近距離下保護層工作面穿層鉆孔抽采效果分析

閆學太

(平煤神馬建工集團有限公司，河南省平頂山市，467000)

保護層開采是煤礦瓦斯治理最有效、最經濟的技術措施。在強突出單一煤層條件下，開采煤層頂板或底板薄煤層及松軟泥巖，人為創建保護層開采條件是眾多研究者關注的焦點。厚煤層近距離底板薄煤層開采后，開采層頂板裂隙分布特性對開采層本身的瓦斯治理及被保護層瓦斯治理方式有重要的影響。

錢鳴高院士在對我國開采層覆巖破壞特性研究的基礎上，提出巖層控制的關鍵層理論，為研究巖層內部移動的動態過程和巖層采動裂隙動態分布規律提供了強有力的理論工具；李樹剛教授等通過相似模擬試驗分析了采動后覆巖關鍵層活動特征對裂隙帶分布形態的影響，提出上覆巖層中破斷裂隙和離層裂隙貫通后在空間形成橢拋帶分布特征；程遠平、俞啟香、袁亮等運用數值模擬和現場試驗相結合的研究方法，研究上覆遠程卸壓巖體移動和裂隙分布以及遠程卸壓瓦斯的滲流流動特性，提出了符合遠程卸壓瓦斯流動特性的遠程瓦斯抽采方法；石必明、俞啟香、周世寧等通過對緩傾斜煤層保護層開采遠距離煤巖破裂變形的研究，得出覆巖垮落及裂隙演化規律；石必明、俞啟香教授基于相似材料模型試驗，應用非接觸式數字近景攝影技術研究遠距離保護層開采過程中覆巖微變形移動特性，得出在遠距離保護層開采時，被保護層位于彎曲下沉帶內，它在一定范圍內發生膨脹變形，引起煤層透氣性增大的特性。這些研究指出了保護層開采條件瓦斯流動路徑和規律，但對于近距離巖石保護層開采后，其頂板裂隙狀況是否仍適用尚無明確認識。

1 試驗地點概況

平煤股份十礦己四采區己15-16和己17為可采煤層，煤層間間距為4.3 m，均為低透氣性突出煤層。距離己17煤層底板12.9 m的己18屬非突出煤層，賦存厚度約為0.4 m。為對主采煤層進行消突，平煤股份十礦在己18煤層布置己-24130巖石保護層工作面作為己15-16和己17煤層的下保護層。己-24130巖石保護層工作面走向長709 m，傾斜寬157～160.5 m，切眼斜長156.8 m，煤層傾角5.9°～13.2°，平均傾角9.5°，采高1.8 m。考慮到己-24130工作面的降溫及瓦斯管理，工作面采用“兩進一回”Y型下行通風方式：工作面回采區域兩條巷道均為進風，己-24150工作面的切眼及下進風巷作為己-24130工作面的回風巷，己-24130工作面下進風巷沿空留巷。工作面布置如圖1所示。

圖1 試驗工作面布置

2 巖石保護層頂板裂隙分布特征

根據己-24130巖石保護層工作面的實際情況，對己-24130巖石保護層工作面頂板裂隙及“三帶”進行了模擬分析，如圖2所示。

由圖2可以看出，頂板“三帶”具體特征如下：

(1)垮落帶。己18煤線工作面頂板垮落帶最大發育高度約為8.2 m，是工作面采高的4.6倍。垮落帶下部巖層為不規則垮落，上部巖層為規則垮落，在開切眼和工作面附近均有向采空區方向發育的斷裂包絡線，兩條包絡線分別與水平夾角為64°、68°且兩側基本對稱。上進風巷煤層傾斜未卸壓范圍為8 m，其卸壓角為67°，下進風巷煤層傾斜未卸壓范圍為11 m，其卸壓角為60°。

(2)裂隙帶。己18煤線工作面頂板裂隙帶的最大發育高度約為29.7 m，是工作面采高的16.5倍。由于裂隙帶整體范圍較大，在裂隙帶的中、下部區域橫向、豎向裂隙絕大部分均相互連通，具備良好的透氣、導水性，稱為貫穿裂隙帶；在裂隙帶上部區域雖然同樣存在橫向、豎向裂隙相互連通的現象，但是與裂隙帶中、下部相比，裂隙連通的廣度與寬度都相對較小，稱為非貫穿裂隙帶。己15-16煤層位于己18煤線開采產生的裂隙帶中、下部，其整體性不會受到破壞，但己15-16煤層及其圍巖均具有高度的裂隙發育程度，大量瓦斯將得到釋放，進入開采巖石工作面的采空區，若不采取合理的瓦斯治理措施，將進入作業巷道，對安全生產構成威脅。

