基于覆巖裂隙發育規律的高位鉆孔合理布置研究

2021-05-19 01:31:52胡晉林王栓林張志榮

煤炭工程 2021年5期

胡晉林，趙晶，王栓林，張志榮

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭研究總院)，北京 100013)

煤炭作為我國的基礎能源，在國民經濟中占有很大的比重，其在回采過程中由于采動影響，極易引發覆巖移動及應力重構，從而導致裂隙大量發育，滋生礦井瓦斯災害[1，2]。采空區由于其固有的特點，是鄰近層瓦斯與采空區遺煤瓦斯的溫床，為礦井安全高效回采帶來了挑戰。工作面回采過程中，覆巖裂隙發育形成瓦斯通道，鄰近層瓦斯由通道不斷的向采空區移動，同時由于礦井回采過程中存在遺煤現象，也為采空區帶來了大量瓦斯；另外，上隅角作為礦井風流導通的自然盲區，導致大量瓦斯在該處積聚，給上隅角瓦斯治理帶來難點[3-8]。

現階段針對采空區瓦斯問題有多種舉措，按經濟投入可以分為地面瓦斯井、高抽巷、定向長鉆孔等高投資措施以及上隅角插管、上隅角埋管、高位鉆孔等低投入措施，各個措施因其優點被廣泛地應用在各大礦井。其中袁亮[9]等以淮南礦業和澳大利亞的應用實踐，開展了大直徑地面鉆井提高瓦斯抽采效果的理論與技術研究；肖峻峰，樊世星等[10]就高瓦斯近距離煤層群這一礦井特點對傾向高抽巷的布置進行了優化；李秀明[11]針對采空區瓦斯來源特點，就高位定向鉆孔布置技術，分析了其發展趨勢；胡晉林[12]就申南凹煤礦特有的礦井地質條件，研究了高位鉆孔的布置方法，保證了礦井安全高效回采；于寶種[13]以黨家河煤礦為研究背景，分析了不同插管深度對瓦斯抽采效果的研究。綜合文獻發現，在高位鉆孔布置過程中，存在鉆孔布置數量多，抽采效率低下的特點。基于此，本文通過相似模擬、理論分析及現場試驗等方法，以申南凹煤礦20102綜采工作面為研究背景，就高位鉆孔合理布置、高效抽采以及降低經濟投入為目標進行研究，以期為同類型礦井起到指導作用，保證礦井安全高效回采。

1 工作面概況

申南凹煤礦20102綜采工作面開采2號煤層，傾角平均5°，回采區域內為近水平煤層，走向長度1286m，傾斜長度為180m，平均厚度為3.84m，采用綜合機械化一次采全高采煤方法。工作面采用“U”型通風方式，風量為1950m3/min，煤層瓦斯壓力為0.04～0.14MPa，瓦斯含量為3.08～6.22m3/t，殘余瓦斯含量為2m3/t。煤層賦存結構相比較簡單，頂板以泥巖、細砂巖為主，交替分布，工作面周邊無采空區，回采過程不受影響。

2 回采過程中覆巖裂隙發育規律模擬

2.1 相似模擬實驗建立

根據申南凹煤礦礦井開采背景，以相似理論為基礎，確定搭建幾何相似常數為200，容重相似常數為1.6，應力相似常數為320，時間相似常數為14.1，載荷相似常數為1.28×107，泊松比常數為1的二維相似模擬實驗模型。上覆巖層模擬材料以清洗河沙為模擬主料，部分煤層及泥巖選用粉煤灰作為主料進行模擬，石膏與大白粉用作補充模擬煤巖層硬度，以期提高模擬度。各種材料按不同配比混合制作模型，分層鋪墊達到模擬覆巖效果。模型力學參數見表1，其中底板不是研究的主要部分未做模擬，將2號煤層直接與實驗架接觸。本次實驗設計長×寬×高=3000mm×200mm×1200mm，兩邊預留長度為500mm的邊界煤柱，覆巖上部未及巖層由鐵磚等效代替。受實際實驗過程中的技術限制，以實驗一次采全高20mm(開挖19.2mm難以控制，且影響相對可以忽略)模擬礦井實際開采3.84m，位移、應力、裂隙發育狀況等實時記錄。

