低透气性煤层综放面高位钻孔层位布置研究

李 宁，王安虎，陈 亮

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000;2.国家安全生产监督管理总局 信息研究院，北京 100029)

高位钻孔抽放采空区瓦斯是一种有效的技术措施，主要以采空区覆岩移动破坏形成的顶板裂隙为通道来抽放卸压瓦斯，以减少采空区瓦斯向工作面及上隅角涌出［1－3］.煤层覆岩冒落变形形成的裂隙发育区不但是瓦斯主要的聚集区域，而且也是瓦斯运移的主要通道［4－6］.通过对采空区“竖三带”分析得出，将高位钻孔终孔位置布置在工作面上隅角顶板上部的裂隙带中，可达到最佳抽采效果［7］. 因此，如何合理确定裂隙带高度及准确把握采空区瓦斯的运移规律，成为高位钻孔能否实现对采空区瓦斯进行高效抽采的主要制约因素。本文采用UEDC 和Fluent 数值模拟软件，对采场上覆岩层中裂隙分布特征与采空区瓦斯运移规律进行了模拟研究，并结合裂隙带中瓦斯的分布状况，合理地优化钻孔布置参数，实现高位钻孔对裂隙带富集瓦斯的高效抽采。

1 工作面概况

郭村煤矿12041 工作面煤层瓦斯含量为8 ～10 m3/t，平均厚度为5.5 m，倾角为18°，煤层透气性系数为2.5 ×10－4～4.2 ×10－4m2/MPa2d，属于低透气性难抽采煤层，工作面走向长度为590 m，倾向长度为180 m，采用走向长壁综采放顶煤回采工艺，顶板管理为全部垮落法。根据经验公式计算，工作面冒落带高10.1 ～14.5 m，裂隙带高度为50 ～82.56 m，平均66.28 m.

2 采空区上覆岩层冒落规律数值模拟

2.1 模型建立

为全面掌握回采期间工作面采空区上覆岩层的冒落变形情况，将模型设计为沿工作面走向的二维计算模型，为了观测到岩块的垮落变形现象，在整个模型垂直方向施加重力加速度为9.8 m/s2. 同时在顶板中布置了4 条观测线(2 m、20 m、40 m、60 m 处)，用于观测采场覆岩变形及应力变化规律，见图1.

图1 模型边界条件示意图

2.2 模型物理力学参数

模型的物理力学参数见表1.

表1 模型的物理力学参数表

2.3 边界条件

模型前后左右4 个侧面为单约束边界，边界水平位移为零，边界结点只允许沿垂直方向运动;模型底部为全约束边界，即底部边界结点水平位移、垂直位移均为零;模型上部边界载荷依据模型埋深，上覆岩石自重应力加载［8］.

2.4 模拟结果及分析

模拟结果显示:当工作面推进20 m、40 m、60 m时，上覆岩层冒落形态见图2.

由图2 可知，工作面推进20 m 时，直接顶开始呈“拱”形冒落;工作面推进40 m 时直接顶发生离层现象并出现垮落，顶板中的滑移裂隙和张开裂隙区域均有所增加，采空区上方张开裂隙已延伸至顶板50 m处，50 ～65 m 处存在不同程度的张开裂隙，滑移裂隙向工作面推进方向扩大延伸且主要分布于未开采的煤体上方;工作面推进60 m 时，顶板已垮落接底，采空区上方顶板中张开裂隙分布区域再次扩大，50 ～65 m处张开裂隙增加，由于工作面推进60 m 时，亚关键层断裂垮落，破断岩层逐步填满采空区，导致裂隙延伸高度至65 m 处不再向上发展，裂隙带高度最大为65 m.

根据以上模拟结果显示，顶板完全跨落后，裂隙带最大延伸高度约为65 m，结合经验公式理论计算值，裂隙带高度为50 ～82.56 m，平均66.28 m，可确定采空区裂隙带高度约为50 ～65 m.