(3)彎曲下沉帶。己18煤線工作面的彎曲下沉帶為裂隙帶頂部直至地表，該帶內巖層移動、沉陷過程是連續、規律的，并保持一定的整體性和層狀效果，在豎直方向上，各層間移動值相差很小。

3 下進風巷頂板巖層斷裂位置

為減少工作面上覆的己15-16和己17煤層瓦斯在工作面回采時涌入工作面，在己-24130工作面下進風巷布置穿層鉆孔，抽采己15-16和己17煤層卸壓瓦斯。

下進風巷側頂板巖層破斷位置對穿層鉆孔抽采有很大的影響，為此在下進風巷預先施工穿層鉆孔，通過考察穿層鉆孔抽采瓦斯濃度變化判定破斷位置。

3.1 鉆孔布置

根據理論分析，己24130工作面開采后，其頂部巖層發生破斷，破斷平面將切割穿層鉆孔。為此設計了不同仰角的穿層鉆孔，每排布置13個鉆孔，沿工作面傾向布置；沿工作面走向，每5 m布置1排，如圖3所示。根據理論分析，1#～7#鉆孔終孔位于下進風巷下幫及巷道頂部，巖石破斷平面將不會直接切割這些鉆孔，鉆孔被切割情況重點分析8#～13#鉆孔。

3.2 鉆孔抽采瓦斯變化特征

己24130工作面下進風巷共布置120組穿層鉆孔。當工作面推采46 m時，頂板已經完成初次垮落。第113～120組鉆孔均處于采空區。其中，第114組距初切眼約30 m，距工作面約15 m；第115組距初切眼約25 m，距工作面約20 m，均處于采空區中部，鉆孔抽采受頂板破斷影響顯著。對其進行鉆孔瓦斯濃度分析，可以較好地分析頂板破斷情況。第114組和115組鉆孔抽采瓦斯濃度情況如圖4所示。

圖3 穿層鉆孔布置圖

圖4 第114組和115組鉆孔抽采瓦斯濃度情況

由圖4(a)可以看出，該組鉆孔明顯的特征是：鉆孔位于工作面前方時，抽采瓦斯濃度不高，約20%左右；隨著鉆孔距工作面距離的減小，鉆孔抽采瓦斯濃度也下降，這是受工作面前方應力集中的影響，煤體透氣性降低；當鉆孔在工作面前方約5 m至后方20 m左右時，6#和7#鉆孔抽采瓦斯濃度迅速上升并保持抽采高濃度瓦斯，這是卸壓增透效應的體現。但上幫仰角較小的8#～13#鉆孔隨著工作面的推進以致進入采空區均未能抽采高濃度瓦斯，這是因工作面前方應力集中時，鉆孔已經受壓破壞。

由圖4(b)可以看出，該組鉆孔明顯的特征是：7#、8#和9#鉆孔在工作面影響區域以外時，抽采的是原始煤層瓦斯，濃度在20%左右；進入采動影響區域，抽采的瓦斯濃度迅速上升，甚至超過90%，但高濃度持續時間不長，不超過20 d。當鉆孔進入采空區位置，距離工作面約15 m左右，8#鉆孔瓦斯濃度出現了再一次的上升，表明8#鉆孔未受采動影響破壞，抽采的是被保護的己17、己15-16煤層卸壓瓦斯。但9#及角度更小的鉆孔因抽采瓦斯濃度過低而關閉。應該是這些鉆孔受采動影響發生了破壞，與采空區漏風聯通導致抽采瓦斯濃度過低。

按設計參數施工的8#穿層鉆孔，鉆孔仰角約59°±5°，與相似材料模擬得到的斷裂角相近，既能避開受采動影響而破壞，又能抽采到被保護的己17煤層和己15-16煤層的瓦斯，是最佳鉆孔。

4 結論

(1)垮落帶。己18煤線工作面頂板垮落帶最大發育高度約為8.2 m，為工作面采高的4.6倍。下進風巷煤層傾斜未卸壓范圍為11 m，其卸壓角為60°。

(2)下進風巷鉆孔角度小于60°的穿層鉆孔，在采空區抽采濃度很低，說明鉆孔被冒落巖層斷裂而與采空區連通，失去了抽采上覆煤層卸壓瓦斯作用。

(3)下進風巷鉆孔仰角介于6#與8#鉆孔之間(59°～80°)的鉆孔在采空區未被破壞，與采空區連通程度較低，是抽采上覆煤層卸壓瓦斯最佳角度。

參考文獻：

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