基于采動覆巖裂隙特征的高位鉆孔優化與分析

尉 瑞，龔選平，程 成，白廷海

(1.中煤華晉集團有限公司，山西 河津 0433001；2.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

隨著我國煤礦開采深度及強度的不斷增加，深部開采成為煤炭資源開發常態[1]，隨之而來，煤層開采時瓦斯涌出量也逐漸增加，瓦斯災害也成為了我國煤礦安全生產主要制約因素之一[2]。高位鉆孔抽采對治理高瓦斯礦井回采過程中采空區瓦斯涌出效果有著明顯優勢[3]，而高位鉆孔位置的布置方式極大影響瓦斯抽采效率[4]。因此，研究采動覆巖裂隙帶演化對瓦斯優勢運移區影響規律可以為礦井瓦斯精準抽采提供理論支撐。

煤層在開采時，上覆巖層采后冒落使覆巖結構形成典型“三帶”結構[5]，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，隨著三帶發育導致煤巖體內遍布裂隙，而裂隙是瓦斯運移及滲流的主要通道[6]，因此掌握煤層開采覆巖裂隙演化規律和準確辨識“三帶”高度是優化抽采方法、確保煤層安全開采的基礎，也在生產中具有非常重要的意義[7-9]。采動裂隙帶演化及采空區上覆巖層中瓦斯運移規律的研究成果也很豐富。錢鳴高、許家林[10，11]提出了“關鍵層”理論、“O型圈”理論，并通過數學模型對上覆巖層垮落形成“O”型圈分布特征進行了描述。李樹剛[12]通過研究采動裂隙發育情況，提出了采動裂隙“橢拋帶”模型，并對采動影響下橢拋帶的動態演化進行研究；也有很多學者在此基礎上提出覆巖裂隙演化規律與瓦斯運移之間具有一定聯系。Danesh NN[13]、袁亮[14，15]、程遠平[16]等認為覆巖裂隙演化與瓦斯運移規律密切相關，并認為高位鉆孔可以有效抽采頂板裂隙帶內瓦斯富集區的高濃度瓦斯，耿銘[17]采用數值模擬和理論分析的方法對研究了地面L型鉆孔抽采瓦斯富集區內瓦斯的相關規律。胡千庭[18]、謝廣祥[19]等也通過物理實驗及數值模擬等方法對采動影響是采空區覆巖裂隙帶內瓦斯聚集的過程進行分析。

綜上，目前對采動影響下覆巖裂隙演化對瓦斯運移優勢區影響規律研究較少，因此為了提高瓦斯治理效果，需進一步探討工作面回采時覆巖采動裂隙演化對瓦斯運移優勢區影響規律。

為了更好的研究工作面回采時覆巖采動裂隙演化過程對瓦斯優勢運移區影響規律，本文采用物理相似試驗的方法對采動覆巖裂隙演化規律進行模擬研究，并通過試驗結果在王家嶺礦開展高位定向長鉆孔瓦斯抽采現場試驗，研究成果為采動覆巖裂隙擴展及瓦斯富集區辨識提供理論支持。

1 工程概況及物理模型建立

1.1 工程概況

選取山西王家嶺礦12322綜放工作面為試驗工作面，該工作面平均厚度6.2m，煤層結構簡單；傾向長度300m，煤層瓦斯含量平均在3.74m3/t。采煤方法采用長壁后退式采煤法，綜合機械化放頂煤工藝，工作面整體瓦斯含量較低，但由于高產高效導致工作面回采過程中瓦斯涌出異常。

王家嶺礦12322工作面主要采用高位定向長鉆孔及采空區埋管進行瓦斯治理，但對如何確定高位鉆孔最佳的布置位置來進行采空區瓦斯高效治理成為困擾煤礦安全生產的難題。

1.2 物理模型設計及方法

實驗采用物理相似模擬手段，對工作面推進過程走向方向的覆巖結構和裂隙演化規律進行模擬分析。物理模擬模型參數根據工作面實際煤巖層地質條件確定。

根據王家嶺礦12322工作面地質情況，見表1，建立物理相似試驗模型如圖1所示。

圖1 工作面物理相似模型

表1 巖層分布及其物理學參數

模型設計工作面走向開采長度200m，工作面兩端留設煤柱分別為10m，煤層開采高度6m，工作面推進速度6m/d。模型上方增加配重模擬未建模的上覆巖層壓力，并施加均勻載荷。在距煤層每隔10m布置一條測線，從下往上分別為測線1至測線9。開挖采用從左向右開挖，并且在開挖過程中記錄應力變化及各個測點的位移變化，以此分析覆巖裂隙發育情況，并對瓦斯運移優勢區行定量分析。

