沙曲矿随掘随抽钻孔布置参数优化

袁胜军

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

沙曲矿随掘随抽钻孔布置参数优化

袁胜军

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

文章在FLAC软件数值模拟的基础上，对沙曲矿掘进巷道随掘随抽方案钻孔参数进行了合理调整，经实践监测提高了钻孔瓦斯抽采的效果，降低了煤层突出威胁，加快了巷道掘进，具有重要的工程实践意义。

瓦斯；抽采钻孔；突出

高瓦斯突出煤层巷道的掘进由于受到高地压、高瓦斯压力等因素的影响,掘进工作面瓦斯涌出量大、瓦斯浓度、突出危险性高,导致掘进进尺慢,影响正常采掘衔接。当前技术条件下,通过瓦斯抽采钻孔随掘随抽是抽采瓦斯资源、降低工作面瓦斯涌出量、降低突出危险的主要方法之一[1][2]。合理的钻孔布置参数可以有效降低煤体地压集中度、扩大巷道围岩（煤）应力降低区域[3]、增强煤体渗透性、提高瓦斯抽采率[4],对于消除掘进工作面威胁因素、增强掘进工作安全水平、提高矿井资源利用效益有重要意义。

1 问题的提出

沙曲矿4#煤层具有高瓦斯压力、高地应力、高瓦斯含量的“三高”煤层特征,煤巷掘进工作面由于瓦斯浓度指标、突出预测指标超限,致使掘进机组停机（均1.2次/h）、停工（均3.6次/月）情况频发,月进度为80～100m,严重影响采掘衔接。矿方已采用钻孔抽采掘进巷道两侧煤体内瓦斯,但工作面上述情况并无明显改观,钻孔布置参数有待调整,以提高掘进工作面进度和作业安全,促进矿井抽采、掘进、回采的有序衔接。

2 钻孔布置参数的确定

以有限元分析软件FLAC5.0对掘进巷道周围煤体的应力分布状况的数值模拟结果作为钻孔布置参数调整和优化的技术依据,通过合理布置钻孔参数,提高随掘随抽技术措施的瓦斯抽采和预防突出效果。

2.1 计算模型

沙曲矿4#煤层为近水平煤层,均厚2.5 m；FLAC计算模型简化为水平模型,顶板及上覆岩层30m；底板20m；模型空间尺寸为135m×50m× 50m；掘进巷道为矩形,宽4.2m,高2.4 m；岩层力学参数和巷道支护均采用现场实测数据；围岩本构关系为摩尔-库仑准则。

2.2 单元划分

有限元模型计算单元的划分综合考虑掘进煤巷岩层应力和位移变化的特征,沿巷道轴线方向煤岩层可认为均质同性,均匀划分网格单元；在垂直巷道轴线的平面内,靠近巷道的煤岩体力学参数变化显著,单元的划分细密,计算模型共划分为140× 90×260个长方体单元和3 346 821个结点,见图1。

2.3 边界条件

计算模型边界条件如下：

1）上部边界施加大小为实测原岩应力的载荷,即σy＝H＝6Mpa；

图1 有限元网格划分/m

2）下部边界（底板）为全约束边界,即节点水平位移u=0,垂直位移均v=0；

3）左、右侧边界（煤壁）为单约束边界,边界节点可发生垂直位移,水平位移u=0。

2.4 运算求解

计算只将巷道所占单元“去活”,代替实体开挖,保证结构单元的规则性,提高求解的可靠性。

经过计算,不平衡力均值为不平衡力最大的1/10000[5],模型达到平衡状态,得到巷道前方、两侧围岩应力重新分布状况以及巷道两帮围岩破坏情况,见图2,图3,图4。

图2 前方围岩应力分布/Pa/m

图3 两侧围岩应力分布/Pa/m

图4 两侧围岩破坏范围/mm

对以上结果分析可得出如下结论：

1）巷道两侧煤体受到掘进影响,多为剪切破坏,破坏范围最大深度3.8m,卸压范围平均深度8m；

2）上部围岩最大破坏高度为2.8m,下部围岩最大破坏深度为1.8m,破坏形式以压破坏为主；

3）掘进面前方煤体应力重新分布：卸压区域深度0～8m,应力升高区域深度8～16m,深度＞16m的区域应力大小无显著变化。

3 参数优化

根据掘进巷道应力重新分布及围岩破坏状况对沙曲矿随掘随抽方案做如下调整,见图5。

1）两侧钻场由原来迈步式布置改为对齐布置,钻孔长度由80 m提高到120 m；

2）3＃，4＃钻孔原与巷道中心线平行,改为向外偏转2°,4＃钻孔孔底与巷道轮廓线的垂距为9m；

3）钻孔封孔长度由6m增加到8m。

图5 钻场钻孔布置图

4 结论

通过对沙曲矿4#煤层5个煤巷掘进工作面的连续监测数据分析可以得出：

1）外侧钻孔角度调整后,抽采区域范围扩大35％；抽采区域瓦斯抽采率由36％提高到48％；单孔瓦斯抽采量平均提高33％。说明钻孔参数调整后,充分利用了煤体受掘进影响而产生的卸压增流效应,提高了钻孔抽采效果。

2）突出指标超限临界次数平均减少70％,缓解了工作面的突出威胁频发的状况,工作面停工次数减少了65％,提高了掘进工作的安全性。

3）掘进工作面周围煤体瓦斯压力和瓦斯压力降低,综掘机组因瓦斯超限停机次数减少了37％,掘进平均速度由115m/月提高到了172m/月。

[1]郭德勇,郑茂杰,郭超.煤与瓦斯突出预测可拓聚类方法及应用[J].煤炭学报,2009,34（6）：783-787.

[2]李晓泉,尹光志.含瓦斯煤的有效体积应力与渗透率关系[J].重庆大学学报,2010,34（8）：103-108.

[3]袁亮.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术[J].中国煤炭,2010,48（6）：5-12.

[4]杨天鸿,陈仕阔,朱万成.煤层瓦斯卸压抽放动态过程的气-固耦合模型研究[J].岩石力学与工程学报,2010,31（7）：2247-2252.

[5]胡斌,张倬元,黄润秋.FLAC3D前处理程序的开发及仿真效果检验[J].岩石力学与工程学报,2002,21（9）：1387-1391.

〔责任编辑 石白云〕

The Optim ization of G as E xtraction D rillings Synchronizing D rifting in Shaqu Mine

YUAN Sheng-jun
（School of Coal Engineering,ShanxiDatong University,Datong Shanxi，037003）

This paper，on the basis of FLAC numerical simulation，adjusts the drilling parameters of synchronizing drifting of Shaqu mine.The experiment proves that the efficiency of the gas extraction is raised，the threat of coal outburst is reduced and the drilling is accelerated.The study is of great importance.

gas；drillings；coal and gas outburst

TD713.37

A

2013－03－08

袁胜军（1979－），男，山西大同人，硕士，助教，研究方向：煤矿安全工程。

1674－0874（2013）05－0075－03