基于大直徑頂板高位定向長鉆孔的瓦斯抽采關鍵參數研究

劉向忠，李鵬偉，謝建林

(1.山西焦煤集團 東曲煤礦， 山西 古交 030200； 2.太原科技大學 環境與安全學院， 山西 太原 030024)

瓦斯災害是煤礦安全生產的首要威脅[1]，上隅角瓦斯集聚超限則是其較為常見和危險的表現形式[2]. 受開采作用影響，煤巖體應力重新分布，頂底板巖層變形破壞，同時形成一系列裂隙通道，為大量瓦斯卸壓、解吸和運移匯集提供了便利條件[3]，造成本煤層、采空區和鄰近層等多源瓦斯在上隅角匯集[4]，加之采空區遺煤的放散瓦斯共同造成了超限現象的頻繁發生。為有效治理上隅角瓦斯，保障工作面安全，目前常用的技術措施包括采空區埋管、低位裂隙孔、高抽巖巷、普通高位鉆孔和定向高位長鉆孔等，其中定向高位長鉆孔具有安全系數高、覆蓋范圍廣、施工成本低、鉆場搬家次數少、鉆孔定位精度高、有效抽采孔段長、軌跡準確可控和抽放效果良好等優勢，在瓦斯治理領域得到越來越廣泛的應用[5-7].

頂板高位定向鉆孔參數的準確選取對抽采效果起著至關重要的作用，而實現高效抽采的基礎在于全面掌握采空區頂板裂隙發育演化規律[8]. 國內外學者運用理論計算、數值仿真、相似模擬和現場實測等多種手段對其進行了系統描述。僅以數值仿真為例，就應用到了FLAC[4,9]、UDEC[10-11]、3DEC[12]、CFD[13]、Fluent[14]、COMSOL[15]等多種軟件，從不同角度為大直徑頂板高位定向長鉆孔的廣泛應用提供了有力技術支持。

需要說明的是，上述研究結果均具有一定的局限性，普遍適用性不高。實際上，抽采參數選取時需要綜合考量煤層賦存狀態、井田開采狀況、抽采工藝和鉆具水平等多重因素的影響，結合具體礦井進行有針對性的布孔設計[16]. 以山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦為例，該礦屬煤與瓦斯突出礦井，主采的2、4、8、9號煤層均具有突出危險性。接續回采的28210工作面預測絕對瓦斯涌出量為25 m3/min，擬運用風排加抽采的瓦斯綜合治理措施。為有效治理上隅角瓦斯，充分保障安全生產，該礦準備在傳統抽采技術的基礎上進行大孔徑頂板高位定向長鉆孔的嘗試。為保障抽采效果，亟需開展鉆場規劃設計、鉆孔層位確立、孔徑參數選取、鉆孔深度計算和配套鉆具選型等工作，并通過現場抽采實踐，驗證關鍵參數選取的科學性與合理性。

1 覆巖運移特性與高位定向鉆孔設計

1.1 工程概況

28210工作面屬東曲煤礦+860水平二采區，走向長度1 165 m，傾斜長度219 m，平均蓋山厚度298 m. 工作面采用傾斜長壁后退式全部跨落綜合機械化采煤方法，所采8號煤層結構較簡單，煤層平均厚度4.5 m，平均傾角4°. 煤層直接頂為4.4 m石灰巖，直接底為6.4 m砂質泥巖，基本頂屬6.5 m細砂巖，普氏硬度為6. 該工作面呈單斜構造，斷層影響相對不大，基本無陷落柱。煤巖賦存條件整體適宜于大直徑高位定向長鉆孔的施工與鉆進成孔。

1.2 采動裂隙分布理論計算

依據礦壓經典理論[17]，煤礦開采會造成采場附近應力重新分布，引發上覆巖層變形與破壞，大量采動裂隙形成、衍生與貫通，進一步誘導采動裂隙“O”形圈顯現，并分別在水平與豎直方向形成了“橫三區豎三帶”。豎三帶包含冒落帶、裂隙帶和完全下沉帶。其中，冒落帶瓦斯主要來源于采空區遺煤與鄰近層涌入，具有較大的升浮特性；裂隙帶上部離層裂隙發育，下部則以破斷裂隙為主[18]，上述大量發育的裂隙為升浮的冒落帶瓦斯與因卸壓作用大量解吸的本煤層瓦斯提供通道，使裂隙帶成為瓦斯富集與煤層氣抽采的黃金區域[19]. 由此可知，頂板長鉆孔的鉆孔層位與布孔高度應位于裂隙帶中下部。依據國家煤炭局出版的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[20]，當工作面頂板為中硬巖層時，確定裂隙帶高度的經驗公式為：

(1)

式中，H為裂隙帶高度，m；∑M為累計采厚，m. 將工作面平均厚度4.5 m導入式(1)可知，裂隙帶的高度為36.07～47.27 m.

