覆巖采動卸壓瓦斯高位鉆孔抽采技術＊

雙海清，王紅勝，2，李樹剛，2，杜政賢，由臨東，郭衛彬，2

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054;2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安710054)

0 引 言

低透氣性煤層工作面隅角瓦斯易超限，直接威脅著工作面安全高效回采［1-2］。針對低透氣性煤層瓦斯賦存特點，為解決隅角瓦斯超限難題，我國學者開展了卓有成效的工作［3-5］，特別是卸壓抽采技術［6-7］得到了廣泛應用。在回采擾動條件下，煤巖透氣性顯著增強，卸壓瓦斯經覆巖采動裂隙聚集在裂隙帶內［8-9］并形成了瓦斯富集區，如將高位鉆孔終孔布置在瓦斯富集區內，能有效提高瓦斯抽采效果。因此，準確掌握覆巖采動裂隙分布規律和確定高位鉆孔終孔合理位置是成功應用卸壓瓦斯抽采技術的關鍵［10-13］。

李雅莊煤礦為低透氣性高瓦斯礦井，2 -603工作面雖然采用了本煤層瓦斯抽采技術，因煤層透氣性低，抽采效果不佳，回采過程中上隅角瓦斯易超限，造成了工作面瓦斯管理困難。因此，文中基于2 -603 工作面地質條件，提出了在外錯高抽巷內布置高位鉆孔抽采2 -603 工作面覆巖采動卸壓瓦斯方法，開展了工作面覆巖采動裂隙及應力分布規律分析，確定了高位鉆孔終孔合理位置，有效提高了卸壓瓦斯抽采效果，解決了隅角瓦斯超限難題。

1 高位鉆孔抽采方法的提出

1.1 地質條件

2 -603 工作面位于六采區右翼最深部，東南部為井田邊界，西北部為未開采的2 -605 工作面。2 -603 工作面位于1、2 煤層的合并層，煤厚為3.14 ～3.70 m，平均為3.58 m;煤層一般含1 層夾矸，局部區域含2 層，以泥巖、炭質泥巖為主，屬復雜結構煤層。煤層傾角為5° ～16°，平均8°，采用走向長壁后退式一次采全高全部垮落綜合機械化采煤方法?；卷敒榧毶皫r，厚度為3.45 ～6.00 m;直接頂為砂質泥巖，厚度為0 ～2.87 m;偽頂為泥巖，厚度為0 ～0.30 m;直接底為粉砂巖，厚度為1.40 ～3.00 m;基本底為泥巖，厚度為1.50 ～2.70 m.

1.2 瓦斯賦存特征

2 煤原始瓦斯含量7.32 m3/t，計算工作面圈定范圍煤層瓦斯儲量為393 萬m3?？山馕咚沽繛?.70 m3/t，不可解吸量為1.62 m3/t;放散初速度ΔP 值為7.5，堅固性系數值為0.67，瓦斯壓力0.68 MPa;煤層極限吸附常數a 值為18.03 ～45.05 m3/t，b 值為0.409 ～0.638 MPa-1;煤的孔隙率為6.45 ～8.05%，2 煤透氣性系數為0.137 1 m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.006 5 ～0.008 9 d-1，屬于可以抽采煤層。

1.3 外錯高抽巷布置參數

高抽巷設計斷面為矩形，高、寬分別為3，3.5 m.高抽巷外錯2 -603 工作面24.5 ～26.38 m 布置，受2 煤起伏變化影響，高抽巷底板距2 煤頂板為17 ～29 m，平均約為25 m.

圖1 高位鉆孔圍巖結構力學模型Fig.1 Adjoining rock structural model of high level borehole

1.4 高位鉆孔抽采方法的提出

2 -603 工作面雖然采用本煤層鉆孔抽采、低位裂隙鉆孔抽采和工作面上隅角埋管抽采，但2 煤透氣性低，抽采效果不佳，工作面回采過程中，上隅角瓦斯易超限。為解決工作面隅角瓦斯超限難題，提出了在外錯高抽巷內布置高位鉆孔抽采2 -603 工作面覆巖采動裂隙瓦斯。在外錯高抽巷內鋪設抽采系統，鋪設φ280 mm 螺紋抽采管路1 420 m，在管路起始端分別安設控制閥門和孔板流量計各一組，以便于數據的測量及分析。

