近距离突出危险煤层群卸压瓦斯抽采技术研究

金廷旭，谢建林，孙晓元

（太原科技大学安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

采动卸压抽采是降低近距离突出危险煤层群开采危险性的关键技术。王凌鹤[8]、程志恒[9]和杨正凯[10]等人针对沙曲井田近距离各煤层均具有突出危险性的情况，建立了上保护层为主的井上下联合防突模式；刘震等[11]以淮北青东矿近距离突出煤层群为例，理论分析了上保护层开采底板卸压与瓦斯涌出规律，制定了上保护层开采瓦斯的立体抽采技术；马国强等[12]为破解松藻煤电打通一矿近距离突出煤层群上保护层开采面临的快速消突与瓦斯超限难题，提出了以“增透护孔快速消突、抽排瓦斯解决超限”为思路的瓦斯综合治理技术体系；黄鹤[13]结合复杂地质条件下依兰三矿近距离突出煤层群的赋存特点，确定了首采工作面在回采前和回采时的综合瓦斯治理技术；张国锋[14]针对白皎煤矿2421首采面下伏多煤层均具有突出危险性的现状，构建了“底板穿层网格钻孔抽采+俯斜穿层拦截钻孔抽采+顶板钻孔抽采”的综合立体式卸压瓦斯抽采系统；刘雪莉[15]将淮南新庄孜矿多个突出煤层整合成一个治理单元，以弱突出煤层为关键保护层，明确了“上下递进、立体抽采”的邻近煤层卸压瓦斯抽放技术。

综合上述分析可知，对于近距离突出危险煤层群而言，如何施工顶板走向长钻孔以解决上邻近层瓦斯成为当前亟需解决的问题。许多学者针对采动卸压抽采系统进行了全面分析，形成系统、成熟的瓦斯抽采理论与技术。这些研究为近距离突出危险煤层群的开采提供了借鉴实例，但提出的方法都有一定的适用性。对西山煤电屯兰矿而言，该矿煤层结构复杂，瓦斯涌出量大，突出危险性强，抽采十分困难。鉴于此，笔者在系统分析了工作面回采时的应力分布变化和与煤岩位移情况，进而提出了有针对性的顶板定向长钻孔设计方案，并对其进行了现场考察与分析。研究成果可为类似条件的煤层安全回采提供经验。

1 仿真模型构建

现场实测表明[16]，屯兰煤矿属于典型的近距离突出危险煤层群开采，首采的2 号煤层具有“高压力、低含量”突出特征。以北三盘区左翼22302 工作面为例，其主采2 号煤层和3 号煤层，2 号煤层厚度为2.12 m，3 号煤层厚度为0.67 m，两者之间夹有平均0.49 m 的炭质泥岩。2 号煤层顶板向上地层中含有1 号煤层、03 号煤层和02 号煤层，3 号煤层底板向下地层中含有4 号煤层和4 号下煤层。煤层综合赋存情况如图1 所示。工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高全部垮落综合机械化采煤方法，走向长度为1 600 m，倾斜长150 m。根据中煤科工集团重庆研究院的预测结果，2 号煤层和邻近的4 号煤层均具有突出危险性。

图1 22302 回采工作面煤层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of the coal seam in 22302 mining face

经过分析，22302 工作面回采时的瓦斯来源主要为本煤层瓦斯及上下邻近层瓦斯。因此，该工作面使用“本煤层预抽+上邻近层瓦斯抽采+采空区后部瓦斯抽采”的方式来解决回采期间的瓦斯问题。在上述综合抽采技术体系之中，本煤层使用轨道顺槽单侧沿层钻孔，采空区则利用从瓦斯治理巷向采空区后部施工大直径钻孔。上述两种抽采方法相对经典，抽采工艺的确立原则较为也明确。。实际上，顶板钻孔的布置方案受工作面地质情况、瓦斯赋存情况和巷道分布情况等多重因素的影响，故需要结合实际情况进行模拟仿真，以分析22302 工作面回采期间上下煤层的应力、位移与塑性区分布情况，从中选取合理的布孔方案，指导施工作业与现场实践。

结合屯兰煤矿22302 工作面作业规程和邻近工作面采掘情况[17-18]，确立工作面及相关煤岩层的物理力学参数（表1）。根据表1 的相关参数，利用FLAC3D 软件构建22302 工作面的仿真模型。为避免边界效应对模拟结果的影响，x 方向（倾向）和y 方向（走向）均设定为210 m，z 方向（竖向）高度设定为30.42 m。由此所建立的模型共含有24 255 个节点和27 104 个网格，如图2 所示。

