綜放工作面初采期拋物線型高位鉆孔瓦斯抽采研究

劉清寶， 陳龍， 龔選平， 尉瑞， 成小雨， 丁建勛

(1.中煤西安設計工程有限責任公司， 陜西 西安 710054；2.中煤能源研究院有限責任公司， 陜西 西安 710054；3.中煤華晉集團有限公司 王家嶺分公司， 山西 河津 043300)

0 引言

隨著煤炭開采安全監控裝備技術水平的提高[1-2]，許多煤礦都實現了高產高效生產[3]，其中綜采放頂煤工藝技術得到了廣泛應用，使得綜放工作面推進速度快、產量高，但同時也導致初采期回風隅角瓦斯濃度偏高[4-5]。初采期是指綜放工作面從開切眼回采到基本頂初次垮落的這段時間[6-7]。初采期頂板巖石逐漸垮落，裂隙帶發育不充分，而一般的瓦斯抽采主要集中在頂板裂隙帶，造成瓦斯抽采效果不佳，回風隅角瓦斯超限，影響礦井的正常生產，因此，初采期的采空區瓦斯治理是防止瓦斯超限的首要任務。

周華東等[8]提出用初采傾向高抽巷、走向高抽巷和輔助傾斜高抽巷來抽采初采期的工作面瓦斯，較好地解決了綜放工作面初采期的瓦斯超限問題。張勝利等[9]采用切巷深孔爆破強制放頂充填采空區方法提高了瓦斯排放效率，降低了綜放工作面的瓦斯濃度。程志恒等[10]對初采期的工作面圍巖應力-裂隙發育及分布特征進行了研究，根據研究結果設計了山西呂梁沙曲煤礦的瓦斯抽采鉆孔。張超等[11]開發了多縫線金屬射流定向預裂爆破技術，并在山西長治常村礦進行了預裂增透現場試驗。吳仁倫等[12]采用數值模擬軟件方法研究了頂板預裂法對初采期的瓦斯治理效果。孫家偉[13]對綜放工作面初采期的高抽巷布置方式進行了優化，有效解決了初采期的瓦斯超限問題。劉洋[14]提出了用大直徑扇形高位鉆孔替代傾向高位巷治理采空區瓦斯，在山西呂梁沙曲煤礦進行了試驗，大直徑扇形高位鉆孔抽采效果較為理想。劉志偉[15]針對低滲煤層開展了高壓水射流割縫強化措施，煤層的瓦斯抽采流量和濃度顯著提升。此外，一些學者分別采用理論分析、數值模擬、現場試驗等方法研究了開采穩定時期的采空區覆巖三帶高度和裂隙發育，并對鉆孔或巷道的參數進行了優化[16-19]。

目前學者們主要研究了開采穩定時期的覆巖裂隙規律，或者采取爆破、預裂等方法使得初采期的覆巖裂隙盡快與采空區導通來抽采采空區瓦斯，由于對初采期煤層上覆巖層的裂隙演化規律掌握不夠，不能更好地設計初采期的鉆孔軌跡，導致初采期的瓦斯抽采效果不佳。為此，本文以中煤華晉集團有限公司王家嶺礦12309綜放工作面為例，通過相似模擬實驗和數值模擬分析了初采期煤層頂板覆巖結構和裂隙發育規律，并對初采期的高位定向鉆孔進行了設計，提出了拋物線型高位定向鉆孔瓦斯抽采方法，以期為類似條件的礦井瓦斯防治提供技術參考。

1 工程背景

王家嶺礦12309綜放工作面平均煤層厚度約為6 m，煤層結構簡單；傾向長度為260 m，走向長度為1 321 m。采用長壁后退式采煤法及綜合機械化放頂煤工藝，工作面采用U型通風方式，膠帶巷進風，回風巷回風，采用自然跨落法管理采空區頂板。12309綜放工作面實測瓦斯含量為2.75～3.17 m3/t，整體瓦斯含量無較大變化。

王家嶺礦設計日產量大，綜放工作面生產強度大，瓦斯涌出量大，曾在多個工作面的初采期采用常規的高位定向鉆孔抽采瓦斯，但抽采效果不理想，導致工作面的瓦斯濃度較高。降低初采期采空區的瓦斯濃度、防止回風隅角瓦斯超限成為該礦井目前亟需解決的問題。

