西銘礦下分層千米定向鉆孔合理終孔位置試驗研究

武偉

（山西西山礦業管理有限公司鉆探分公司 山西太原030000）

0 前言

導致煤礦事故高發最主要的因素之一是瓦斯，在礦井生產過程中，瓦斯抽采是實現礦井瓦斯災害治理及綠色開采的重要手段[1]。對于特厚煤層高瓦斯工作面使用分層開采技術時，其下分層的卸壓瓦斯通過穿層裂縫裂隙運移到上分層采空區中，導致工作面瓦斯超限，而因普通鉆孔難以實現抽采下分層的卸壓瓦斯[2]，因此特厚煤層高瓦斯工作面的瓦斯抽采遇到嚴峻挑戰。

目前國內主要通過采用尾巷、高位抽放巷、底板巖巷上向網格式鉆孔、地面鉆孔的高位鉆孔等抽采工藝治理特厚煤層高瓦斯工作面[3]，然而由于這些方法難以達到定向和長時間抽采下分層卸壓瓦斯，且經濟成本較高，抽采效果不佳，很難削弱下分層卸壓瓦斯對工作面的影響。本文以西銘礦205工作面為研究對象，以治理下分層卸壓瓦斯為目的，綜合研究工作面瓦斯來源、下分層卸壓瓦斯運移規律和底板破壞機理，通過理論計算和數值模擬得到千米鉆孔在工作面下分層中的合理終孔位置，并對比分析現場實測數據，給特厚煤層高瓦斯工作面的瓦斯治理奠定基礎。

1 下分層煤體卸壓及瓦斯運移規律研究

對于特厚煤層高瓦斯工作面使用分層開采方法時，采動的作用將直接影響到下分層，上分層的煤體發生上臌作用，破裂斷開產生穿層裂縫裂隙，形成上、下分層間的瓦斯運移通道[4]；下部少量煤體、底板巖層因不同的上臌量，大量的順層裂隙發生在層向薄弱面上，導致卸壓瓦斯通過交叉裂隙和離層裂隙流至相互貫通的裂縫裂隙中，最后運移到工作面采空區；因煤層中產生大量的交叉裂隙、穿層裂隙和順層裂隙，導致煤層的透氣性系數增大數倍[5]。伴隨工作面采空區的面積增大，垮落下來的覆巖逐步被壓實，應力開始恢復，使得下分層煤體的透氣性減小，但仍然很難達到原始狀態，煤層透氣性減小受限。在卸壓恢復這一過程中，打破了下分層原始的瓦斯賦存平衡條件，絕大多數的吸附態瓦斯轉化為游離態瓦斯，為下分層煤體使用千米鉆孔技術抽采瓦斯提供了條件。

因回采特厚煤層高瓦斯工作面上分層時，在下分層煤體將會形成“卸壓增流”現象，顯著提高的煤層透氣性，加快瓦斯“解吸—擴散—滲流”速度[6]。所以，實施千米定向鉆孔來高效率、大面積和長時間抽采下分層瓦斯是完全可能的。實施千米定向鉆孔工藝抽采下分層瓦斯時，需要結合下分層的卸壓瓦斯運移規律、采動裂隙場分布規律及塑性變形情況，以獲得千米定向鉆孔處于下分層的合理位置。在布置鉆孔時需重點注意：在豎直方向上，在“下分層裂隙帶”布置鉆孔，保證當底板發生周期性破壞時鉆孔不會發生塌孔破壞現象，達到鉆孔既可以預抽下分層瓦斯又可以高效率長時間抽采卸壓瓦斯的雙重目的[7]；在水平方向上，將鉆孔密集布置在“O”形圈區域內，在工作面采空區后方的壓實范圍內盡可能減少布孔，鉆孔的布置方式如圖1所示。

圖1 千米鉆孔布孔方式

2 工作面概況

2.1 工作面概況

西銘礦是西山煤電幾個高瓦斯礦井之一，主要開采2#、3#、8#、9#煤層，其中2#厚度為16.4 m～21.0 m，2#煤層屬于可以抽放煤層，透氣性系數為0.25 m2/(MPa2·d)～0.76 m2/(MPa2·d)。205工作面是大采高工作面，煤層平均傾角為4o，平均厚度達到19 m，絕對瓦斯涌出量為81.96 m3/min，相對瓦斯涌出量為17.43 m3/t，瓦斯壓力達到0.57 MPa～0.64 MPa，煤質較硬，堅固性系數1.96～2.8，千米鉆孔施工完成后成孔率較高。采用分層開采，其中上分層采高為6 m，全面垮落法管理頂板，工作面長度為200 m，可采走向長度為2 200 m。

