傾斜厚煤層覆巖瓦斯高滲區應力場-滲流場聯動演化采高效應

趙泓超，趙鵬翔，許永剛，等.傾斜厚煤層覆巖瓦斯高滲區應力場-滲流場聯動演化采高效應[J].西安科技大學學報，2024，44（5）：866-879.

ZHAO Hongchao，ZHAO Pengxiang，XU Yonggang，et al.Mining height effect of stress field-seepage field linkage evolution in gas high permeability zone of overlying "strata in inclined thick coal seam[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（5）：866-879.

摘要：傾斜煤層開采后覆巖應力場分布特征與水平、近水平煤層存在著較多的不同點，其上覆巖層瓦斯高滲區域及其裂隙演化規律也有所差異，同時受煤層采高的影響較為明顯。為掌握傾斜厚煤層覆巖瓦斯高滲區應力場-滲流場聯動演化規律，基于數值模擬方法，以新疆昌吉硫磺溝煤礦的主采工作面為原型，研究傾斜厚煤層采動覆巖裂隙演化規律的采高效應，揭示不同采高條件下覆巖裂隙高滲區的時空演化規律。結果表明：傾斜煤層的覆巖應力場總體上呈采空區下端應力高、上端應力低的非對稱“蝶形”分布，采空區下端瓦斯高滲區以橫向延展為主，采空區上端瓦斯高滲區以縱向擴大為主；此外，煤層開采引起的瓦斯滲流場變化和應力破壞形成更多瓦斯運移通道的耦合作用是采動瓦斯滲壓改變的原因，而瓦斯高滲區為阻斷瓦斯并且控制瓦斯貫通的重點區域。因此，將瓦斯抽采系統布置于瓦斯高滲區內可從最大程度上降低整個采動裂隙場的瓦斯濃度，有效地控制生產期間瓦斯濃度異常的風險。

關鍵詞：傾斜厚煤層；卸壓瓦斯高滲區；聯動演化；采高效應

中圖分類號：TD 712

Mining height effect of stress field-seepage field linkage evolution in gas high permeability zone of overlying strata in inclined thick coal seam

ZHAO Hongchao1，ZHAO Pengxiang2，3，4，5，

XU Yonggang6，

ZHANG Wenjin7，ZHUO Risheng2，3

（1.Shaanxi Coal Chemical Industry Technology Research Institute Co.，Ltd，Xi’an 710100，China；

2.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

3.Western Mining Gas Intelligent Extraction Engineering Research Center，Xi’an 710054，China；

4.Xinjiang Key Laboratory of Coal Mine Disaster Intelligent Prevention，Control and Emergency Response，

Xinjiang College of Engineering，Urumqi 830023，China；

5.Xinjiang Coal Research Institute，Xinjiang Uygur Autonomous Region，

Xinjiang Coal and Coalbed Methane Engineering Technology Research Center，Urumqi 830091，China；

6.Shaanxi Binchang Mining Group Co.，Ltd.，Xianyang 712000，China；

7.School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 713599，China）

Abstract：There are many differences between the overall pressure characteristics of the mine after the mining of the inclined coal seam and the horizontal and near-horizontal coal seams.The high permeability area of the overlying strata and the evolution law of the cracks are also different，and the influence of the mining height of the coal seam is more obvious.

A numerical simulation was performed to explore the evolution law of stress field-seepage field linkage in the high permeability zone of overlying strata in inclined thick coal seam.Taking the main mining face of the Liuhuanggou coal mine in Changji，Xinjiang as the research object，the mining height effect of the fracture evolution law of overlying strata in inclined thick coal seam was studied，and the temporal and spatial evolution law of the high permeability zone of overlying strata under different mining heights was revealed.The results show that the overburden stress field of inclined coal seam generally presents an asymmetric “butterfly” distribution with high stress at the lower end of goaf and low stress at the upper end.With the increase of coal seam mining height，the peak stress increases，and the influence range of mining pressure relief area also increases.The gas high permeability area at the lower end of the goaf is mainly extended horizontally，and the one at the upper end of the goaf is mainly expanded vertically.In addition，the coupling effect of gas seepage field change and stress failure caused by coal seam mining to form more gas migration channels is the reason for the change of mining gas seepage pressure，and the high gas permeability area is the key area to block gas and control gas penetration.Therefore，to arrange the gas extraction system in the gas high permeability area could reduce the gas concentration of the whole mining fracture field to the greatest extent，and effectively control the risk of abnormal gas concentration during production.

