深部缓倾斜煤层“以孔代巷”抽采技术

2022-12-08郭明功王彬彬刘思博张文琦

西安科技大学学报 2022年6期

郭明功，王彬彬，刘思博，张文琦

（1.平顶山天安煤业股份有限公司八矿，河南平顶山 467000；2.郑州慧矿智能科技有限公司，河南郑州 450016；3.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054）

0 引言

煤炭是中国主体能源，随着浅部资源逐渐枯竭，越来越多矿井进入深部开采阶段（一般采深为800 m以上）。进入深部开采阶段的煤岩体，将承受更为复杂的应力和能量影响，深部矿井煤层瓦斯压力及含量随着开采深度不断加深，呈显著上升趋势，矿井瓦斯灾害发生机理将更为复杂[1-2]。工作面回采过程中，受采动影响，大量卸压瓦斯气体涌入工作面，随着风流在上隅角区域积聚，在一定条件下将发生瓦斯爆炸事故，严重影响井下工作人员和设备的生命财产安全，给煤矿生产企业带来了极大的安全生产压力。防治瓦斯灾害的根本方法是瓦斯抽采，其中采动卸压瓦斯抽采是高效途径之一[3]。

针对综采工作面卸压瓦斯防治技术，诸多学者已取得丰富研究成果。钱鸣高基于“O”形圈理论提出了卸压瓦斯抽放方法，使得卸压瓦斯防治有了突破性成果[4]。张勇、双海清等针对覆岩裂隙发育形态的煤层倾角效应进行了研究，以此制定卸压瓦斯抽采方案[5-6]。朱南南等针对采空区与采场气体流动中瓦斯扩散的差异问题建立了各自的强耦合数学模型[7]。CAO通过Udec及Comsol研究了采空区上覆岩层卸压瓦斯的运移规律[8]。高抽巷在抽采卸压瓦斯时持续时间长、影响面积大、效果良好，现场得到了大量应用，在高抽巷治理瓦斯研究方面，徐超、康建宏、马恒、靳晓华、冯雪、周华东等基于采空区气体渗流模型研究煤层采动过程中覆岩裂隙演化规律，通过数值模拟结合理论分析确定了高抽巷合理布置层位[9-14]。

由于高抽巷施工层位需要具备一定条件，施工周期长、施工及维护成本大，并存在一定安全风险，随着国产定向钻机进步迅速，越来越多的煤矿选择高位定向长钻孔代替高抽巷抽采卸压瓦斯。“以孔代巷”瓦斯抽采技术原理是根据覆岩采动裂隙演化特征及瓦斯流场情况，确定卸压瓦斯富集区，然后通过精准施工高位定向长钻孔，将钻孔层位一直保持在“O”形圈内，并使钻孔轨迹沿顶板断裂带有效延伸，从而实现对卸压瓦斯富集区内瓦斯稳定长时高效抽采，最终达到以孔代巷的目的。童碧、林海飞等通过现场研究发现顶板定向长钻孔可代替高抽巷进行卸压瓦斯抽采，该方法可提升瓦斯抽采效率，减少瓦斯防治成本[15-16]。刘振明、刘啸、张文琦等通过研究顶板覆岩裂隙发育规律，结合卸压区分布特征，合理优化设计高位钻孔布置层位[17-19]。毕慧杰、邱春亮、龚选平等通过物理模拟研究了高位钻孔的布置层位，这些研究为现场“以孔代巷”瓦斯防治提供了理论基础并取得了良好的抽采效果[20-22]。

上述研究为采空区卸压瓦斯防治技术关键参数的确定提供了丰富的参考价值，受煤层倾角影响，工作面采动过程中覆岩裂隙时空演化规律及卸压瓦斯运移规律将发生明显改变，因此对于缓倾斜煤层卸压瓦斯防治还需进一步深入研究。文中以实际工作面开采过程中瓦斯防治为案例，通过物理相似模拟研究了缓倾斜煤层裂隙分布规律，在此基础上建立了采空区瓦斯运移模型，并通过数值模拟对比不同钻孔布置参数下工作面瓦斯浓度变化情况，确定最优层位，并在现场进行实践，以期为深部缓倾斜煤层高位定向长钻孔“以孔代巷”抽采技术提供借鉴和参考。