2.2 工作面瓦斯來源分析

表1 205工作面瓦斯構成

在回采上分層煤體時，工作面采破煤強度大而集中，另外下分層煤體卸壓完全，原生裂隙裂縫互相貫通，大量的吸附態瓦斯轉化為游離態瓦斯。205工作面采空區瓦斯主要來源于下分層卸壓煤體。回采時工作面瓦斯來源分析見表1，從表1發現205工作面的瓦斯來源于工作面落煤和下分層大量的卸壓煤體。所以工作面瓦斯治理的重要方法：在回采工作面之前通過預抽下分層瓦斯，回采后抽采卸壓煤體瓦斯。

3 數值模擬

3.1 計算裂隙帶范圍

西銘礦2#煤層傾角小，205工作面地質構造簡單，在掘進巷道時只出現一個3.6 m落差的小斷層。所以借助經驗公式，分析計算下分層裂隙帶最大深度h1，最大裂隙帶深度距煤壁水平距離l0，即

式中：H—開采深度，m；φ—煤層內摩擦角，°。

工作面埋深H為580 m，內摩擦角φ為28°，代入式（1）、（2），計算得到h1=12.89 m，l0=6.85 m。結果證明，下分層煤體幾乎全部處于卸壓裂隙帶內。

3.2 下分層卸壓范圍

3.2.1 模型建立

利用數值模擬軟件FLAC3D模擬西銘礦2#煤上分層開采情況。模型坐標系參數見表2，煤巖體力學參數如表3所示。

表2 模型參數

表3 煤巖層參數

3.2.2模擬結果分析

借助FLAC3D軟件數值模擬下分層塑性變形及破壞規律，模擬結果得到塑性破壞的最大距離達到14.5 m，而采用公式計算得到的下分層裂隙帶最大距離為12.89 m，二者僅相差1.61 m，表明二者模擬幾乎符合現場實際。參考理論計算和數值模擬的數據，將205工作面下分層塑性破壞最大距離確定為13 m。

持續開挖到160 m時，下分層的塑性破壞停止向深部發育，不在跟隨工作面的推進而變化，當開挖到180 m時，下分層不同距離的煤體發生塑性破壞情況如圖2所示。從圖2得到：在上分層底板以下3 m距離（如圖2a所示），工作面采空區發生拉張破壞和面狀剪切，周圍發生剪切破壞，導致煤體發生錯位移動，被強烈破壞，充分發育了貫穿裂縫裂隙；在上分層底板以下6 m距離（如圖2b所示），工作面采空區四周發生“O”型剪切破壞，中間部分局部主要發生拉張破壞，伴隨少數剪切破壞，當破壞程度減弱時，煤體開始從劇烈破壞過度至張裂破壞；在上分層底板以下9 m距離（如圖2c所示），唯獨采空區四周形成剪切破壞狀態，中間區域幾乎未發生塑性變形，此時煤體發生輕微擾動，在此層位布置鉆孔，其不會發生實質性塌孔現象；當上分層底板以下12 m（如圖2d所示）時，唯獨在采空區的四周形成間斷式的剪切破壞，其他地點幾乎沒有發生破壞現象，擾動作用對煤體的影響很小。

圖2 不同深度塑性區變化情況

分析模擬結果發現：在煤層底板以下6 m距離，煤層被劇烈破壞，產生了大量的裂縫裂隙且相互貫通發育充分，在此層位施工千米定向鉆孔能充分攔截借助豎向裂縫裂隙運移至采空區中的卸壓瓦斯；在煤層底板以下6 m～9 m距離，煤體發生張裂破壞，鉆孔未受到嚴重破壞，仍可保留原本形狀，能高效率、較長時間抽采來自下分層的卸壓瓦斯，保障了下分層安全快速回采；在煤層底板以下9 m的距離，卸壓瓦斯自下而上運移，在壓力差的影響下千米定向鉆孔將卸壓瓦斯阻攔住，迫使瓦斯難以涌入到采空區。

4 現場試驗

在204輔助撤面道與205工作面回風順槽借助VLD—1000型（澳大利亞生產的）千米定向鉆機施工4個鉆場，來施工下分層不同范圍的千米鉆孔，鉆孔布置示意圖如圖3、4所示。

