(jìn)行瓦斯抽采和煤層注水，卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果，降低了鉆孔施工成本，且效果顯著。

（5）通過對6198工作面應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害治理方法研究與實(shí)踐，提出了深部沖擊地壓煤層開采條件的災(zāi)害防治措施、在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害綜合防治體系，為深部開采應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害防治提供了切實(shí)可行的方案。