2 物理相似模擬分析

2.1 采動影響下覆巖移動規律

當煤層開采后，在采空區上方的覆巖由彈性狀態逐漸向塑性狀態轉變，當工作面推進到一定距離時，其上覆巖體發生移動、破斷及冒落，形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在冒落帶巖層斷裂成塊狀，因此在冒落帶內的測線下沉量較大，且同一測線不同測點下沉量波動較大。而裂隙帶巖層產生變形、斷裂和裂隙，但連續性較好，測點下沉量隨著測點位置的升高而變小，并且在裂隙帶內各個測線下沉規律相似。

工作面回采130m時模型各個測點的下沉值如圖2所示，冒落帶垮落后碎裂巖石呈現不規則狀，密實度差距較大，因而導致相同巖層下沉量差距也較大。對比分析各個測線下沉情況，可知測線1(距煤層10m)沉量為5～5.8m，位于冒落帶中下部，其最大下沉值基本上是位于來壓處；測線2(距煤層20m)，變形量較大，且與測線3至測線5呈現規律有所差異。而隨著冒落帶逐漸發育并被壓實后，裂隙帶的巖層連續性較強，下沉曲線較為規則，且各個測點下沉量比較同步，測線3(距煤層30m)、測線4(距煤層40m)、測線5(距煤層50m)下沉呈現規律相似，且同一測線幾乎無上下波動，且最大下沉量基本上是圍巖采空區的中部，測線越高其位移量越小，可以推測3測線之上為裂隙帶，從而可以確定冒落帶高度在距煤層底板30m以內。

圖2 煤層開采后覆巖位移分布

2.2 采動影響下煤層底板應力分布規律

通過底板的應力傳感器，可以對煤層正?；夭绕陂g底板應力分布情況進行實時監測，從圖3可以看出隨著正?；夭?，上覆巖層逐步周期性垮落后，底板應力呈現周期性變化。

圖3 工作面推進過程底板應力分布

工作面回采后，采空區應力明顯降低，工作面前方5～15m位置處應力集中，隨著開采的進行，采空區處頂板跨落，上覆巖層的應力通過采空區前后的煤體傳遞至底板，因此工作面前方和開切眼后方的應力值大于原巖應力，且隨著回采的進行，采空區處垮落的范圍越來越大，因此煤體內的應力最大值也隨著增大。

2.3 采動影響下覆巖裂隙演化特征

采動過程中上覆巖層裂隙形態分布如圖4所示。工作面推進過程中，隨著推進距離增加，覆巖裂隙通道高度也隨之增加，但增加到一定高度后，基本維持穩定。

圖4 周期來壓期間裂隙發育情況

2煤工作面開始回采時，直接頂隨著煤層開采直接冒落，而基本頂僅出現一定彎曲下沉，繼續回采后，基本頂離層間隙持續增大，當回采至55m時，基本頂斷裂，在煤層底板上部20m處出現離層裂隙，且裂隙充分發育并溝通了工作面及切眼處，此時發生初次來壓。工作面繼續推進后，基本頂持續發生彎曲下沉，直到回采至85m時，發生斷裂，并形成較大離層裂隙及破斷裂隙，此時發生第一次周期來壓。當工作面繼續推進至110m時，為了讓工作面上覆巖層裂隙進行充分發育，將模型靜置一段時間，在此過程中基本頂發生斷裂，并在底板正上方51m處出現較大的離層裂隙，表明發生了第二次周期來壓。當回采至135m時，發生第三次周期來壓，并且在此過程中，裂隙數量明顯呈增加趨勢，離層裂隙的長度和寬度也呈上升趨勢。

當關鍵層垮落，裂隙高度逐漸升高，離層裂隙擴展范圍也隨之增加，但其發展到一定高度后不會再升高，裂隙區最大高度維持在92.3m?？迓涓叨戎磷畲罅严陡叨戎g形成一定離層區，工作面上覆巖層斷裂形成很多破斷裂隙，破斷裂隙聯通后形成裂隙區，并且裂隙帶下部形成瓦斯富集運移區如圖5所示。

圖5 覆巖采動區域劃分

2.4 瓦斯富集運移區位置劃分

煤層回采后，采空區碎石冒落，充滿裂隙，且上覆巖層受采動影響且裂隙充分發育，形成一定的裂隙通道。裂隙通道受工作面通風影響后，具有一定的壓力梯度，壓力梯度影響，從而促進瓦斯在裂隙通道內流動，形成圖3(a)—(d)中所標識的瓦斯富集運移區，隨著開采活動的進行瓦斯富集運移區不斷變化。