2 初采期覆巖裂隙演化規律

2.1 物理相似實驗模型

本次相似模擬實驗的幾何相似常數取值為100，密度相似取1.5，泊松比相似常數取值為1.0。根據王家嶺礦實際地質條件、覆巖性質等各因素選擇相似模擬材料的配比號(表1)，構建2 m走向的物理相似模型，結合模型的大小，逐層計算各分層材料的用量并填充，工作面物理相似模型如圖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

2.2 數值計算模型

采用UDEC數值模擬軟件，根據2號煤層頂板巖層物理力學性質(表2)設計走向為400 m、高度為200 m的模型，煤層開采高度為6 m，工作面推進速度為6 m/d，數值計算模型如圖2所示。模型左右和底部邊界位移固定，頂部施加5 MPa均布載荷模擬上覆巖層應力，覆巖采用彈塑性本構模型，屈服準則采用符合莫爾-庫侖屈服準則。在模型左右各留50 m的邊界影響區域，研究初采期工作面推進至50 m范圍內的覆巖裂隙演化規律。

圖2 數值計算模型

表2 煤巖層物理力學性質

2.3 采動裂隙發育規律

初采期不同推進距離下覆巖結構及裂隙演化模擬如圖3所示(紅色代表裂隙發育)。由圖3可知，工作面煤層開采后，引起覆巖處應力環境發生變化，導致巖體發生不同程度的變形和破壞，在覆巖內部形成采動裂隙。當工作面推進至20 m時，煤層頂板裂隙發育的范圍較小，裂隙數量較少，出現了破斷裂隙和少量的離層裂隙。隨著工作面的推進，頂板裂隙逐步發育，裂隙發育的高度和范圍隨著推進距離的增加而增大，當工作面推進至35 m時直接頂出現離層。當工作面推進至50 m時，直接頂離層垮落，采空區覆巖破壞大幅增加，覆巖破斷裂隙和離層裂隙的數量增多，范圍進一步增大，在覆巖13 m處產生較大破壞，形成較多縱向穿層裂隙，破壞一直延伸至28 m高度處，產生若干離層裂隙，覆巖破壞分布形態呈現出近似橢圓拋物狀，與初采期覆巖的裂隙發育比較，可判定工作面推進至約50 m時為工作面初次來壓。因此，在工作面從開切眼推進至50 m時，根據初采期煤層頂板裂隙的發育情況，若布置常規高位定向水平鉆孔，由于此時期裂隙發育高度較低，未達到鉆孔控制范圍，不能有效抽采初采期采空區的低位瓦斯，可能引起抽采效果不佳或者回風隅角瓦斯超限等。

(a) 工作面推進20 m時的覆巖結構

3 初采期工作面瓦斯涌出特征

3.1 工作面瓦斯濃度

分別對初采期的綜放工作面不同位置處的瓦斯濃度進行監測，沿工作面傾向布置5個測點，分別為在20、60、100、125、150號支架處，沿工作面走向分別布置4個測點，分別為距煤壁300 mm、前刮板輸送機、支架行人道、后刮板輸送機處，初采期工作面不同位置的瓦斯體積分數如圖4所示。其中05-25—27、05-29—31、06-02—03、06-05、06-07—09對應的是檢修班工作面瓦斯體積分數，05-28、06-01、06-04、06-06對應的是生產班工作面瓦斯體積分數。

圖4 初采期工作面瓦斯體積分數

由圖4可知，檢修期間，不同日期和不同支架處的瓦斯體積分數差別不大，瓦斯體積分數為0.02%～0.12%，工作面暴露煤體自然釋放瓦斯量最大僅為1.2 m3/min，分析認為此時涌出量即為工作面在檢修時暴露煤體的瓦斯涌出量。05-28之前，生產班與檢修班工作面不同位置處的瓦斯濃度變化很小，這是由于在初采階段采空區范圍較小，漏風迅速，將采空區瓦斯排出；05-28—06-06，生產班的瓦斯體積分數逐漸增大，沿工作面傾向，同一日期生產班的不同支架處瓦斯體積分數不同，但瓦斯體積分數變化規律相似，工作面瓦斯體積分數從20～150架支架逐漸增大，且在100～150架支架處瓦斯體積分數的增幅較大，沿工作面走向，由工作面煤壁300 mm→前刮板輸送機→支架行人道→后刮板輸送機瓦斯體積分數逐漸增大，后刮板輸送機的最大瓦斯體積分數接近0.6%，這是由于隨著采空區面積的增大，采空區內存在大量瓦斯，漏風風流將采空區積存的瓦斯由100～150架支架的尾部排出，導致工作面的瓦斯體積分數較大。因此，在初采期間，需要設計參數合理的瓦斯抽采鉆孔,對采空區的瓦斯進行抽采。