Key words：inclined thick coal seam；high permeability zone of pressure relief gas；linkage evolution；mining height effect

0引言

煤炭作為中國主體能源和重要工業原料，在未來很長的一段時間內仍然是最主要的能源資源之一[1-2]。在中國現有的煤炭儲量中，傾斜煤層和急傾斜煤層占比約40%[3]。近年來，在中國煤炭資源的開采總量中，傾斜煤層的開采比重達到了40%～50%[4]。由于易采近水平的煤層儲量急劇減少，而傾角在25°以上的厚煤層儲量仍然十分豐富，而且這些煤層的數量眾多，煤質一般較好，因而有著極高的開采價值，成為中國實現高產高效開采的主力煤層之一[5]。

采動過程中的上覆巖層不斷變形破壞，巖體間不斷發育、擴展的裂隙網絡為卸壓瓦斯在采空區內瓦斯升浮-擴散行為提供路徑。采空區上覆巖層破裂垮落后在特定區域形成了卸壓瓦斯高滲區（縱向破斷裂隙與橫向離層裂隙充分溝通，適合采空區瓦斯氣體升浮-擴散的覆巖裂隙網絡區域）。

目前，針對采動覆巖裂隙演化規律國內外學者進行了大量的研究[6-8]。MAJDI等眾多學者研究了煤層賦存、回采工藝、地質等因素作用下的采動覆巖裂隙網絡形態演化規律[9-12]；張玉軍等利用覆巖鉆孔窺視系統觀察了高強度開采條件下的采空區巖層破壞高度，并根據鉆孔的裂隙分析了覆巖裂隙的擴展規律[13]；李宏艷和劉超等采用巖體分形理論量化表征裂隙的演化過程[14-15]；林海飛等研究了上覆巖層裂隙的空間形態特征和演化規律，提出了裂隙帶動態演化過程的簡化數學模型[16]；劉洪永等基于采動裂隙橢拋帶理論，確定了采動優勢瓦斯通道帶的上下邊界[17]；蔣曙光等做出假設，將該復雜的難題簡化為多孔介質中的滲流問題，建立采場三維滲流方程，為量化瓦斯的卸壓運動提供基礎[18]；梁棟等從采場三維空間物性特性的角度出發，提出了量化卸壓瓦斯隨機性運動的孔隙-裂隙雙重介質模型[19]；楊天鴻等運用RFPA軟件分析了采動巖體破裂過程以及應力-滲流的耦合演化過程，得到了上方巖體的滲透性變化特征[20]；王文學等針對應力恢復對裂隙巖體滲透性的影響設計試驗，得出采空區的應力恢復效果與裂隙帶的裂隙開度和滲透性呈反比關系[21]；李樹剛等針對裂隙巖體滲透率與卸壓瓦斯在裂隙中的運儲規律之間的聯系，建立理論公式量化了滲透率與支承壓力的關系，明確了卸壓瓦斯的運儲條件主要受圍巖支承壓力的影響[22]。

大量研究為煤炭開采過程中采動巖體滲透性及瓦斯運儲規律提供了基礎和參考[23-25]，然而關于巖體的采動滲透性變化探測數據較為缺乏，巖體發生應變和破壞階段的滲透性變化規律的相關研究有限，不能很好地掌握瓦斯在采動覆巖中的運移規律。此外，傾斜煤層開采后的礦山整體壓力特征與水平、近水平煤層存在著較多的不同點，對于傾斜煤層采動覆巖內利于瓦斯滲流的區域范圍及其裂隙演化規律的研究尚待深入研究，且不同采高的瓦斯高滲區域位置不同，造成傾斜煤層的卸壓瓦斯抽采系統存在滯后性等問題。因此，文中運用數值仿真手段，模擬瓦斯在覆巖高滲區中的動態運移過程，提取模擬數據量化表征瓦斯的運移路徑取向，為礦井現場卸壓瓦斯抽采設計、施工提供一定指導。

1試驗設計

1.1工作面概況

以新疆昌吉硫磺溝煤礦（9.15）08工作面為工程背景，該工作面走向長度為1 713.2 m，傾向長度為147.5 m，平均埋深450.7 m，主采9#～15#煤層，平均煤層厚度34.53 m，平均煤層傾角為25°，局部可達到30°，屬于傾斜煤層。工作面采用綜合機械化放頂煤一次采全高采煤法，綜采工作面采用“U型”一進一回布置方式。煤層及上覆巖層的部分物理參數見表1。