1 工程概况

平顶山矿区某缓倾斜工作面主采己15煤，标高-563～-681 m，地面标高+140～+180 m，埋藏深度703～861 m，属于深部矿井。工作面可采走向长度893 m，倾向长度200 m，煤层厚度3.4～3.85 m，平均3.6 m，煤层倾角5°～23°。己15煤层原始瓦斯压力为1.9 MPa，瓦斯含量13.26 m3/t，是典型的高瓦斯突出危险工作面。煤层直接顶为砂质泥岩、直接底为泥岩。

2 缓倾斜工作面采动裂隙分布特征

2.1 相似模拟试验设计

依据工作面地质柱状图，建立倾向物理相似模拟试验模型，试验采用二维可变倾角物理相似模拟试验平台，该平台可利用倾角控制系统实现对相似模拟平台的角度控制，方便试验模型的搭建。

试验采用河沙为骨料，碳酸钙和石膏为胶合剂进行搭建，云母粉模拟岩层间层理。根据相似学原理，确定模型相似常数见表1，最终确定模型的尺寸为1.5 m×0.15 m×1.2 m（长×宽×高）。

模型搭建好后，待其自然风干后开始试验。试验过程中，在煤层上方10,30,50,70,90 m处布置测线，观察模拟岩层的运动情况。同时，在模型上方附加配重模拟上方岩层的重量。为了避免边界效应，在模型的两边各留等长煤柱。倾向模型试验中一般采用一步开挖方式，模型两边各留25 cm煤柱以减少边界效应。

2.2 试验结果及分析

煤层开挖后，上覆岩层首先出现横向的离层裂隙，由于达到岩层承载强度的极限，岩层逐渐出现竖向裂隙，随后发生破断。煤层开采后的覆岩移动及裂隙分布图如图1所示，煤层开挖后，覆岩采动裂隙分布形态呈梯形，破断裂隙发育至距煤层顶板65 m处的位置，该处出现较大的离层空间。受煤层倾角和采动应力影响，工作面上端头区域和中部区域破碎岩块将向下端头产生一定的滑移，造成上端头区域处的覆岩位移量相对较大，进一步增大了工作面上端头区域上覆岩层的垮落空间。在工作面下端头受上部下滑岩块的支撑影响，使其不易形成较大离层量，表现为上端头垮落角相对较大，为54°，下端头垮落角为50°。

图1 采动覆岩裂隙分布Fig.1 Distribution of mining overburden fracture

对模型中的测点下沉量进行测量与统计得到测点下沉量如图2所示。上覆岩层下沉量呈“U”形，且随着距离煤层顶板距离越远，上覆岩层的下沉量越小。同时，下沉量曲线呈现出下端头密集，上端头稀疏的情况，说明下端头处下沉量变化较快，且下沉量中心线靠近工作面下端头，说明采场覆岩受重力影响有向下端头运动的趋势。

图2 覆岩下沉量分布Fig.2 Subsidence distribution of overlying rock

根据工作面各测点的下沉量及其间距，可得到倾向模型距顶板10～30，30～50，50～70和70～90 m的离层率分布情况，如图3所示。

图3 缓倾斜煤层离层率分布Fig.3 Separation rate distribution of gently inclined coal seam

由图3可知，覆岩裂隙离层率分布整体呈现出进风巷低、回风巷侧高的不对称性。离层率最大位置为工作面倾向160 m且距煤层顶板10～30 m处。随着层位的增高，离层率峰值逐渐减小，且峰值出现的位置逐渐向采空区中部集中。距煤层顶板10～30，30～50 m离层率均是工作面倾向125～175 m大于25～75 m，主要是由于工作面上端头覆岩破断向下端头产生一定的滑移，导致上端头区域覆岩位移量相对较大。距煤层顶板高度50～70 m离层率2个峰值位置出现在工作面倾向60，100 m处，工作面倾向100 m位于采空区中部，更靠近压实区中心位置，而工作面倾向60 m更靠近进风巷侧裂隙区。一般情况下裂隙区离层率大于压实区离层率，因此距煤层顶板高度50～70 m时工作面倾向100 m处离层率小于工作面倾向60 m处离层率。在距煤层顶板70 m以上时，离层率转化为单峰形态，峰值位置偏向工作面下端头。

3 深部缓倾斜煤层卸压瓦斯运储区模型建立

通过对工作面倾向模型的裂隙分布规律分析发现，缓倾斜煤层离层裂隙仍然呈现出“O”型圈形态，且“O”型圈中心线相较于采场中心线，更靠近于工作面下端头处[23]。这是由于煤层顶板覆岩所受到的载荷不同，造成了其极限破断距离不同[24]，且上端头极限破断距大于下端头，造成上端头位置离层裂隙量较大。