3 采空区瓦斯分布特征数值模拟

3.1 模型建立

图2 随工作面推进上覆岩层冒落形态图

为准确把握采空区瓦斯运移规律及分布特征，运用Fluent 软件建立了U 型通风下回采工作面采空区物理模型，采空区长200 m，宽180 m，高65 m，进风巷和回风巷长20 m，宽3 m，工作面宽为5 m，见图3.

图3 采空区数值模拟物理模型图

3.2 边界条件

12041 回采工作面采空区的瓦斯涌出量为10.5 m3/min，瓦斯密度为0.7 kg/m3.因此，模拟过程所设置参数如下:

采空区瓦斯源项:

运输巷进风口风速:

3.3 模拟结果及分析

运用上述模型，模拟得出采空区的瓦斯体积分数立体分布云图见图4.

图4 采空区瓦斯体积分数立体分布云图

沿回采工作面方向，瓦斯体积分数分布云图见图5.

图5 沿工作面方向的瓦斯浓度分布云图

为更直观了解距上隅角不同位置，瓦斯体积分数分布状况，特截取距离上隅角0 m、15 m、20 m、25 m时的瓦斯体积分数对比结果图，见图6.

图6 距离上隅角不同位置瓦斯体积分数对比图

由图4 ～6 可以看出:沿采空区方向，离工作面越远，瓦斯体积分数越高;沿工作面方向，瓦斯体积分数在进风巷采空区内较低，而在回风巷的上隅角处较高，结合距上隅角不同位置瓦斯体积分数对比结果，得出距上隅角平面约30 m 范围内瓦斯体积分数最高;沿垂直方向，裂隙带内上部瓦斯体积分数高于冒落带内的瓦斯体积分数，并在50 ～65 m 达到最大。造成前两个现象的直接原因为:工作面漏风将瓦斯随风流携带到上隅角，而裂隙带瓦斯浓度高于冒落带瓦斯浓度是由于瓦斯质量分数较空气轻，造成瓦斯上浮［9］.综合上述分析可得，在距离上隅角平面距约30 m，距回采面垂高50 ～65 m 的范围内，为瓦斯富集区域，应是高位钻孔终孔重点布置层位。

4 高位钻孔抽放工艺设计及抽放效果

4.1 钻孔参数设计

在回风巷内做高位钻场，然后施工高位钻孔对距离回风巷30 m、工作面上部50 ～65 m 区域内进行抽放。高位钻场布置在煤层顶板稳定的岩层中，钻场内高位钻孔终孔位置处于工作面上方50 ～65 m，两钻孔终孔之间距离不大于7 m，每两钻场钻孔之间的压茬不低于20 m.钻孔直径110 mm，孔内下置89 mm抽放管，水泥沙浆封孔，见图7.

图7 高位钻孔布置示意图

4.2 抽放效果

该抽放方法有效地利用了顶板垮塌后采空区上部的裂隙发育带。在抽放负压的作用下，采空区上部积聚的高浓度瓦斯通过裂隙带不断进入抽放管路。回风巷1#～4#高位钻场数据显示，高位钻场抽采瓦斯纯量最大达3.64 m3/min，平均为2.40 m3/min，且抽采浓度在30% ～60%，抽采效率较高，有效降低了工作面上隅角瓦斯涌出，抑制了上隅角瓦斯浓度超限。

5 结 语

1)通过UDEC 数值模拟软件，模拟研究了开采煤层上覆岩层冒落变形形态与裂隙分布特征，得出裂隙带延伸高度约为65 m，结合经验公式计算的理论值，确定采空区裂隙带高度为50 ～65 m.

2)运用Fluent 软件，模拟了U 型通风方式下工作面采空区内的瓦斯运移规律，得出在距离上隅角平面约30 m，距回采面垂高50 ～65 m 的范围内为瓦斯富集区域，是高位钻孔终孔重点布置层位。

3)针对瓦斯富集区域，确定了高位钻场瓦斯抽放钻孔的终孔层位，并对钻孔参数进行了优化。现场抽采试验表明:抽采效率较高，有效地抑制了上隅角瓦斯浓度超限。

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