1.2物理相似模擬試驗方案

基于相似理論，采用物理相似模擬試驗，對覆巖的變形、運動和破壞過程及其采動裂隙的分布特征進行研究，模型在幾何結構、運動規律、動力學參數和力學特性等方面與試驗原型之間具有高度的相似性。根據相似準則和工作面實際情況，開展采動卸壓瓦斯高滲區幾何邊界辨識及裂隙演化規律試驗研究，二維物理相似模擬試驗臺如圖1所示。

以礦井實際開采工藝設計試驗，工作面沿傾向推進，具體過程：①模型搭建。模型自下而上構建，將河沙、淀粉、石膏、水等材料均勻混合至膠結成團，制作的相似材料組成、強度等與實際煤巖力學參數差別很小，能較好地模擬實際巖層。在每層巖層上方均勻覆蓋厚度為1 mm的6～10目云母片用作分層，模擬巖層的層理結構，并根據工作面埋深對模型頂部施加均勻載荷。②模型開采設計。模型開采前布置位移測點，模型開采長度為135 cm，為了避免邊界效應對試驗結果的影響，工作面兩側各預留長度為10 cm的煤柱，開切眼為8 cm，工作面每次推進距離交替指定為2，3 cm，避免來壓步距為某一數值的倍數而與現場實際來壓步距存在較大偏差。③數據監測。記錄巖體表面位移測點的橫豎向移動軌跡、裂隙起點的空間坐標、裂隙長度、離層裂隙和破斷發育高度，采集工作面周期來壓前后的模型圖片。

1.3模擬方案

為實現卸壓瓦斯運移路徑的動態化和透明化，采用COMSOL數值模擬軟件建立數值計算模型。選取COMSOL軟件中的固體力學模塊模擬采動應力場的變化規律，而滲流場選取裂隙流模塊進行解算模擬。在模型中選擇三種物理場，即Navier-Stoke方程、Brinkman方程以及Darcy定理構建出氣體流動模型，求解該模型可獲得混合氣體在平衡狀態下的壓力和速度分布情況。瓦斯在裂隙場中以溶質形式擴散，同時具有升浮擴散特性。因此，選取Fick定理建立瓦斯擴散模型。煤炭被開采后，采空區的巖體會形成多組裂隙，產生彈-塑性區域并存的情況。為了計算瓦斯在采空區中的滲壓和速度，需要建立合適的多場耦合模型。為此做出假設：①瓦斯僅在巖體的裂隙區域內運動，并且不受巖石基質的影響；②將采空區瓦斯流動視為滲流，服從廣義達西定律，為不可壓縮流體；③采空區瓦斯以低速穩態流動為主；④采空區瓦斯運移為等溫過程。

為了探究不同開采高度條件下采動覆巖滲流場的演化規律，提高模擬解算速度，結合物理相似模擬試驗結果對模擬進行了一定程度的簡化和假設。

同時由于是二維模型，水平的構造應力較小，因此，在模型構建過程中，充分考慮邊界效應、傾斜煤層覆巖垮落形態、應力關系及進、回風巷高差，分別設置應力場和滲流場的數值計算模型尺寸為150 m×130 m（長×高），205 m×220 m（長×高）。將上部應力邊界條件設定為垂直應力為6.8 MPa豎直向下均勻載荷，模型底部為固定邊界，兩邊為輥支邊界，建立了如圖2所示的數值模型。結合現場監測得到的工作面瓦斯涌出量平均為13-45 m3/min，瓦斯壓力取0.5 MPa，計算得到模型瓦斯質量源項0.34 kg/（m3·s-1）。裂隙瓦斯與基質瓦斯的設定不同，裂隙瓦斯可以穿過不同層位進行流動，基質瓦斯僅活動于煤層內部，故將模型和煤層的四周分別界設定為零流量。根據數值模型和參數設置，解算直至殘差收斂為止，得到圍巖應力場及裂隙場中瓦斯空間分布和運移規律。

