覆巖裂隙帶長鉆孔瓦斯抽采技術

張 波

（山西晉煤集團晉圣永安宏泰煤業有限公司，山西 晉城 048205）

1 工程概況

山西晉煤集團晉圣永安宏泰煤業（簡稱“永安宏泰煤業”）二采區28#煤層地質構造簡單，厚度為1.7~5 m，平均厚度3.3 m，隨著開采深度的增加，礦井最大相對瓦斯涌出量達15 m3/t，已達到高瓦斯礦井標準。礦井現開采28#煤層3101 工作面，走向長1 148 m，斜長100 m，基本頂為中砂巖與粉砂巖，平均厚度14.38 m，直接頂為粉砂巖，平均厚度3.5 m，直接底為石灰巖，平均厚度6 m，根據煤層瓦斯參數測定，工作面瓦斯含量為14.5 m3/t，初始瓦斯壓力為0.21 MPa。現以3101 工作面為研究對象，探究覆巖裂隙鉆孔瓦斯的抽采技術。

2 覆巖裂隙鉆孔抽采理論分析

2.1 覆巖裂隙鉆孔抽采原理

覆巖裂隙鉆孔抽采是治理煤礦瓦斯事故的重要技術之一[1-2]。工作面上方形成的采動應力場會影響上覆巖層的裂隙發育特性，在垂直方向上形成垮落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶即“三帶”。在水平方向上形成煤壁支撐區，離層區與重新壓實區[3-4]。在采場煤層回采過程中，工作面上方頂板因失去下方煤層支撐力，外加采動應力影響將會產生采動裂隙帶。因瓦斯的體積分數相對于礦井空氣的體積分數更輕，采動后的瓦斯向上流動，利用采動裂隙帶作為瓦斯的抽采通道，見圖1。

圖1 工作面覆巖結構圖

一般情況下，煤層的上覆巖層發生變形一般在采煤工作面的超前30~40 m 位置，此變形的水平移動劇烈程度要明顯大于垂直方向的移動程度，由于缺少下方煤體的支撐，垂直方向的位移會迅速增加，上覆巖層作為組合巖體，不同層位之間的頂板巖層會發生不同程度的離層現象，使原始裂隙張開，并且在豎直方向上產生新裂隙，離層區間的巖層與水平方向的巖層在頂板運移的作用下也會發生相互的擠壓，裂隙的張開度較大，其中冒落帶與裂隙帶是瓦斯的主要流動通道[5]。

2.2 覆巖裂隙帶發育規律

采用UDEC 軟件對永安宏泰煤業二采區28#煤層開采狀態下的頂板裂隙發育規律進行研究，根據工作面地質條件建立長度為160 m、寬度為100 m 的數值模型，固定左右邊界與下部邊界，在上部邊界施加8.75 MPa 的垂直應力，數值模型如圖2 所示，選用的數值模擬參數如表1所示。

表1 數值模擬參數表

圖2 數值模型圖

圖3 為工作面推進過程中覆巖裂隙發育圖，根據圖3 所示頂板裂隙隨工作面推進過程中的發育狀態，當28#煤層工作面推進30 m 時，老頂發生第一次斷裂，上方的27#煤層以及上覆頂板發生冒落，冒落帶高度約為8 m，老頂2 發生彎曲下沉且產生明顯的離層特征。工作面推進60 m時，老頂2下沉接觸到采空區矸石堆。“V”形穿層裂隙在中部形成，此時老頂3仍保持穩定狀態。工作面推進80 m 時，老頂3 下沉接觸到采空區矸石堆，此時工作面中部穿層裂隙迅速擴展，兩端同時產生“V”形穿層裂隙，同時上部亞關鍵層1形成非貫通裂隙，裂隙帶發育高度約為30 m。工作面推進 100 m時，亞關鍵層1下沉接觸到采空區矸石堆，與上方亞關鍵層2 出現明顯順層裂隙，并且壓實下部采空區裂隙帶，裂隙帶發育高度約為60 m。根據數值模擬結果，覆巖裂隙帶發育高度約為30~60 m。