隨著工作面的不斷推進，測量每次來壓后如圖3(a)—(d)所標識出的瓦斯富集區高度，并繪制瓦斯富集運移區變化規律如圖6所示。

圖6 瓦斯富集運移區高度變化趨勢

隨著工作面不斷向前推進，瓦斯富集運移區的高度也在隨之增加，但增加到一定程度后，增量減小。在初次來壓至第一次周期來壓時，瓦斯富集運移區的高度變化幅度較大，由初次來壓時優勢通道高度22m在第一次周期來壓后增加至40m，這是由于初次來壓步距較大，應力集中，破壞力強，裂隙發育充分，并在初次來壓及第一次周期來壓期間應力釋放。而隨后的周期來壓過程中，來壓步距穩定，瓦斯富集區域的寬度和高度發展也比較緩慢，最終瓦斯富集區最大高度基本穩定在52m以內。

工作面持續回采，裂隙帶發育穩定后，瓦斯抽采富集區偏向冒落帶上部及裂隙帶下部區域，如圖7所示，可以看出瓦斯富集區域維持在距煤層28～52m之間，因此若要對采動覆巖裂隙帶瓦斯富集區進行抽采應該布置在此范圍之內。

圖7 瓦斯抽采富集區域高度劃分

3 工程實踐

采空區覆巖裂隙帶瓦斯富集區抽采過程是在富集區范圍判定的基礎上進行抽采方法及參數設計。而富集區的高度及寬度判定是高效抽采的關鍵，將定向長鉆孔布置位置布置在瓦斯富集區域可有效抽采高濃度瓦斯，實現礦井安全生產。

根據前文分析，對高位定向長鉆孔軌跡及終孔位置進行設計優化，并在6號鉆場開始實施。

3.1 高位鉆孔布置及參數設置

現場資料顯示，主采工作面走向長度3307m，傾向長度304m，開采煤層厚度5.7～6.8m，高位定向長鉆孔鉆場布置在回風巷道的硐室內部。

鉆場內設計施工4個高位定向長鉆孔，單排布置，鉆孔孔徑133mm，鉆孔長度500m，6-1至6-3鉆孔高度布置在28～50m之間，鉆孔距巷幫距離布置在50m以內，并設計一個不在該區域的6-4鉆孔作為對比孔。并且距巷幫越遠鉆孔高度越高，布置參數如表2所示，高位定向長鉆孔布置如圖8所示。

表2 高位鉆孔布置參數表

圖8 6#鉆場高位定向鉆孔布置(m)

3.2 高位鉆孔抽采效果分析

通過對高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果進行實時監測，如圖9所示。從圖9(a)可以看出在工作面正?；夭蛇^程中，鉆場內四個高位鉆孔抽采效果6-1、6-2、6-3抽采效果均較好，而6-4抽采能力一直維持在0.5m3/min以下，表明6-4鉆孔布置高度偏低，而其他三個鉆孔布置在瓦斯富集運移區。

從圖9(b)可以看出，在抽采前期，通過周期來壓，頂板裂隙逐漸發育，抽采瓦斯量在逐漸升高，當裂隙發育到一定高度后，不在繼續向上發育，鉆孔位于裂隙帶瓦斯富集區，抽采效果持續穩定，高位定向長鉆孔抽采占瓦斯涌出量60%以上，在抽采后期，由于高位定向長鉆孔抽采處越接近鉆場處鉆孔高度及距巷幫距離越小，其抽采能力逐漸降低，從而抽采效果出現明顯下降。結果較好的驗證了瓦斯富集運移區范圍判定的準確性。

圖9 高位定向長鉆孔抽采效果

4 結 論

1)物理相似模擬結果表明，12322工作面回采后，冒落帶最大高度距煤層底板28m，裂隙帶高度在30～92.3m之間。裂隙帶瓦斯富集運移區高度隨著回采變化較大，但最終趨于穩定，瓦斯富集運移區穩定在28～52m。

2)根據模擬結果進行高位定向長鉆孔布置設計，設計三個鉆孔位于瓦斯富集運移區內，一個鉆孔在此區域外作為對比鉆孔，對比抽采結果表明，抽采期內位于瓦斯富集運移區的三個鉆孔抽采效果均較好，而位于富集區外的鉆孔抽采效果明顯低于其余三個鉆孔，煤層開采后瓦斯運移富集區范圍判定是合理的。

3)結合物理相似模擬結果知道現場高位定向長鉆孔的布置，對現場抽采效果進行分析，得到高位定向長鉆孔穩定抽采期間抽采瓦斯量占總涌出量的55%～75%，解決采空區覆巖裂隙帶內瓦斯問題保證工作面安全生產。