下分层抽采长钻孔终孔位置合理确定

刘增亮

(山西马堡煤业有限公司，山西 长治 046300)

瓦斯含量超标是导致煤矿事故高发的因素之一。在矿井生产过程中,瓦斯抽采是实现矿井瓦斯灾害治理及绿色开采的重要手段[1]。特厚煤层高瓦斯工作面使用分层开采技术时,其下分层的瓦斯卸压后,通过穿层裂缝裂隙逸散到上分层采空区中,在工作面中引起瓦斯超限,而普通钻孔难以抽采到下分层中的已卸压瓦斯[2]。因此,特厚煤层高瓦斯工作面中的瓦斯抽采工作面临着严峻的挑战。

目前国内主要采用尾巷、高位抽放巷、底板岩巷上向网格式钻孔、地面钻孔和高位钻孔等抽采工艺治理特厚煤层高瓦斯工作面[3-5],然而由于这些方法难以定向和长期抽采已卸压的下分层瓦斯,且经济成本较高,抽采效果不佳,很难削弱已卸压下分层瓦斯对工作面产生的影响。本文以某矿205工作面为研究对象,以治理下分层卸压瓦斯为目的,综合研究工作面瓦斯来源、已卸压下分层瓦斯运移规律和底板破坏机理[6],通过理论计算和数值模拟得到千米钻孔在工作面下分层中的合理终孔位置,并通过对比分析现场实测数据,为特厚煤层高瓦斯工作面的瓦斯治理提供参考。

1 下分层煤体卸压及瓦斯运移规律

特厚煤层高瓦斯工作面使用分层开采方法时,采动的作用将直接影响到下分层。上分层的煤体发生上鼓作用,破裂断开产生穿层裂缝裂隙,形成上、下分层间的瓦斯运移通道[7-9];下部少量煤体、底板岩层因上鼓量不同,大量的顺层裂隙发生在层间薄弱面上,导致卸压瓦斯通过交叉裂隙和离层裂隙流至相互贯通的裂缝裂隙中,最后运移到工作面采空区;因煤层中产生大量的交叉裂隙、穿层裂隙和顺层裂隙,导致煤层的透气性系数增大数倍[9-10]。伴随着工作面采空区面积的增大,垮落下来的覆岩逐步被压紧,应力开始恢复,使得下分层煤体的透气性减小,但仍然很难达到原始状态,煤层透气性减小受限。在卸压恢复这一过程中,打破了下分层原始的瓦斯赋存平衡条件,造成绝大多数的吸附态瓦斯向游离态瓦斯转化,为下分层煤体使用千米钻孔抽采瓦斯技术提供了条件。

因回采特厚煤层高瓦斯工作面上分层时,在下分层煤体将会形成“卸压增流”现象,显著提高了煤层透气性,加快了瓦斯“解吸—扩散—渗流”速度[11-13]。所以,实施千米定向钻孔来高效率、大面积和长时间抽采下分层瓦斯是完全可能的。实施千米定向钻孔工艺抽采下分层瓦斯时,需要结合下分层的卸压瓦斯运移规律、采动裂隙场分布规律及塑性变形情况,以获得千米定向钻孔在下分层的合理位置[14-15]。在布置钻孔时需重点注意,在竖直方向上,应在下分层裂隙带布置钻孔,保证当底板发生周期性破坏时,钻孔不会发生塌孔破坏现象,达到钻孔既可以预抽下分层瓦斯,又可以高效率、长时间抽采卸压瓦斯的双重目的[16];在水平方向上,应将钻孔密集布置在O形圈区域内,在工作面采空区后方的压实范围内尽可能减少布孔,钻孔的布置方式如图1所示。

图1 千米钻孔布孔方式Fig.1 Arrangement of kilometer drilling boreholes

2 工程概况

2.1 工作面概况

某矿是高瓦斯矿井,主采2#,3#,8#,9#煤层,其中2#煤层厚度为16.4～21.0 m,属于可抽放煤层,透气性系数为0.25～0.76 m2/(MPa2·d)。205工作面是大采高工作面,煤层平均倾角为4o,平均厚度达到19 m,绝对瓦斯涌出量为81.96 m3/min,相对瓦斯涌出量为17.43 m3/t,瓦斯压力为0.57～0.64 MPa,煤质较硬,坚固性系数可达到1.96～2.80,千米钻孔施工完成后成孔率较高。采用分层开采,其中上分层采高为6 m,全面垮落法管理顶板,工作面长度为200 m,可采走向长度为2 200 m。

