高瓦斯突出煤层底抽巷穿层钻孔动压瓦斯二次抽采技术及应用

李延河，翟 成，丁 熊

（1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南平顶山 467000；2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南平顶山 467000；3.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116）

随着采深的增加及开采规模的增大，瓦斯压力、地应力、采动应力等多种因素相互交织，高瓦斯矿井面临的煤与瓦斯突出威胁愈加严重[1-2]。采动影响下，煤体地应力变化会导致工作面前方煤体产生破坏变形，改变煤体的孔裂隙网络，为瓦斯的涌出和运移提供流动通道[3-6]。因此，降低工作面瓦斯体积分数，提高采动区煤层瓦斯抽采效率对煤层回采安全生产意义重大。目前研究表明，地应力重分布对煤体破坏和瓦斯抽采有着重要影响。林柏泉等[7]研究了应力集中对于煤体瓦斯分布流动的影响，提出工作面前方煤体的垂向应力方程和瓦斯流动方程；林柏泉等[8]、齐黎明等[9]通过现场测试、数值模拟，结合岩石力学和损伤力学理论，得出工作面前方煤体沿走向和倾向上的主应力变化特征，研究地应力变化对煤体渗透率影响；张建国等[10]基于煤与瓦斯突出理论分析了卸压区宽度及其煤体稳定性，研究并试验了卸压区浅孔抽放技术；吴仁伦等[11-12]依据现场煤层瓦斯抽采结果，结合应力分布将工作面前方煤体分为4 个抽采区，并估算各区大致范围；郑吉玉等[13]在计算卸压区宽度时考虑瓦斯压力影响，建立卸压区宽度求解方程并与现场实测卸压区宽度相验证；许江等[14]、CHEN Y 等[15]开展采动影响下工作面前方瓦斯抽采的物模试验，研究了卸压区和应力集中区内瓦斯渗透率变化规律和抽采效果。

传统的底板岩巷主要用于预抽煤巷条带瓦斯，利用率低。为此，提出了底板岩巷卸压瓦斯二次抽采技术，通过从底板岩巷向上覆煤层施工穿层截流钻孔，研究回采期间利用底板岩巷穿层钻孔进行二次抽采上覆煤层受采动卸压瓦斯。高效抽采上覆煤层的采动卸压瓦斯的同时，既保证了工作面的安全生产，也提高了底板岩巷的利用率。现场动压区瓦斯抽采数据表明，动压区瓦斯二次抽采关键技术能够有效提高回采期间工作面瓦斯抽采体积分数和抽采纯量，可以为其他高瓦斯突出煤层瓦斯治理提供参考。

1 矿井概况

首山一矿12110 采面可采走向长1 536 m，倾斜采长260 m。煤层结构单一，煤层厚度4.01～6.50 m，平均5.3 m；煤层倾角3°～10°，平均7°。直接底板为灰色泥岩，基本底为石灰岩，夹薄层泥岩及煤线。己15-17-12110 采面位于白石山背斜南东翼，埋深大，封闭性好，瓦斯压力大，瓦斯地质条件复杂。12110工作面最大原始瓦斯压力为0.8 MPa，最大原始瓦斯含量为9.2 m3/t，为突出煤层，且不具备保护层开采条件。

2 工作面回采数值模拟

分析回采期间底抽巷穿层钻孔动压瓦斯抽采效果需要结合工作面采动影响下动压区应力分布情况和塑性破坏规律，根据首山一矿采面布置和地质条件使用FLAC3D软件和摩尔库伦模型进行12110 工作面回采数值模拟。

煤岩体岩层力学参数见表1，模型尺寸为400 m×400 m×200 m。在模型四周约束法向位移，在底部约束三向位移，模型顶部距地表约800 m，施加荷载20 MPa。12110 工作面宽260 m，沿y 轴方向开采180 m，步长4 m。工作面开采前沿y 轴掘进煤巷320 m，步长4 m。

表1 岩层力学参数Table 1 Mechanics parameters of rock formation

2.1 工作面应力分布

模拟煤层回采长度为60、120、180 m，对其中煤层回采长度为120、180 m 时工作面前方150 m 范围内的煤体地应力值变化进行分析，回采期间工作面前方应力分布如图1。

图1 回采期间工作面前方应力分布Fig.1 Stress distribution in front of the working face during mining