煤炭在開采后，卸壓作用使得原覆巖的結構產生顯著改變，采場巖層在采后被大量裂隙切割，具有離散破碎的特征，而COMSOL作為有限元軟件其單元結構不發生斷裂，因此，采用圖像智能識別的方法將不同采高下的物理相似模擬試驗開采結束后的最終結果進行素描，勾勒出裂隙幾何特征，然后把提取的裂隙網絡導入COMSOL數值模擬軟件建立幾何模型，得到可選區賦參量的覆巖裂隙幾何模型，以實現不同采高條件下的傾斜厚煤層覆巖裂隙卸壓瓦斯運移規律數值模擬。

2試驗結果分析

2.1不同采高條件下覆巖裂隙發育形態

隨著工作面推進，采場上覆巖層受采動影響產生離層裂隙，巖體穩定性被破壞而發生破斷，裂隙隨整個回采過程不斷發育和壓實，形成復雜的覆巖裂隙網絡，呈現覆巖裂隙場的動態變化特征。圖3為工作面回采過程中不同采高物理模型的巖體垮落過程，經過了工作面初次來壓和七次周期來壓，工作面上覆巖層中逐漸構建形成了非對稱的瓦斯運移通道與壓實區，其中煤層采高對覆巖裂隙場的形態特征具有明顯的影響。

在仰斜的開采方式下，煤柱側的瓦斯運移通道易形成鉸接結構，工作面側的巖塊斷裂后在重力的引導下發生滑移，向下擠壓堆積，瓦斯運移通道的裂隙開度比煤柱側小，同時在豎向形成了利于瓦斯升浮的空洞，采高越大，這種現象越明顯。當工作面分別推進至135，130 m和122 m時，4，6 m和8 m采高條件下的工作面采空區覆巖發生第七次周期來壓，垮落高度分別為40，52 m和98 m，離層裂隙向上分別擴展至39層、50層和87層，裂隙發育最大高度距煤層底板46，60 m和99 m。在煤層采動的影響下，覆巖裂隙場最終呈現煤柱側低、工作面側高的非對稱橢圓拋物帶狀形態，其中煤柱側鉸接結構形成的局部空洞和工作面側的豎向空洞為瓦斯的運儲提供了空間，同時采動裂隙發育的物理相似模擬試驗結果為覆巖瓦斯高滲區的應力場-滲流場的數值模擬研究提供了基礎。

2.2采高影響下采動覆巖應力場動態演化規律

2.2.1不同開采高度采場應力分布特征

在煤層開采過程中，煤巖層中的瓦斯運動規律十分復雜。圖4為不同采高條件下采動應力場各周期來壓的空間分布情況。應力場總體上呈“蝶形”分布，在4、6和8m采高的每一次周期來壓中，采空區上方區域均為卸壓區，而兩側區域則為應力集中區，隨著工作面的推進，應力場影響范圍逐漸擴大，其中應力集中區向兩側及上方延展，而卸壓區主要向上方巖層擴展。

與大采高采場相比，小采高采場煤柱側和工作面側的應力集中程度明顯減小，覆巖轉移至兩側的力也相應減小。在相同回采距離的前提下，由于小采高的頂板與大采高相比不易斷裂，阻斷了上覆巖層的卸壓效果，導致該情況下煤層頂板上方的卸壓效果明顯弱于大采高采場。在采高為4 m的情況下，主關鍵層僅向下發生了微量的位移，同時其下方部分位置會產生卸壓，隨之低層位置的應力開始減小，高層位置的應力仍然相對集中。在這種情況下，卸壓區的范圍高度介于亞關鍵層和主關鍵層之間。當煤層的開采高度分別增加至6 m和8 m時，主關鍵層下的卸壓區域逐漸擴大，其高度也相應增大。

2.2.2不同采高條件下采場應力動態變化特征

為了定量化描述采空區各周期來壓的應力分布規律，在數值模型中設立了多條應力變化監測線，采集圍巖應力狀態隨周期來壓變化的數值化，圖5為4，6 m和8 m采高下工作面礦壓顯現穩定后的煤層頂板應力變化。

煤層開采后，其上方的巖體失去了支撐力，僅有重力和側向支承壓力，無法形成完整的力學平衡結構，地應力向下傳遞的路徑轉變為集中在采空區兩側的煤體，形成了局部產生應力集中的現象，如圖5所示。受煤層傾角的影響，應力集中區的區域呈煤柱側應力高，工作面側應力較低的非對稱分布，在4，6 m和8 m采高中，其煤柱側的應力分布范圍分別為9～11 MPa、11～13 MPa和12～14 MPa，其中工作面側的應力分布范圍分別為6～8 MPa、7～9 MPa和8～10 MPa。隨著煤層采高的增大，卸壓區的高度也會逐漸增大，從而采空區的卸壓范圍逐漸擴大，卸壓瓦斯的運移空間也相應地增大。