高位鉆孔圍巖結構力學模型如圖1 所示。從圖1 可知，受2 -603 工作面采動影響，卸壓瓦斯聚集在覆巖采動裂隙內，形成瓦斯富集區，為了有效抽采2 -603 工作面卸壓瓦斯，需將高位鉆孔終孔位置布置在覆巖瓦斯富集區內。因此，下面對2 -603工作面上端頭覆巖采動裂隙及應力分布規律進行較系統分析，為確定高位鉆孔終孔位置提供理論指導。

2 覆巖采動裂隙及應力分布規律分析

圖2 數值模型示意圖Fig.2 Model of numerical calculation

2.1 數值模擬建立

參照2 -603 工作面內L -70 鉆孔柱狀，采用數值模擬分析軟件UDEC2D4.0 建立數值計算模型，如圖2 所示。模型長為400 m，高為190 m，工作面采高為3.5 m，傾角8°，水平應力為9.22 MPa，垂直應力為14.49 MPa，側壓系數為0.636 3.模型下邊界垂直位移固定，左右邊界水平位移固定，圍巖本構關系采用Mohr-Coulumb 模型［14-15］。各巖層力學參數見表1.

2.2 端頭覆巖采動裂隙分布規律

工作面上、下端頭覆巖采動裂隙分布規律如圖3 所示。從圖3 可知，工作面端頭覆巖采動裂隙分布區域在上山采動角62°以內，下山采動角65°以內;垂直方向上主要集中在2 個區域，第一個區域距離底板13 ～25 m，上端頭側寬度約為65 m，距離采空區邊界12 m;第二個區域距離底板38.6 ～50 m，上端頭側寬度約為50 m，距離采空區邊界28 m.

從覆巖裂隙分布規律［10］可知，覆巖裂隙第一區域主要為冒落帶，距離工作面較近，漏風嚴重;覆巖裂隙第二區域主要為裂隙帶中上部。由瓦斯升浮特性及瓦斯運移規律可知，瓦斯主要集中在第二區域內。因此，為提高卸壓瓦斯抽采效果，應將高位鉆孔終孔位置布置在覆巖裂隙第二區域內。

表1 巖體物理力學參數Tab.1 Parameters for different rocks

2.3 上端頭覆巖采動應力分布規律

2 -603 工作面上端頭覆巖采動應力分布規律如圖4 所示。從圖4 可知，2 -603 工作面回采后，在上山采動角內為應力卸壓區，在實體煤壁側有應力集中區和應力恢復區。應力集中區主要分布在距實體煤壁側58 m，垂直高約90 m 的范圍內，其中應力大于28.0 MPa 區域主要集中在距實體煤壁側23.28 m，垂直高約為40.13 m 的不規則橢圓形范圍內。

從上端頭覆巖采動應力分布規律可知，覆巖采動應力受2 -603 工作面采動影響較大，為提高高位鉆孔成孔質量，滯后工作面布置高位鉆孔。

3 高位鉆孔終孔位置優化布置

3.1 試驗鉆孔布置參數

圖3 工作面端頭覆巖采動裂隙分布規律Fig.3 Mining-induced fracture distribution law of overlying strata at the end of coalface

圖4 上端頭覆巖采動應力分布規律Fig.4 Mining-induced stress distribution law of overlying strata at the upper end of coalface

從前面分析可知，為確保持續、有效抽采工作面覆巖采動裂隙卸壓瓦斯，需將鉆孔終孔位置布置在第二區域內。為確定鉆孔終孔更為合理位置，在外錯高抽巷內115#鉆孔附近由里向外滯后工作面15 m 依次布置6 個試驗鉆孔。其中，1 -1，1 -2 鉆孔傾角為17°，孔深為61 m，終孔位置高為44 m;2 -1，2 -2 鉆孔傾角為7°，孔深為57 m，終孔位置高為32.8 m;3 -1，3 -2 鉆孔傾角為-4°，孔深為55 m，終孔位置高為22 m;各鉆孔在采空區內的投影長度不得小于28 m。6 個孔呈扇形布置，孔口間距為5 m，開孔位置距離高抽巷底板為1 m.鉆孔直徑為113 mm.鉆孔布置參數如圖5 所示。