当煤层回采长度为120、180 m 时，煤体垂直峰值应力分别为64.1、67.2 MPa，应力集中系数K 为2.8～3.0。随着回采长度的增加，应力峰值和应力集中系数都逐渐增大并趋于稳定。工作面回采过程中，x、y、z 向应力峰值点分别位于回采工作面前方9、12、9 m 处，卸压区分别在工作面前方3～4 、5～6、3～4 m 范围内。在地应力变化影响煤层渗透率过程中，垂直应力占主导地位。以应力峰值点为边界可以将工作面前方煤体划分为峰前加载和峰后卸载阶段。峰后卸载阶段在工作面前方0～9 m，在此范围内煤体破坏，扩容膨胀，裂隙贯穿发展，渗透率逐渐增大。在峰后卸载阶段后期即卸压区内，即工作面前方3～4 m，会出现松动破裂区域，煤层透气性系数急剧增大。

由于煤层埋深约为900 m，属于σHv型构造应力场，初始y 向水平应力大于垂直应力。峰前加载阶段垂直应力加载速率远大于水平应力，当煤层回采长度为120、180 m 时，在工作面前方55～65 m 处垂直应力由中间主应力转变为最大主应力，会对煤体破坏和渗透率变化产生影响。

2.2 工作面前方塑性区分布

当工作面回采至60、120、180 m 时，工作面前方塑性破坏范围均为0～7 m。回采长度为180 m 时煤层倾向中部工作面前方塑性区分布如图2。

图2 回采180 m 工作面前方塑性区分布Fig.2 Distribution of plastic zone in front of the workface at mining 180 m

结合应力分布数据可知工作面塑性破坏范围与垂直应力峰后卸载区域基本重合，表明垂直应力在工作面前方煤体破坏和渗透率变化过程中起主导作用，在塑性破坏区内煤体破裂，原生裂隙和新生裂隙相互贯通，有利于煤层瓦斯抽采。

3 底抽巷穿层钻孔动压瓦斯二次抽采技术

3.1 动压瓦斯抽采范围

根据数值模拟结果，工作面前方塑性破坏区约为7～9 m 范围内，卸压区宽度约为3～4 m 范围内，主要应力集中区位于卸压区至工作面前方35～65 m处，集中应力影响区位于工作面前方35～65 m 以远。回采期间初始动压瓦斯抽采范围为工作面前方0～100 m，包括塑性破坏区、卸压区和应力集中区。

3.2 动压区瓦斯二次抽采方案

为提高底板岩巷利用率，有效地解决抽采采动影响下回采工作面瓦斯涌出问题，提出底抽巷穿层钻孔二次抽采动压瓦斯技术，在12110 采面回采期间利用中抽巷进行工作面前方煤体动压瓦斯二次抽采，实现底板瓦斯抽采巷道的“一巷多用”。在中抽巷敷设2 趟抽采管路，提高抽采负压，分别用于穿层钻孔预抽回采区域瓦斯和穿层钻孔二次抽采采动卸压区瓦斯，动压区瓦斯二次抽采如图3。

图3 动压区瓦斯二次抽采Fig.3 Secondary extraction of gas in dynamic pressure zone

利用12110 中抽巷对应采面切眼向外100 m 范围内原施工穿层钻孔（水力冲孔）敷设专用抽采管路加强动压区抽采。穿层钻孔设计如下：从停采线外20 m 开始，在12110 中抽巷向煤层施工穿层钻孔，每组钻孔14 个，单双号分排施工。在中抽巷中钻孔起始组间距6.4 m，排间距3.2 m，后期在每组钻孔中间施工加密钻孔5 个用以加强动压区抽采，抽采回采工作面中抽巷向外80 m 范围全部煤体区域。中抽巷顶板穿层钻孔俯视图如图4。

图4 中抽巷顶板穿层钻孔俯视图Fig.4 Top view of crossing boreholes in the middle gas extraction roadway

4 现场应用效果

4.1 钻孔瓦斯体积分数检测

动压区抽采钻孔瓦斯体积分数检测在12110 中抽巷进行。检测工作面前方100 m 范围内每组动压抽采钻孔编号为1#～12#的12 个钻孔，共进行3 次体积分数检测，钻孔瓦斯体积分数变化如图5。

图5 工作面前方钻孔瓦斯体积分数Fig.5 Gas concentration of boreholes in front of the working face

由图5（a）可以看出：在工作面前方100 m 内的钻孔瓦斯抽采体积分数发生了明显的变化；在距离工作面较近的位置，钻孔瓦斯体积分数较高，随着远离工作面，瓦斯体积分数呈现下降的趋势；在15 组钻孔中，位于工作面前方6.4～12.8 m 的103 组钻孔平均体积分数最高，结合工作面前方塑性破坏区分布范围，由于煤体破坏，裂隙贯通，煤体透气性增加。而104 组钻孔由于受采动影响较大，煤体破坏严重，导致钻孔漏风，瓦斯体积分数降低；工作面前方20 m 内钻孔瓦斯平均体积分数均超过了20%，而在距离工作面较远区域，96～90 组处于原始应力区，瓦斯抽采体积分数稳定且较低，普遍低于10%。