2.3采高影響下采動卸壓瓦斯滲流場時空演化規律

圖6為礦壓顯現穩定時期的采動裂隙場瓦斯壓力隨時間變化情況。卸壓瓦斯起初優先向空間大、壓力低的區域運移，此時主要賦存于底部冒落帶；在1 h后，冒落帶內的瓦斯趨于飽和，逐漸向相對壓力更低處流動，瓦斯開始向更高處運移；在3 h之后，由于裂隙帶兩側裂隙的發育度和連通度高，卸壓瓦斯優先向瓦斯優勢通道處進行運移擴散，因此瓦斯在采空區兩側富集，裂隙間密集連通使得巖層滲透率增高便于瓦斯流動，形成采動卸壓瓦斯高滲區；在4 h后，中部壓實區大量裂隙被壓實，只存在少量瓦斯，瓦斯從煤層涌出后大量聚集在覆巖裂隙帶兩側，并隨時間增加，瓦斯的濃度和壓力也增大，在不設置采空區卸壓瓦斯抽采系統的前提下，瓦斯高滲區隨時間變化而變大，其中采空區下端瓦斯高滲區以橫向延展為主，采空區上端瓦斯高滲區以縱向擴大為主。

2.4不同采高條件下采空區瓦斯壓力分布規律

在覆巖裂隙場中間位置分別布置橫向和豎向的數值測線，以定量描述隨周期來壓變化的瓦斯壓力分布及其演化規律，如圖7所示。

根據采空區橫向測線數據顯示，隨著工作面的持續推進，壓實區逐漸形成，瓦斯壓力沿工作面傾向大致呈先增大后減小，再增大再減小的“馬鞍”狀分布特征，隨著工作面的周期來壓，中部壓實區的瓦斯壓力逐漸減小，瓦斯壓力穩定在較低水平。在巖塊垮落向下填充的過程中，巖塊間的空隙和碰撞產生的次生裂隙有利于瓦斯的運移，圖中左側的駝峰范圍比右側大，意味著卸壓瓦斯主要分布在采空區兩側，且左側卸壓瓦斯高滲區的寬度較大。采高增大后，中部壓實區的壓實效果得到提高，兩側瓦斯高滲區的范圍有所擴大。

2.5不同采高條件下采空區滲透率分布規律

采空區覆巖滲透率變化的主要原因是由覆巖垮落變形引起的，而覆巖變形垮落的根本原因是圍巖間應力場失穩變化。結合采動過程圍巖應力變化規律，分析不同采高條件下瓦斯高滲區滲透率與應力變化如圖8所示。

不同采高條件下采空區卸壓區為工作面推進0～140 m內，采動擾動后圍巖間應力失穩變化導致采后巖體滲透率發生變化，在冒落帶中工作面側的覆巖滲透率較大，在裂隙帶中開切眼側的覆巖滲透率較大，從總體來看，滲透率隨高度增大而減小，垮落巖層滲透率隨采高增大呈增加的趨勢。當采高為4 m時，切眼側高滲區及工作面高滲區滲透率為4.09×10.5～5.46×10.2 m2和2.21×10.5～1.60×10.1 m2；當采高為6 m時，切眼側高滲區及工作面高滲區滲透率為1.69×10.4～6.57×10.2 m2和7.66×10.5～1.85×10.1 m2；當采高為8 m時，切眼側高滲區及工作面高滲區滲透率為7.29×10.5～1.37×10.1 m2和1.49×10.4～3.05×10.1 m2。

結果表明采空區覆巖滲透性系數大于2.21×10.5的區域，其滲透性較好，卸壓瓦斯在此區域更容易發生運移、擴散行為。

3卸壓瓦斯高滲區應力場-滲流場聯動演化規律

3.1采動覆巖應力場-滲流場空間分布規律

根據采動覆巖應力場-滲流場空間分布規律（圖9），在覆巖垮落前，應力的重新分布使上覆巖體開始屈服，出現大面積的塑性區，巖體自下而上發生連鎖的斷裂，形成了大范圍的覆巖裂隙；在覆巖垮落后，應力迅速轉移至采空區兩側，采空區兩側出現了應力集中，應力數值隨距采空區中部距離的減小而逐漸減小，隨后有小幅度的平緩增長，最后趨于穩定，采空區域瞬間卸壓，瓦斯涌入冒落帶，采空區中部的應力在巖體壓實后有小幅度恢復的趨勢，瓦斯在壓力梯度的引導下向采空區兩側應力較低處流動。