圖5 鉆孔布置方式圖Fig.5 Borehole layout parameters

3.2 高位鉆孔終孔位置確定

6 個試驗鉆孔瓦斯濃度監測結果如圖6 所示。從圖6 可知，1 -1，1 -2 鉆孔抽采時間最長，分別為42，39 d;鉆孔瓦斯濃度也最高，瓦斯濃度超過80%的天數分別為12，13 d，瓦斯濃度為50% ～80%的天數分別為17，3 d. 其它鉆孔抽采效果較1 -1，1 -2 鉆孔差，可見1 -1，1 -2 鉆孔設計參數合理。

圖6 試驗鉆孔抽采效果Fig.6 Test borehole extracted effect

因此，高位鉆孔終孔位置參照1 -1，1 -2 鉆孔參數進行設計。

4 工程應用

4.1 高位鉆孔布置參數

受2 煤起伏變化影響，鉆孔施工時應根據2 -6032 回風順槽和外錯高抽巷的相對高度，實時變更高抽巷抽采鉆孔的角度，確保鉆孔終孔位置位于2 煤頂板44 m 處，鉆孔在采空區內的投影長度不得小于28 m.鉆孔滯后工作面15 m 施工，鉆孔間距為1.8 m，孔口距高抽巷底板為1.0 m.鉆孔布置參數如圖7 所示。

圖7 抽采鉆孔布置參數Fig.7 Extraction borehole layout parameters

4.2 高位鉆孔抽采效果

2 -603 工作面回采期間，每班安排專人檢測高抽巷支管路及鉆孔瓦斯濃度和工作面上隅角瓦斯濃度，經過13 個月連續監測表明:高抽巷抽采支管路流量為90 m3/min，純瓦斯流量為16.6 ～28.3 m3/min，平均為22.3 m3/min;瓦斯濃度為18.4%～31.4%，平均為24.8%.抽采支管路同時連接15～20 個抽采鉆孔，鉆孔抽采時間可達20 ～40 d，鉆孔瓦斯濃度為10% ～65%，其中，濃度大于50%的天數占總抽采天數的比例為16% ～36%，30% ～50%的比例為23% ～50%.

自2014 年4 月份項目實施以來，工作面上隅角瓦斯濃度生產班為0.50% ～0.95%，檢修班為0.47% ～0.89%.其中4 ～7 月隅角瓦斯濃度變化規律如圖8 所示。

圖8 工作面上隅角瓦斯濃度變化規律Fig.8 Variation law of gas concentration at the upper corner angle

應用效果表明，有效降低了工作面上隅角瓦斯濃度，避免了隅角瓦斯超限，保障了工作面安全高效回采。

5 結 論

1)工作面端頭覆巖采動裂隙主要分布在上山采動角62°以內，下山采動角65°以內;垂直方向上主要集中分布在距離底板13 ～25 m 和38.6 ～50 m 等2 個區域。由瓦斯升浮特性及瓦斯運移規律可知，瓦斯主要集中在第二區域內。因此，為提高卸壓瓦斯抽采效果，應將高位鉆孔終孔位置布置在覆巖裂隙第二區域內。

2)6 個試驗鉆孔抽采效果表明，1 -1，1 -2 鉆孔抽采時間最長，抽采濃度最高，鉆孔終孔位于2煤頂板44 m 處是合理的。

3)確定了高位鉆孔終孔合理位置，受2 煤起伏變化影響，實時變更高抽巷抽采鉆孔的角度，確保鉆孔終孔位于2 煤頂板44 m 處，鉆孔在采空區內的投影長度不小于28 m，鉆孔滯后工作面15 m施工。

4)高位鉆孔抽采效果表明，2 -603 工作面高位鉆孔布置合理，鉆孔瓦斯濃度高且持續時間長，上隅角瓦斯濃度生產班、檢修班分別為0.50% ～0.95%，0.47% ～0.89%，有效降低了2 -603 工作面上隅角瓦斯濃度，避免了隅角瓦斯超限，保障了工作面安全高效回采。

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