圖3 工作面推進過程中覆巖裂隙發育圖

3 瓦斯抽采方案與預抽工程

3.1 瓦斯抽采方案

基于以上覆巖裂隙帶瓦斯抽采原理[6-7]，根據數值模擬結果確定覆巖裂隙鉆孔施工范圍為30~60 m。為增加覆巖裂隙鉆孔的實際工程抽采使用效率，需要增加鉆孔的孔徑尺寸，采用133 mm 的大直徑鉆孔，PVC抽采管為110 mm，根據工作面頂板采空區裂隙發育高度范圍，確定覆巖裂隙的鉆孔實際參數。鉆孔的起鉆位置位于沿空巷道的擋板，以3 個鉆孔作為同一組鉆孔，共計施工5 組鉆孔，每組鉆孔的鉆孔間距為30 m，組與組間的鉆孔壓茬為30 m，用水泥注漿方法進行封孔，并且需保證封孔深度為15 m，工作面累計的覆巖裂隙鉆孔數量為15 個。鉆孔布置如圖4 所示，鉆孔布置參數如表2所示。

表2 瓦斯抽采鉆孔布置參數

圖4 覆巖裂隙鉆場布置圖

3.2 瓦斯預抽工程

覆巖裂隙鉆孔的抽采瓦斯體積分數較高，鉆孔的工程使用周期較長，為檢驗永安宏泰煤業3101工作面的瓦斯抽采效果，進行覆巖裂隙鉆孔瓦斯體積分數的數據監測，最終得到覆巖鉆孔瓦斯抽采體積分數與上隅角瓦斯抽采體積分數隨時間的變化趨勢曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 覆巖鉆孔瓦斯體積分數演化趨勢圖

圖6 上隅角瓦斯體積分數演化趨勢圖

圖5 中，共選取3 個覆巖裂隙鉆孔，分別為10-1、10-2、10-3 號鉆孔，鉆孔的演化趨勢曲線近似相等，其中10-1號鉆孔的初始瓦斯抽采流量較低，但隨著抽采時間的增加，瓦斯抽采體積分數由20%上升至60%，此演化過程代表頂板裂隙在觀測期間逐漸發育，在觀測的第8天以后，瓦斯體積分數發生下降，代表此區域內瓦斯已被大量抽采，10-2號鉆孔與10-3號鉆孔的瓦斯抽采趨勢相同，初始瓦斯抽采體積分數均為60%，在第6~8天瓦斯抽采體積分數最高可達93%，在抽采的第8天以后，瓦斯體積分數發生明顯下降，此趨勢表明此處鉆孔的頂板覆巖裂隙是在進行瓦斯監測前就已經產生的，也是在抽采過程中瓦斯流動的主要通道，整體演化過程表現倒“V”形特征。

為檢驗覆巖裂隙瓦斯抽采技術對工作面的瓦斯治理效果，對上隅角的瓦斯體積分數進行了長時間的觀測，如圖6 所示，在觀測的前45 天，瓦斯體積分數呈現輕微的上升趨勢，瓦斯體積分數從0.55%上升至0.67%，但在45天以后，上隅角的瓦斯體積分數迅速下降，最終瓦斯體積分數維持在0.3%~0.4%之間。

4 結語

1）煤層隨工作面回采，在工作面周圍將形成一個采動壓力場，離層區內出現的層間離層是瓦斯流入覆巖鉆孔的通道，為覆巖裂隙帶抽采瓦斯提供了條件。

2）通過UDEC 軟件，分析覆巖裂隙帶發育規律，制定了覆巖裂隙瓦斯鉆孔抽采方案，并進行工程實踐。

3）3 個覆巖裂隙鉆孔的瓦斯體積分數均呈現倒“V”形演化趨勢，表明鉆孔組交替壓茬布置是科學合理的。