在煤層開采擾動的影響下，上覆巖層瓦斯滲壓和應力的變化規律有著一定的相關性。在4，6 m和8 m采高的覆巖裂隙帶范圍內，在裂隙帶高度的1/3處，沿傾向方向每隔10 m布置一個測點，監測測點的應力和瓦斯滲壓的變化，并將二者數據進行擬合，分析采動卸壓瓦斯高滲區應力場-滲流場的聯動演化規律，如圖10所示。

煤層采動促使覆巖的應力狀態產生變化，其應力隨煤層的回采不斷增大，從而引起了應力集中的現象和圍巖應力場的重分布。同時，應力的高度集中迫使覆巖發生損傷破裂并產生次生裂隙，形成了大量的瓦斯滲流通道，增加了覆巖的瓦斯滲壓。4 m采高條件下應力的升高導致瓦斯滲壓明顯地增大，其兩個階段的分界線位于應力0.8 MPa處。6 m采高時，瓦斯滲壓變化以應力值12.5 MPa為分界點分為兩個階段；而8 m采高條件下，以應力1.5 MPa為分界線，其兩側的瓦斯滲壓呈兩極分化，應力小于1.5 MPa時，瓦斯滲壓維持在0.05 MPa，當應力大于1.5 MPa時，瓦斯滲壓主要在0.43 MPa上下波動。

3.2卸壓瓦斯高滲區應力場-滲流場聯動演化機理

根據上覆巖體變形破壞分布的示意圖（圖11），由前述應力場的分布特征將覆巖沿傾向方向劃分為：原巖應力區（A）、超前壓力壓縮區（B）、采動礦壓直接破壞區（C）和巖體應力恢復區（D）。

隨著工作面回采的進行，采場巖體滲透性呈現規律性的變化。在區域A，巖體基本不受回采擾動的影響，其物化性質極為穩定，基本維持原始應力狀態，滲透率一般較低。在區域B，受超前支承壓力的影響，應力開始逐漸增大，滲透率隨著應力的增加而減小，其下降的大小會受巖性和應力增量的影響。從區域B沿傾向進入區域C后，巖體在卸荷膨脹累積效應的作用下發生斷裂破壞，從而導致滲透率隨之增大，通常情況下，位于區域C內的巖體滲透率將達到覆巖滲透率的最大值。由區域C逐漸過渡至區域D區時，巖體受到采空區壓力影響，應力逐漸增大，隨著距工作面距離的減小，巖體的應力將逐漸恢復并接近原始應力狀態，同時其滲透率也會逐漸減小。

4工程應用

4.1抽采方案及鉆場設計

數值模擬可以和現場實踐實現一定的互補性，通過數值模擬，可以預測不同鉆孔布置方案下的瓦斯抽采效果，為現場實踐提供了理論依據和預測分析。而現場實踐則是數值模擬的驗證和反饋。通過實際施工和抽采過程，可以驗證數值模擬結果的準確性和可靠性，同時發現存在的問題和不足之處，為數值模擬的改進和優化提供實際數據。數值模擬和現場實踐的結合可以形成一個循環優化的過程。通過不斷地進行模擬分析、現場實踐、反饋修正和再次模擬分析，可以逐步優化瓦斯抽采鉆孔布置方案，提高抽采效率、降低安全風險。而在礦井瓦斯抽采工作中，將抽采鉆孔、抽采巷道等布置于采動卸壓瓦斯高滲區內，可以有效起到節流瓦斯的作用。結合試驗結果，考慮到礦井工作面布置方式和定向長鉆孔的成孔效果，確定高位定向長鉆孔合理布置層位位于上部粉砂巖中。高位定向長鉆孔終孔分布區域距離軌道順槽巷道中心線25 m，距離巷道底板26 m，每個鉆場布置15個孔徑為200 mm鉆孔，高位定向長鉆孔終孔分布如圖12所示，布置參數見表2。