2.2 工作面瓦斯来源分析

在回采上分层煤体时,工作面采破煤集中且强度大,且下分层煤体卸压完全,原生裂隙裂缝互相贯通,绝大多数的瓦斯实现了由吸附态向游离态的转化。205工作面已卸压的下分层煤体构成了其采空区瓦斯的主要来源。回采时工作面瓦斯来源分析见表1。从表1发现,205工作面的瓦斯来源于工作面落煤和下分层大量的卸压煤体。所以工作面瓦斯治理的重要方法是在回采工作面之前预抽下分层瓦斯,回采后抽采卸压煤体瓦斯。

表1 205工作面瓦斯构成Table 1 Gas composition of 205 working face

3 钻孔合理位置分析

3.1 裂隙带范围计算

某矿2#煤层倾角小,205工作面地质构造简单,在掘进巷道时只出现一个3.6 m落差的小断层。所以借助经验公式,分析计算下分层裂隙带最大深度hmax,最大裂隙带深度距煤壁水平距离l0,即

(1)

(2)

式中:h为开采深度,m;φ为煤层内摩擦角,(°)。

工作面埋深h为580 m,内摩擦角φ为28°,代入式(1)、(2),计算得到hmax=12.89 m,l0=6.85 m。结果证明,下分层的煤体几乎全部位于卸压裂隙带中。

3.2 下分层卸压范围

3.2.1模型建立

利用数值模拟软件FLAC3D模拟某矿2#煤层上分层开采情况。模型坐标系参数见表2,煤岩体力学参数如表3所示。

表2 模型参数Table 2 Model parameters

表3 煤岩层参数Table 3 Coal and rock parameters

3.2.2钻孔合理位置确定

借助FLAC3D软件数值模拟下分层塑性变形及破坏规律,模拟结果得到塑性破坏的最大距离达到14.5 m;而采用公式计算得到的下分层裂隙带最大距离是12.89 m,二者仅相差1.61 m,表明二者模拟基本符合现场实际。参考理论计算数据和数值模拟的结果,将205工作面下分层塑性破坏最大距离定为13 m。

持续开挖到160 m时,下分层的塑性破坏停止向深部发育,不再跟随工作面的推进而变化。当开挖到180 m时,下分层距煤体不同距离发生塑性破坏的情况如图2所示。从图中可看出,在上分层底板以下3 m距离处(图2a),工作面采空区发生拉张破坏和面状剪切,周围发生剪切破坏,导致煤体发生错位移动,被强烈破坏,充分发育出贯穿裂缝裂隙。在上分层底板以下6 m距离处(图2b),工作面采空区四周发生O型剪切破坏,中间部分局部主要发生拉张破坏,伴随少数剪切破坏,当破坏程度减弱时,煤体开始从剧烈破坏过渡至张裂破坏。在上分层底板以下9 m距离处(图2c),只有采空区四周形成剪切破坏状态,中间区域几乎未发生塑性变形,此时煤体扰动情况较轻微,在此层位布置钻孔,并不会发生塌孔现象。在上分层底板以下12 m处(图2d),唯独在采空区的四周形成间断式的剪切破坏,其他地点几乎没有发生破坏,扰动作用对煤体的影响很小。

分析模拟结果发现,在煤层底板以下6 m距离处,煤层被剧烈破坏,产生了大量的裂缝裂隙且相互贯通发育充分,在此层位施工千米定向钻孔能充分拦截借助竖向裂缝裂隙运移至采空区中的卸压瓦斯。在煤层底板以下6～9 m距离,煤体发生张裂破坏,钻孔未受到严重破坏,仍可保留原本形状,能高效率、较长时间抽采来自下分层的卸压瓦斯,保障了下分层安全快速回采。在煤层底板以下9 m的距离,卸压瓦斯自下而上运移,在压力差的影响下千米定向钻孔将有效阻拦卸压瓦斯,使瓦斯难以涌入到采空区。

(a)底板以下3 m

(b)底板以下6 m

(c)底板以下9 m

(d)底板以下12 m

4 现场试验

借助VLD-1000型千米定向钻机(澳大利亚产)在205工作面回风顺槽和204辅助撤面道施工4个钻场,来施工下分层不同范围的千米钻孔,钻孔布置示意图如图3和图4所示。