1.3 采動裂隙分布仿真計算

由式(1)可確定裂隙帶在煤層頂板中的大致范圍，但其精度往往不高。特別地，當煤層厚度超過3 m時，經驗公式誤差較大，甚至會導致后續出現無效鉆孔的情況[19]. 鑒于此，可采用FLAC3D數值模擬軟件對28210工作面進行三維數值模擬，以選取較為合理的裂隙帶高度和頂板鉆孔層位。

依據《+860水平二采區綜合柱狀圖》和28210工作面實際揭露情況，繪制工作面煤層及頂板巖層模擬參數，見表1.

表1 28210工作面煤層及頂板巖層模擬參數表

依據表1所示參數，借助FLAC3D軟件構建仿真模型，其豎向高度為63.6 m. 由于28210工作面傾斜長度為219 m，為避免端面效應，同時充分探討工作面開挖后的應力場與彈塑性區分部情況，模型傾斜方向設定為300 m，走向寬度設定為400 m，由此所構建的基本模型包含240 000個網格和251 991個節點，見圖1.

圖1 三維數值仿真模型圖

28210工作面回采后，利用Tecplot軟件分別記錄不同進尺條件下采空區上覆巖層的位移等值線，并將結果繪制，見圖2.

圖2 工作面不同進尺條件下的采空區覆巖垂直位移圖

由圖2可知，隨著工作面的向前推進，采空區上覆巖層的位移也隨之變化，且主要表現出以下幾個特性：1) 回采面上覆巖層位移曲線基本呈對稱分布，其正上方位移量最大，等值線也相對密集，表明此處的裂隙較為發育[21]. 2) 在工作面進尺為40 m時，采空區正上方覆巖位移等值線基本水平，反映此時形成的裂隙以水平離層為主，這些水平離層的出現為后續瓦斯富集區的出現奠定初始條件。3) 隨著工作面的推進，垂向等值線開始由水平向垂直方向轉變，大量豎向裂隙開始衍生。當工作面推進至80 m時，豎向裂隙已經到達采空區正上方，且垂直最大位移量已達到120 mm，其高度達到了54 m，成為裂隙帶高度上限。此時大量導通裂隙成為瓦斯運移的通道，瓦斯富集區進一步形成。4) 當工作面推進超過80 m后，尤其是模擬進尺超過初始來壓步距和兩倍周期來壓步距之和時，工作面位移值將會出現突變，基于連續介質及有限差分原理的FLAC3D仿真結果將不再適用，這表明了跨落帶的出現[22]，其最高位置可作為瓦斯抽采的下限。

當工作面推進80 m時，冒落帶最大波及范圍為18 m，裂隙帶高度上限為54 m. 數值仿真結果與理論計算結果基本吻合，可知此時36～54 m的裂隙帶中下部范圍內易形成瓦斯聚集區，可作為大直徑頂板定向長鉆孔的布設層位。

1.4 其他抽放參數確立

除布孔層位外，尚需確立鉆孔直徑、鉆孔深度、與巷道(工作面)平距等參數。以鉆孔直徑為例，由鉆孔徑向瓦斯流動微分方程，可知鉆孔周圍的卸壓半徑表示為[23]：

(2)

式中，R為鉆孔卸壓區半徑，m；fr為移動煤體與未移動煤體之間的摩擦系數；Kp=(1+sinφ)/(1-sinφ);φ為內摩擦角；σ0為原巖應力，MPa；σc為煤的單軸抗壓強度，MPa；r0為鉆孔半徑，m.