对覆岩垮落形态进行分析后发现，距煤层顶板12 m处岩层发生破断回转，出现砌体梁结构，使得上覆岩层被该层支撑，未出现垮落现象，而在该砌体梁结构下方，由于直接顶的垮落，形成面积较大的离层空间。而在距煤层顶板65 m处，由于上覆关键层支撑作用，同样出现较大的离层空间，上方岩层仅发生了微小弯曲，未有破断裂隙产生，覆岩保持了较好的完整性。故可根据“竖三带”理论，冒落带高度为12 m，裂隙带高度为65 m。

根据缓倾斜工作面回采后覆岩采动裂隙分布特征和卸压瓦斯运移规律[5-6]，建立深部缓倾斜煤层卸压瓦斯运储区模型，如图4所示。其中，采空区瓦斯运储区整体模型为梯形，中部为压实区，压实区外被瓦斯运储区包围，通过对上覆岩层中裂隙宽度进行测量发现上端头运储区宽度为30 m，下端头运储区宽度为15 m。

图4 缓倾斜煤层瓦斯运储区模型Fig.4 Model of gas transport and storage area of gently-inclined coal seam

4 “以孔代巷”卸压瓦斯抽采参数优化

4.1 模型建立

为了方便研究，采空区模型做以下假设：①假设采空区内气体连续且不可压缩；②将采空区看做多孔介质且各向同性；③不考虑采空区内化学反应及温度对气体流动的影响。气体流动遵循质量守恒、动量守恒和组分守恒方程，湍流模型采用RNG-k-ε方程[25-26]。

利用Work Bench中的Design Modeler模块根据上述研究所得到的瓦斯运储区模型进行采空区建模。采空区走向长度250 m，倾向长度200 m，高65 m。工作面3.5 m×8 m（高×宽），进风巷及回风巷3.5 m×4 m（高×宽），长度为30 m，模型倾角为20°。

随后利用Mesh模块进行网格划分，所选网格为四面体网格。由于网格大小直接决定着计算精度和求解时间，根据前期不同质量网格模拟结果，将采空区内网格尺寸设定为5 m，工作面及巷道网格尺寸为0.5 m，网格划分结果如图5所示。

网格划分完毕后，进行边界条件及参数设置。将进风巷设置为速度入口，回风巷设置为自然出流。其中压实区孔隙率0.15，瓦斯运储区孔隙率0.20，重力加速度设置为-9.8 m/s2。

图5 网格划分结果Fig.5 Results of grid division

4.2 采空区不同风量下流场模拟分析

在工作面瓦斯防治过程中，最初的方法就是通过加大通风量来稀释采掘工作面涌出的瓦斯，结合数值模拟研究配风量为1 500,2 000,2 500,3 000及3 500 m3/min情况下的工作面及采空区内部瓦斯分布情况。

由于工作面漏风及瓦斯升浮效应等多方面影响，工作面附近及进风巷侧采空区瓦斯被漏风稀释，瓦斯浓度较小，与此同时，瓦斯在回风巷侧及采空区深部浓度积聚，达到了55%以上，高浓度瓦斯区域呈现出明显的扇形分布，如图6所示。

图6 配风量为3 000 m3/min时采空区瓦斯浓度分布Fig.6 Gas concentration distribution in goaf when air intake is 3 000 m3/min

随着与进风巷距离的不断增大，工作面瓦斯浓度逐渐升高，由于“U”型通风在隅角区域的涡流效应，瓦斯浓度在上隅角位置达到最大值，形成瓦斯聚集区域。对比不同配风量条件下工作面瓦斯浓度分布情况（图7）可知，当配风量逐渐增大时，进风巷侧后方低浓度瓦斯区域逐渐增大，高浓度瓦斯区域逐渐减小。

在上隅角区域横向布置3个监测点监测不同配风量下瓦斯浓度情况，不同配风量下上隅角最大瓦斯浓度如图8所示。当风量为1 500 m3/min时，上隅角瓦斯浓度最大，为3.6%，且随着风流的增大，工作面瓦斯浓度逐渐减小并趋于稳定，但仍然会在上隅角区域产生聚集。在所研究的5个水平内，当风量增加至3 000 m3/ min之后，上隅角瓦斯浓度趋于平衡，不再发生变化，浓度为2%。说明只通过风排瓦斯不能满足工作面安全回采的需求，需要对采空区瓦斯进行抽采。同时在工作面实际回采过程中，风量的增加还需考虑采空区遗煤自燃、巷道风速、漏风等问题。