表1 相似模擬實驗力學參數

2.2 回采過程中覆巖裂隙發育規律分析

實驗過程中，共記錄了工作面回采150m過程中，覆巖裂隙的發育規律，如圖1所示。通過對實驗過程分析可知，工作面回采過程中，覆巖裂隙呈現動態變化過程。回采初期隨著煤層開采，覆巖整體應力平衡受到破壞，應力向下作用，橫向裂隙發育，煤巖層受力加大，巖層出現破壞，縱向裂隙發育進而形成大范圍擴張裂隙區。隨工作面推進已經形成的裂隙區開始閉合，并且周期性的向前發展。因此，抽采重點在于確定裂隙擴張區的發育規律，從而確定高位鉆孔的布置位置，以期達到高效抽采的目標。通過分析圖1可知：

圖1 工作面回采過程中覆巖裂隙發育規律模擬結果

1)工作面回采至46m處，橫向裂隙以及縱向裂隙大量發育，直接頂超過其最大承重范圍，開始出現梁式結構破斷，頂板開始垮落并產生初次來壓。

2)工作面回采至54m時，鉸接結構大量形成，新的裂隙大量發育，隨后發生結構失穩破壞，右側覆巖破斷角為55°左側為68°，頂板周期來壓。

3)工作面回采至86m時，覆巖裂隙大量向上發展關鍵層隨即發生破壞，右側覆巖破斷角為58°左側為60°，初期形成的裂隙擴張區壓實，并向前發育。

4)工作面回采至150m時，右側覆巖破斷角為55°左側為60°，可見裂隙擴張區移動明顯，整體裂隙移動規律顯現。

2.3 回采過程中覆巖裂隙擴張區發育規律分析

通過相似模擬結果分析，選取回采過程中覆巖7次來壓分布規律，如圖2所示，由圖2可知，隨工作面回采覆巖裂隙擴張區隨裂隙帶高度升高呈現增高趨勢，隨裂隙帶高度發展趨于平穩呈現穩定向前發育狀態。通過對結果分析可知裂隙帶發育高度最大為52m。

圖2 工作面回采過程中覆巖裂隙擴張區分布

學者認為單一煤層開采過程中，裂隙帶發育高度的確定可以借鑒導水裂隙帶高度計算方法[14]。因此，本文以前蘇聯學者格維爾茨曼[15]提出的全部垮落法采煤時導水裂隙帶發育高度計算公式(見下式)為基礎，驗證相似模擬實驗結果，從而得出準確的裂隙擴張區發育結果。

式中，K1為極限曲率；q0為最大下沉系數；M為工作面采高，m；Hs為裂隙帶發育高度，m；δ0為巖層移動的極限角，(°)；φ3為充分采動角，(°)。該公式[15]可以簡化為下式：

通過上式計算確定申南凹裂隙帶發育高度為30.72～46.08m，與相似模擬結果基本吻合，所以證明相似模擬的準確性。

3 高位鉆孔布置及抽采效果分析

裂隙擴張區為覆巖裂隙高度貫通區域，該區域裂隙大量發育，是鄰近層與采空區瓦斯的通道，具有瓦斯濃度大等特點，是高位鉆孔的布置區域。

3.1 高位鉆孔布置參數

高位鉆孔的布置高度基于裂隙擴張區發育高度確定，距回風巷水平距離可依據覆巖垮落角確定。綜合前文相似模擬裂隙帶最高發育到52m以及理論分析裂隙帶高度為30.72～46.08m，確定試驗鉆孔布置范圍為30～50m范圍內；通過對相似模擬結果分析可知覆巖垮落角為55°～60°，所以距回風巷距離為21～28m。抽采鉆孔施工選用ZDY4000鉆機施工，鉆孔直徑為94mm，鉆孔長度為100m。鉆孔參數見表2。

表2 高位鉆孔布置參數

3.2 高位鉆孔抽采效果分析

根據前文確定的鉆孔抽采參數，在20102綜采工作面回風巷內布置高位鉆孔，分別記錄每個鉆孔給從開始抽采以來23d內的抽采純量數據，如圖3所示，由圖3可以看出：單孔抽采純量隨抽采時間呈現先增長后緩慢下降的趨勢，其中，增長速率較快，下降相比較緩慢；單孔瓦斯抽采純量最大時峰值為1.98m3/min，抽采峰值最小是1號抽采鉆孔，為1.11m3/min；單孔抽采純量基本保持在1.3m3/min左右。

圖3 鉆孔抽采純量曲線

10月1日至11月10日抽采純量和濃度數據如圖4所示，由圖4中可以看出抽采濃度比較穩定，保持在15%左右，證明抽采鉆孔布置銜接等合理且有效，說明鉆孔布置的是否合理直接影響到瓦斯抽采濃度的穩定性。同時，可以看出抽采純量最大值為14.81m3/min，最小值為8.05m3/min，說明高位鉆孔抽采效果較好。