3.2 瓦斯涌出來源

綜放工作面的瓦斯按照來源的不同可以分為煤壁瓦斯涌出、采落煤瓦斯涌出以及采空區瓦斯涌出。采用現場實測瓦斯濃度和報表統計法得出了工作面的瓦斯來源及構成，如圖5所示。初采期，采落煤釋放的瓦斯一部分隨著風流排出，另一部分被漏風帶入采空區，加之初采期煤層頂板覆巖裂隙發育不充分，采空區遺煤釋放的瓦斯和采落煤漏入采空區的瓦斯大量積存到采空區中，采空區瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的50%以上。因此，在初采期，采空區的瓦斯涌出是工作面瓦斯涌出的主要來源，需采取高位鉆孔對采空區的瓦斯進行抽采，防止采空區頂板來壓時工作面瓦斯濃度升高或者超限。

圖5 瓦斯來源及比例

3.3 瓦斯涌出量

初采期工作面瓦斯涌出量如圖6所示。從圖6可看出，在初采期，工作面瓦斯涌出量整體上呈上升的趨勢，且有明顯的階段性特征，大致可分為3個階段：直接頂垮落前、直接頂垮落至基本頂初次垮落、基本頂垮落后。直接頂垮落前，工作面瓦斯涌出量不超過5 m3/min；隨著工作面的推進，直接頂逐漸垮落，造成工作面瓦斯涌出量增大，在05-31達到5.45 m3/min，之后維持在5 m3/min左右；06-05由于基本頂的垮落，瓦斯涌出量大幅度增加，最大瓦斯涌出量接近7 m3/min。

圖6 初采期工作面瓦斯涌出量

初采期，采空區瓦斯一部分由工作面風流經回風隅角帶入回風流中，一部分積聚在靠近回風一側的采空區深部，當工作面初次來壓時，采空區基本頂短時間內垮落，采空區深部瓦斯短時間內經回風隅角被擠出，可能造成工作面回風隅角瓦斯超限。由初采期的覆巖裂隙演化規律可知，初采期間的裂隙發育不充分，常規的裂隙帶高位定向水平鉆孔不能有效抽采初采期采空區的低位瓦斯，因此，需對初采期間的高位定向鉆孔進行優化設計，防止基本頂來壓時引起回風隅角瓦斯超限。

4 拋物線型高位定向鉆孔設計

一般情況下，工作面初采期間基本頂初次來壓前，采空區上覆巖層垮落高度較低，裂隙發育較少，上部裂隙帶還未完全形成，瓦斯不能及時地浮生到裂隙帶，若采用常規設計的高位定向水平鉆孔(圖7)抽采采空區瓦斯，由于覆巖的裂隙發育較少且層位較低，會導致采空區瓦斯抽采效果不佳。王家嶺礦曾在多個工作面的初采期采用常規的高位定向水平鉆孔抽采瓦斯，但抽采效果不理想，導致工作面的瓦斯濃度較高，因此，為了提高初采期高位定向鉆孔的抽采效果，需要對高位定向鉆孔的軌跡進行優化設計。

圖7 常規設計的高位定向鉆孔

根據對初采期覆巖裂隙演化規律模擬結果可知，在基本頂初次來壓前，頂板裂隙發育不充分，因此，根據工作面實際情況，將工作面初采期的第1組高位鉆孔設計成拋物線軌跡，該鉆孔軌跡將1-3和1-4鉆孔終孔位置設計在煤層里，能夠和采空區直接導通，用于工作面初采期采空區低位瓦斯抽采，解決了高位水平鉆孔初采期層位較高的問題，避免了工作面基本頂初次來壓時采空區瓦斯短時間內排出瓦斯造成的上隅角瓦斯濃度偏高的問題。隨著工作面的推進，高位鉆孔的層位逐漸升高，與裂隙帶導通，抽采卸壓瓦斯。初采期設計的拋物線型高位定向鉆孔剖面圖如圖8所示，具體參數見表3。