图7 不同风量情况下工作面瓦斯浓度分布特征Fig.7 Distribution characteristics of gas concentration in working face under different air volume

图8 不同配风量下上隅角最大瓦斯浓度分布Fig.8 Maximum gas concentration distribution in upper corner under different air distribution

4.3 高抽巷抽采效果模拟

参考该工作面相邻工作面高抽巷布置层位，将高抽巷布置在距煤层顶板20 m，距回风巷30 m的位置进行抽采。高抽巷抽采后采空区瓦斯分布如图9所示。

图9 高抽巷抽采条件下采空区瓦斯浓度分布Fig.9 Gas concentration distribution in goaf under high drainage roadway drainage conditions

当高抽巷开始抽采后，采空区瓦斯浓度分布较未抽采期间发生了明显变化，采空区最大瓦斯浓度降低10%以上。受抽采影响，高抽巷下部瓦斯浓度下降明显，上隅角瓦斯浓度降低至0.7%，与未抽采时2.5%的浓度相比，降低了72%，说明采用当高抽巷抽采时，可有效拦截采空区瓦斯进入工作面，能够保障工作面瓦斯浓度不超过1%。模拟效果与相邻工作面实际回采过程中隅角浓度相符，证明该模型建立正确，可以用来研究高位钻孔抽采的关键参数。

4.4 高位定向长钻孔抽采优化

根据现场初步规划，高位定向钻孔布置示意如图10所示，每个钻场拟定施工6个钻孔，故文中采取每组6个钻孔进行抽采模拟研究。

结合工作面覆岩采动裂隙分布规律，设计距煤层顶板15，20，25及30 m这4个层位的高位定向长钻孔，覆盖上端头瓦斯运储区，钻孔水平相距5 m，通过对模拟结果沿走向切片处理，切片间距40 m，得到不同层位下工作面瓦斯浓度分布特征如图11所示。

图10 高位定向钻孔布置示意Fig.10 High level directional drilling layout

图11 不同抽采层位下工作面瓦斯浓度分布特征Fig.11 Gas concentration distribution characteristics of working face under different extraction layers

由图11可知，不同抽采垂距下采空区瓦斯浓度特征均表现为：沿工作面倾向进风巷侧瓦斯浓度较低，回风巷侧瓦斯浓度较高，沿工作面走向瓦斯从隅角往采空区深部浓度逐渐升高。为进一步定量化分析不同抽采垂距情况下工作面瓦斯抽采效果，得到上隅角瓦斯浓度如图12所示。

图12 不同钻孔垂距抽采下工作面上隅角瓦斯浓度Fig.12 Gas concentration in upper corner of working face under different drilling vertical distance extraction

由图12可知，当钻孔距煤层顶板15 m位置时，上隅角瓦斯浓度最高，达到了1.56%。当钻孔距煤层顶板20 m位置时，上隅角瓦斯浓度出现大幅度下降，此时浓度为0.72%。随后当钻孔垂距分别位于距煤层顶板25 m及30 m时，上隅角瓦斯浓度又出现上升趋势。

综上分析，当钻孔位于距煤层顶板15 m位置时，受工作面风流影响，钻孔无法抽得浓度较高的瓦斯，使得无法有效控制上隅角瓦斯浓度。当钻孔垂距逐渐增大，虽然可抽得浓度较高的瓦斯，但是无法拦截下方瓦斯进入工作面，造成上隅角瓦斯浓度有小幅上升并超过安全限值。因此，当钻孔垂距为20 m时与高抽巷抽采情况下上隅角防治效果基本相同。

5 工程验证

根据上述研究，在距与工作面开切眼500 m处布置1#钻场，共施工一排6个高位定向长钻孔，定向钻孔垂距为20 m，孔间距为5 m，平均施工深度为519 m，工作面配风量为1 500 m3/min，1#钻场抽采期内瓦斯防治效果如图13所示。

图13 试验工作面瓦斯防治效果Fig.13 Gas prevention effects in a study working face

1#钻场开始抽采后，瓦斯抽采纯量最大为3.9 m3/min，最小为0.6 m3/min。上隅角最大瓦斯浓度为0.76%，平均为0.48%，未出现超限现象。而相邻工作面采用高抽巷治理瓦斯时，上隅角瓦斯最大瓦斯浓度为0.7%，平均为0.49%，与高位钻孔瓦斯治理效果相当。因此，高位定向长钻孔保障了工作面安全回采，达到了“以孔代巷”防治瓦斯目的，有效降低了卸压瓦斯防治成本。