圖3 鉆孔平面圖

設計在每個鉆場施工1個主孔、4個分支鉆孔，分支鉆孔間距為5 m，鉆孔施工參數見表4。鉆孔成孔后進行擴孔，擴至直徑達到φ150 mm，利用聚氨酯進行封孔，封孔長度為6 m，鉆孔直徑為φ96 mm。

表4 鉆孔設計參數

設計千米鉆孔長度在560 m范圍內，在成孔時瓦斯抽采濃度達到52%，聯網開始預抽時鉆孔瓦斯抽采濃度開始減小，到工作面開始回采時瓦斯抽采濃度是36%。工作面回采后，當工作面推進距離、鉆孔主孔長度和抽采負壓幾乎相同條件下，監測距上分層3 m、6 m、9 m、12 m這4個不同鉆孔組的抽采濃度，見圖5。

由圖5得到：當4個鉆場距工作面30 m時，鉆孔抽采濃度均值在36%左右，同時呈現逐步減小的趨勢。伴隨工作面的不斷回采，加快了支撐壓力增高速度，煤體透氣性系數迅速降低，導致抽采濃度減小，但是抽采濃度減小程度隨著鉆孔所在層位不同而不同，當鉆孔距上分層底板越遠，瓦斯抽采濃度減小越緩慢。當鉆孔距回采工作面5 m～8 m時，抽采濃度下降到最低點，這時下分層煤體位于應力峰值區，在高應力的作用下，煤體被壓縮，內部的裂隙裂縫部分閉合，煤體透氣性系數減小到最低點。隨著鉆孔深度的增加，下分層煤體的透氣性系數和抽采濃度最低值的滯后時間開始延長，滯后時間的最大值約等于工作面回采4.5 m的時間。通過應力峰值區后，下分層煤體開始從應力壓縮區轉為卸壓膨脹區，形成“卸壓增流”效應，透氣性系數發生顯著提高。

圖5 隨工作面回采各鉆孔的抽采濃度

鉆孔進入到采煤工作面后方時，因為煤層底板發生卸壓破壞，瓦斯抽采濃度升高至37.6%后就保持平穩，原因是1#鉆場中的鉆孔受到破壞，發生塌孔現象，導致孔內瓦斯不能被抽出，瓦斯抽采濃度再次返回初始狀態，因此位于底板以下3 m距離處的鉆孔很難實現長期抽采瓦斯的目標；而隨工作面的回采，2#鉆場和3#鉆場中的鉆孔瓦斯抽采濃度呈現指數上升，最后升高至68%，表明采動礦壓沒有破壞鉆孔，鉆孔仍然具有一定的完整性，因此位于底板以下6 m～9 m范圍的煤體發生明顯的卸壓效果，產生了大量的相互貫通的裂隙且發育很完全，煤體透氣性顯著增大，瓦斯抽采濃度可以長時間保持在高濃度水平，實現了千米定向鉆孔高效率、較長時間穩定抽采下分層瓦斯的目標。布置在底板以下12 m處的2#鉆場，當工作面回采到-20 m距離時，瓦斯抽采濃度升高至58%后就保持穩定不變，并未發生明顯的“卸壓增流”效應，大量的瓦斯運移到工作面采空區中；根據瓦斯基礎參數測定報告，2#煤層有效抽采半徑為3 m，當煤層底板發生卸壓破壞后抽采半徑能擴大，若抽采鉆孔設置在下分層最底部，鉆孔有效利用時間將會減小。

綜上所述，西銘礦205工作面千米定向鉆孔布置的最佳層位為工作面底板以下6 m～9 m的距離，與數值模擬結果基本吻合，此抽采技術為特厚煤層高瓦斯工作面瓦斯治理提供一定的借鑒依據。

5 結論

（1）工作面底板以下13 m為最大裂隙帶高度，此范圍內下分層煤體處于破壞狀態，會產生卸壓增流現象，工作面的瓦斯主要來源于下分層的卸壓瓦斯。

（2）在工作面底板以下6 m距離，煤體發生嚴重破壞，底鼓明顯，此范圍內的鉆孔容易被破壞，發生塌孔，難以實現長時間抽采瓦斯的目標；在工作面底板以下6 m區域內千米定向鉆孔很少受到破壞，在6 m～9 m區域內施工鉆孔能實現高效率、長久抽采下分層卸壓瓦斯的目標，可有效保障上分層安全開采。

（3）在工作面下分層布置千米定向長鉆孔能取代底板巖巷的上向網格式鉆孔，節省經濟成本，減少鉆孔的施工周期，保證鉆孔的預抽時間。