1-采区辅运上山;2-采区皮带上山; 3-采区回风上山;4-204辅助撤面道图3 钻孔平面图Fig.3 Plan of drilling holes

图4 钻孔剖面图Fig.4 Profile of drilling holes

设计在每个钻场施工1个主孔，每间距5 m设置4个分支钻孔,钻孔施工参数见表4。钻孔成孔后实施扩孔,扩至直径达到150 mm,利用聚氨酯进行封孔,封孔长度为6 m,钻孔直径为96 mm。

表4 钻孔设计参数Table 4 Design parameters of drilling holes

设计千米钻孔长度在560 m范围内,在成孔时瓦斯抽采体积分数达到52%,联网开始预抽时钻孔瓦斯抽采量开始减小,到工作面开始回采时瓦斯抽采体积分数是36%。工作面回采后,当工作面推进距离、钻孔主孔长度和抽采负压几乎相同条件下,监测距上分层3,6,9,12 m这4个钻孔组的抽采浓度,如图5所示。

图5 随工作面回采各钻孔的抽采情况Fig.5 Drainage concentration of drilling holes on the working face

由图5可知,当4个钻场与工作面距离为30 m时,钻孔瓦斯抽采体积分数平均值在36%左右,同时呈现出逐步减小的趋向。随着工作面回采推进,加快了支撑压力的增高速度,煤体透气性系数迅速下降,导致抽采量减小,但是抽采量减小程度随着钻孔所在层位不同而不同,当钻孔距上分层底板越远,抽采瓦斯量减小越缓慢。当钻孔距回采工作面5～8 m时,抽采量下降到最低点,这时下分层煤体位于应力峰值区,在高应力的影响下,煤体被压缩,内部的裂隙裂缝部分闭合,煤体透气性系数减小到最低点。当钻孔的深度增加时,下分层煤体的透气性系数和抽采量最低值的滞后时间开始延长,滞后时间的最大值约等于工作面回采4.5 m的时间。通过应力峰值区后,下分层煤体开始从应力压缩区转为卸压膨胀区,形成卸压增流效应,透气性系数显著提高。

钻孔进入到采煤工作面后方时,因为煤层底板发生卸压破坏,瓦斯抽采体积分数升高至37.6%后就保持平稳。原因是1#钻场中的钻孔受到破坏,发生塌孔现象,导致孔内瓦斯不能被抽出,瓦斯抽采量再次返回初始状态,因此位于底板以下3 m距离处的钻孔很难实现长期抽采瓦斯的目标。而随着工作面的回采,2#钻场和3#钻场中的钻孔瓦斯抽采体积分数呈现指数上升,最后升高至68%,表明采动矿压没有破坏钻孔,钻孔仍然具有一定的完整性,因此位于底板以下6～9 m范围的煤体发生明显的卸压效果,产生了大量相互贯通的裂隙且发育很完全,煤体透气性显著增大,瓦斯抽采量可以长时间保持在较高水平,实现了千米定向钻孔高效率、较长时间稳定抽采下分层瓦斯的目标。布置在底板以下12 m处的4#钻场,当工作面回采到-20 m距离时,瓦斯抽采体积分数升高至58%后就保持稳定不变,并未发生明显的卸压增流效应,大量的瓦斯逸散到工作面的采空区中。根据瓦斯基础参数测定报告,2#煤层有效抽采半径为3 m,当煤层底板发生卸压破坏后抽采半径会扩大,若抽采钻孔设置在下分层最底部,钻孔有效利用时间将会减小。

综上所述,工作面底板下6～9 m距离为某矿205工作面千米定向钻孔布置的最佳层位,与数值模拟结果基本吻合,此抽采技术为治理特厚煤层高瓦斯工作面提供了一定的借鉴。

5 结论

1)工作面底板以下裂隙带的最大高度为13 m,此范围内下分层煤体处于破坏状态,会产生卸压增流现象,下分层已泄压瓦斯是工作面瓦斯的主要来源。

2)在工作面底板以下6 m范围内,煤体发生严重破坏,底鼓明显,此范围内的钻孔容易被破坏,发生塌孔,难以实现长时间抽采瓦斯的目标;在工作面底板6 m以下区域内千米定向钻孔很少受到破坏,在6～9 m区域内施工钻孔能实现高效率、长期抽采下分层已卸压瓦斯的目标,可有效保障上分层安全开采。

3)在工作面下分层布置千米定向长钻孔能取代底板岩巷的上向网格式钻孔,节省经济成本,减少施工钻孔的周期,保证有足够钻孔的抽采时间。