圖8 初采期設計的拋物線型高位定向鉆孔

表3 高位鉆孔參數

5 初采期瓦斯抽采效果考察

5.1 高位鉆孔抽采效果

為了對比初采期常規高位定向鉆孔的抽采效果和拋物線型高位定向鉆孔的抽采效果，分別對常規高位定向鉆孔和拋物線型高位定向鉆孔的抽采純量進行了統計分析，如圖9、圖10所示。

圖9 常規高位定向鉆孔抽采純量

圖10 拋物線型高位定向鉆孔抽采純量

從圖9、圖10可看出，初采期鉆孔的抽采純量整體上呈上升趨勢，說明隨著工作面的不斷回采，工作面采空區裂隙逐漸發育，鉆孔與裂隙導通導致抽采流量逐漸增大。常規高位定向鉆孔的抽采純量在前期較低，不超過0.3 m3/min，而拋物線型高位定向鉆孔的抽采純量在0.65 m3/min以上。常規高位定向鉆孔的平均抽采純量為0.45 m3/min，拋物線型高位定向鉆孔的平均抽采純量為0.71 m3/min，平均瓦斯抽采純量提高了約37%，表明在初采期間拋物線型高位定向鉆孔的抽采效果較好，在工作面采空區基本頂初次來壓之前有效地抽采了采空區積存的瓦斯。

5.2 工作面瓦斯治理效果

初采期高位鉆孔抽采下的工作面上隅角和回風流最大瓦斯體積分數如圖11所示。從圖11可看出，利用拋物線型高位定向鉆孔抽采采空區瓦斯，采空區瓦斯能被及時抽出，防止了瓦斯涌出到工作面，初采期間上隅角最大瓦斯體積分數為0.12%～0.50%，平均瓦斯體積分數為0.36%，回風流最大瓦斯體積分數為0.01%～0.13%，平均瓦斯體積分數為0.06%，瓦斯體積分數均小于0.80%，達到了工作面瓦斯治理的預期效果，工作面能夠安全高效生產。因此，工作面初采期利用拋物線型高位定向鉆孔抽采瓦斯，在保障工作面的安全回采中起到了至關重要的作用。

圖11 初采期工作面上隅角和回風流最大瓦斯體積分數

6 結論

(1) 初采期的煤層頂板裂隙較少，隨著工作面的推進，頂板裂隙逐步發育，裂隙發育的高度和范圍隨著推進距離的增加而增大，裂隙最大發育高度約為28 m，工作面初采來壓步距約為50 m。

(2) 沿工作面傾向，瓦斯濃度從20～150架支架逐漸增大；沿工作面走向，由工作面煤壁300 mm→前刮板輸送機→支架行人道→后刮板輸送機瓦斯濃度逐漸增大。初采期工作面瓦斯涌出量呈上升趨勢，采空區瓦斯涌出量占比超過50%，是工作面瓦斯涌出的主要來源。

(3) 為了優化初采期高位鉆孔的抽采效果，結合初采期覆巖裂隙演化規律，對初采期的高位定向鉆孔的軌跡進行了優化設計。將工作面初采期的高位水平長鉆孔設計成拋物線軌跡，該鉆孔軌跡將鉆孔終孔位置設計在煤層里，能夠和采空區直接導通，用于工作面初采期采空區低位瓦斯抽采，解決了高位水平鉆孔初采期層位較高的問題，避免了工作面基本頂初次來壓時采空區瓦斯短時間內排出造成的上隅角瓦斯濃度偏高的問題。

(4) 對比了常規高位定向鉆孔和拋物線型高位定向鉆孔的抽采純量，拋物線型高位定向鉆孔抽采效果較好，平均瓦斯抽采純量提高了約37%。采用拋物線型高位定向鉆孔抽采后，上隅角和回風流最大瓦斯體積分數分別為0.50%和0.13%，均小于0.80%，達到了瓦斯抽采的預期效果，保障了工作面的安全高效生產。