由图5（b）可以看出：二次体积分数检测钻孔为88～102 组的3#、4#、9#、10#钻孔。与一次检测相似，钻孔瓦斯体积分数由于距离工作工作面长度不同而差异较大。距离工作面最近的102 组瓦斯体积分数与一次检测相比更低，4#、10#瓦斯体积分数已低于20%；瓦斯体积分数在第101 组时达到最大值，10#钻孔瓦斯体积分数超过50%；20 m 内钻孔平均瓦斯体积分数也超过了20%，在20～50 m 范围内瓦斯体积分数处于波动下降阶段并趋于稳定。

由图5（c）可以看出：三次瓦斯体积分数检测钻孔为85～99 组的5#、～8#钻孔，在工作面前方20 m内钻孔瓦斯抽采浓度较高，随着与工作面距离变大，瓦斯抽采体积分数逐渐降低至5%左右。

根据钻孔瓦斯体积分数的变化，可以将采面前方动压区在走向上划分为3 个区域：第1 个区域为工作面前方20 m 范围内的瓦斯高效抽采区，此区域煤体扩容破碎，裂隙发育贯通，瓦斯易于流动，在靠近工作面的位置煤体瓦斯在采面风流的影响下从裂隙中逸散，所以钻孔瓦斯体积分数相对较低；距离采面稍远的位置，解吸至裂隙中瓦斯受到采面风流的影响较小，大部分瓦斯由抽采钻孔抽出，抽采瓦斯体积分数相对较大；第2 个区域为瓦斯有效抽采区，煤体处于应力集中区，瓦斯抽采体积分数随着与工作面距离增加而波动降低。 距离工作面较远的边界大约为50～60 m，根据工作面前方主应力变化分析可知，此边界与最大主应力转变边界相似，所以垂直主应力的大幅度增加从而变成最大主应力是导致瓦斯抽采体积分数增加的原因之一；第3 个区域为50～60 m 以远的原始抽采区，在这个范围内的钻孔瓦斯体积分数基本稳定在10%以下，煤体处于原始应力区或者应力集中程度很小，不受采动影响或者所受影响较小。

4.2 动压区月瓦斯抽采量

动压区瓦斯抽采从2020 年2 月开始实施，12110 采面中抽巷瓦斯抽采月抽采量见表2。

表2 中抽巷瓦斯抽采月抽采量Table 2 Monthly gas extraction volume of the middle gas extraction roadway

2 月动压区抽采钻孔数量为非动压区穿层抽采钻孔数量的6.857%，共抽采65 768 m3瓦斯，为非动压区抽采穿层钻孔当月抽采量的48.87%；3 月动压区抽采钻孔数量为非动压区穿层抽采钻孔数量的5.486%，共抽采55 763 m3瓦斯，为非动压区穿层抽采钻孔当月抽采量的31.68%；4 月动压区抽采钻孔数量为非动压区穿层抽采钻孔数量的9.05%，共抽采155 690 m3瓦斯，为非动压区穿层抽采钻孔当月抽采量的74.01%。利用中抽巷进行采动区瓦斯二次抽采效果显著，能够有效保障采面的安全高效生产。

5 结 语

1）垂直应力峰后卸载阶段和塑性破坏区域均在工作面前方7～9 m 之内，表明垂直应力在工作面前方煤体破坏过程中起主导作用，在此范围内煤体扩容膨胀破坏，裂隙贯穿发育，渗透率逐渐增大，有利于煤层瓦斯抽采。

2）根据现场瓦斯体积分数监测将工作面前方煤体分为高效抽采区、有效抽采区和原始抽采区。高效抽采区在工作面前方20 m 以内，平均瓦斯抽采体积分数为30%以上。有效抽采区瓦斯抽采受到动压影响，瓦斯抽采体积分数随着与工作面距离增大而波动下降。原始抽采区范围为50～60 m 以远，钻孔瓦斯体积分数基本稳定在10%以下，受采动影响较小。有效抽采区与原始抽采区边界在最大主应力转变区域，垂直应力由中间主应力转变为最大主应力，会对煤体破坏和渗透率变化产生影响。

3）高瓦斯突出煤层底抽巷穿层钻孔动压瓦斯二次抽采技术在12110 工作面中抽巷应用效果较好，动压区抽采钻孔数量很少，为非动压区抽采钻孔数量的5%～10%，但动压区月抽采量最高可达到非动压区月抽采量的74.01%。实现充分利用中抽巷实现回采过程中采动区瓦斯二次高效抽采，降低工作面瓦斯体积分数。