鉆孔在水平面上布置：根據瓦斯高滲區的橫向邊界和瓦斯抽采治理布孔經驗，在寬度為26 m的工作面，鉆孔覆蓋范圍（9-15）08軌順巷道中心線至右側26 m范圍內，因此鉆孔主延伸方向平行于（9.15）08軌順巷道中心線，鉆孔終孔位置分別距離（9.15）08軌順巷道中心線4，8，12，18，24 m；在垂直面上鉆孔主延伸平行于工作面走向，鉆孔終孔層位距離（9.15）08煤層頂板位置線垂距分別為2，5，11，17，23 m。

4.2工作面瓦斯防治效果考察

4.2.1定向長鉆孔垂距與抽采效果的關系

為了更加清晰地對比高滲區和冒落帶的鉆孔抽采效果，對各鉆孔的平均抽采瓦斯濃度、純量進行計算、統計，繪制以鉆孔垂距變化為自變量，鉆孔的平均抽采瓦斯濃度及純量為因變量的關系圖，如圖13所示。各鉆孔平均抽采瓦斯濃度和純量與垂距的變化曲線呈指數分布，并隨著垂距的增加而增大。在高位定向長鉆孔全生命周期內單孔瓦斯最大平均抽采濃度為46.7%；單孔最大瓦斯平均抽采純量1.25 m3·min-1。綜合以上分析結果，高滲區內的瓦斯抽采效果要優于其他區域。

4.2.2定向長鉆孔卸壓瓦斯抽采效果

對（9-15）08工作面瓦斯抽采效果持續跟蹤監測，如圖14所示，發現工作面回采初期瓦斯抽放量處于低位波動區，隨著工作面持續推進，工作面擾動現象致使采空區上方形成卸壓瓦斯高滲區，針對高滲區布置高位定向長鉆孔后，瓦斯抽放效率得到有效提高，瓦斯抽放量在增長后到達穩定發展階段。

在工作面正常回采過程中，絕對瓦斯涌出總量為21.01～41.22 m3·min-1，平均34.44 m3·min-1。其中，風排瓦斯量3.43～15.25 m3·min-1，平均7.24 m3·min-1。抽放總量8.85～37.66 m3·min-1，平均27.2 m3·min-1，表明鉆孔具有高效的瓦斯抽采濃度并保持穩定的持續抽采狀態。

圖15為工作面回采期間上隅角及回風巷瓦斯濃度的變化情況，圖中藍色虛線為《煤礦安全規程》規定的上隅角、回風巷及尾巷瓦斯濃度的上限1%。通過應用瓦斯高滲區的定向長鉆孔抽采技術，保證了上隅角和回風巷的最大瓦斯濃度均控制在1%以內，實現了（9.15）08綜放工作面安全高效生產。

5結論

1）傾斜煤層的覆巖應力場總體上呈“蝶形”分布，受煤層傾角的影響，應力集中的區域呈煤柱側應力高，工作面側應力較低的非對稱分布，隨著煤層采高的增大，應力峰值增大，采動卸壓區影響范圍也不斷增大。

2）大采高的卸壓瓦斯運移范圍明顯大于小采高的瓦斯運移范圍，這與地應力的分布規律總體一致。隨著采高的增大，煤柱側的瓦斯高滲區范圍更寬，工作面側的瓦斯高滲區高度更大，與采空區上端相比，采空區下端的瓦斯壓力更大，區域的瓦斯滲透率更高。

3）煤層開采引起的瓦斯滲流場變化和應力破壞形成更多瓦斯運移通道的耦合作用是采動瓦斯滲壓改變的原因。裂隙巖體受荷載作用后，巖體中裂隙開度發生變化，從而使得卸壓瓦斯的滲流通道發生變化，引起了裂隙中瓦斯的流速和壓力的重分布，因此在應力場-滲流場的耦合中，裂隙充當橋梁的角色使其產生聯動效應。

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（責任編輯：劉潔）

收稿日期：2024-06-14

基金項目：國家自然科學基金項目（52174205）；陜西省杰出青年科學基金項目（2023-JC-JQ-40）；國家重點研發專項項目（2023YFC3009004）；陜西省教育廳重點項目（22JY040）；新疆維吾爾自治區重點研發任務專項項目（2022B01034-3）；新疆煤炭資源綠色開采教育部重點實驗室開放課題項目（KLXGY-KA2404）

第一作者：趙泓超，男，山西大同人，高級工程師，E-mail：44413564@qq.com

通信作者：趙鵬翔，男，甘肅蘭州人，教授，博士生導師，E-mail：zhpxhs@sina.com