由式(2)可知，當其他參數固定時，鉆孔卸壓區半徑R與鉆孔半徑r0成正比。鉆孔半徑越大，卸壓區范圍越大，瓦斯滲流面積越大，抽放效果越佳。但在實際情況中，過大的鉆孔直徑易坍塌，成孔率較低，且需兼顧圍巖條件、瓦斯含量、抽放周期和施工成本等因素的影響[24]，最終確立鉆孔直徑為165 mm和203 mm，選取的配套施工裝備為陜西太合智能鉆探有限公司生產的ZYL-17000D型定向鉆機，其開孔直徑為120 mm，初次擴孔后孔徑為165 mm，二次擴孔后孔徑可達203 mm.

依據所選鉆機實際效能和煤巖賦存情況，鉆孔深度設定為650 m. 由于28210工作面走向長度為1 165 m，故需在軌道順槽左幫布設兩個鉆場進行分段施工，各鉆場包含3個203 mm和1個165 mm直徑鉆孔，開孔間距0.5 m，各孔與軌道順槽平距間隔為10 m，各鉆孔具體參數見表2.

表2 28210工作面高位長鉆孔布置參數表

在表2中共布設了兩個鉆場，各鉆場的寬度均為7 m，故1#鉆場的起止位置為軌道順槽751.67～ 758.67 m處，2#鉆場的起止位置為軌道順槽276.67～283.67 m，鉆場與鉆孔分布示意圖見圖3.

圖3 28210工作面高位長鉆孔布置圖

2 瓦斯抽采效果分析

當28210工作面進行正式回采后，對各鉆場所施工鉆孔的瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采流量進行現場監測，得到大直徑頂板高位定向長鉆孔瓦斯抽采參數與工作面累計推進的變化曲線圖，見圖4.

圖4 瓦斯抽采參數與工作面進尺關系曲線圖

分析圖4可得到如下結論：

1) 瓦斯抽采濃度與瓦斯抽采流量的變化基本同步，當瓦斯抽采流量較大時濃度也相對較高；相較而言，2#鉆場的整體抽放效果明顯優于1#鉆場，這可能是1#鉆場為首次施工大直徑定向長鉆孔，施工經驗不足，成孔質量不高所致。

2) 在各鉆場中，瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采量均與鉆孔層位高度呈現正相關關系，具體表現為：1#鉆孔的瓦斯抽采濃度與流量較低，有效抽采時間也受到限制；隨著鉆孔層位的升高，瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采流量和有效抽采時間均同步上升，這表明瓦斯具有明顯的升浮效應。對于東曲煤礦28210工作面而言，頂板上方54 m(采高12倍)的區域成為瓦斯最富集區域和最佳抽采層位。

3) 各鉆孔的抽采基本經歷初始抽采期、高位增長期和連續衰減期3個階段[2,4]. 在初始抽采階段，由于煤體未大面積卸壓，導通裂隙也尚未大范圍形成，此時位于高位的瓦斯抽采鉆孔效率較低；當采空區上覆巖層跨落之后，尤其是關鍵層出現破斷時，瓦斯抽采量開始在波動中穩步上升，表明高位鉆孔抽采進入最佳階段；隨著工作面的進一步推進，采空區垮落帶開始壓實，裂隙閉合使得瓦斯運移通道喪失連通性[25]，瓦斯抽采進入連續衰減階段。

4) 當大直徑頂板高位定向長鉆孔抽采之后，發現28210工作面回采過程中的上隅角瓦斯濃度始終在0.4%以下，說明該手段有助于保障煤礦安全高效生產。

3 結 論

1) 利用理論計算和數值仿真手段，得出36～54 m的裂隙帶中下部范圍內易形成瓦斯聚集區，為大直徑頂板定向長鉆孔確立布設層位，在此基礎上進行了鉆場規劃設計、孔徑參數選取、鉆孔深度計算和配套鉆具選型等，為大直徑頂板高位定向長鉆孔現場實踐提供理論依據。

2) 經過高位長鉆孔的現場抽采實踐，發現抽采濃度與抽采流量變化曲線基本同步。在裂隙帶中下部，抽采層位越高，有效抽采越具優勢；隨工作面的推進，鉆孔抽采經歷初始抽采期、高位增長期和連續衰減期3個階段。

3) 東曲煤礦28210工作面抽采試驗驗證了大直徑頂板高位定向長鉆孔的有效性，抽采措施可行，抽采效果良好。