图2 仿真模型及网格划分情况图Fig.2 Simulation model and grid division diagram

表1 22302 回采工作面及邻近煤岩层基本情况表Table 1 Basic situation table of 22302 mining face and adjacent coal and rock strata

2 仿真模拟初步分析

根据22302 回采面作业规程，工作面标高为676～803 m，地面标高为1 081～1 208 m，对其进行均值化处理，确立工作面的平均埋深为450 m，模型上端面的埋深近似为430 m。参照垂直地应力的分布规律，在埋深25～2 700 m，垂直地应力值与2.7 g/cm3计算出的上覆岩层自重基本相当[19]。由此可知模型上部端面所施加的载荷为11.7 MPa。模型的其他断面均设置为速度固定，本构模型选择摩尔-库伦屈服准则，依据默认收敛标准进行求解。

2.1 未开挖时仿真结果分析

利用Tecplot 软件对未开挖情况下22302 工作面的应力与位移分布情况进行后处理，选取回采工作面中部截面y=105 m 进行分析，所得到的分布结果如图3 所示。由图3 可知，在11.7 MPa 的原岩应力作用下，应力和位移梯度线基本呈水平分布。由于模型底端固定，最大位移量出现在模型顶部，其值为1.8 mm。相应地，位于模型底部的最大垂直应力为12.35 MPa，经校核该值与理论计算结果基本一致。

例如：在进行小学数学五年级的有关于圆的相关知识的时候，老师可以进行有趣的教学环境的创设，让学生可以充分掌握相关的知识点。比如，在进行教学的时候，首先老师拿出一个圆的模型，让学生想一想我们的生活中与圆有关的事物有哪一些。让学生举手进行回答。然后利用多媒体课件进行有关视频的播放，在视频中以动画的形式展开，让学生可以从中明白圆形与其他图形的区别，以及对于我们生活的重要作用。这样的教学环境可以让学生积极参与到课堂中，有利于学生的思维活跃，提高学生的学习兴趣，为核心素养下小学数学高效课堂的构建打下了一个坚实的基础。

图3 模型尚未开挖时垂向应力场与位移场分布图（y=105 m）Fig.3 Distribution of vertical stress field and displacement field before excavation(y=105 m)

2.2 开挖后仿真结果分析

2.2.1 开挖10 m 时仿真结果分析

对22302 工作面仿真模型进行回采，开切眼宽度设置为10 m，绘制其在y=105 m 剖面处的应力与分布情况如图4 所示。

图4 回采面开挖10 m垂直应力场和位移场切片图(y=105 m)Fig.4 Slice diagram of vertical stress field and displacement field of 10 m excavation face(y=105 m)

结合工程实际，图4 中的开挖部分选取为2 号煤层、3 号煤层与两者之间的炭质泥岩部分，采高为3.68 m。由图4 可知，开切眼形成后，受人为采动影响，原岩应力场的平衡状态被打破，部分煤岩体被移除，其载荷转移至周围介质承担。回采空间应力重新分布，采场上下部围岩应力得以泄放，工作面前后端面处则产生应力集中现象[20]，应力峰值达到18 MPa。在位移场中，上覆煤岩沉降和下伏煤岩隆起现象同步发生，顶底板相对移近，“反向压力拱”现象也随之出现[17]。

2.2.2 开挖不同尺度时的仿真结果分析

屯兰矿22302 工作面采用全部垮落法管理顶板。随着工作面的推进，载荷转移和顶板活动现象随之发生，这一现象在图5 中不同进尺时的位移场切片中也得到体现。图5（a）为回采进尺20 m时的垂直位移场切片云图，与图4（b）回采进尺为10 m 相比，发现两者的岩层活动规律基本相同，均为上覆岩体出现弯曲下沉，下伏岩体产生向上鼓起，不同之处仅在于围岩运移数值的差异。同理，当采动进尺达到30 m 时，工作面围岩活动愈发距离，顶板和底板的运移数据也进一步增加。显然，该阶段采空区上部的离层裂隙和竖向裂隙开始发育，这一结果为近距离突出危险煤层群的卸压抽采提供了便利。

图5 回采面不同进尺时垂直位移场切片图(y=105 m)Fig.5 Slice diagram of vertical displacement field at different footages(y=105 m)

值得注意的是，参照同煤层相似工作面经验，屯兰矿2+3 号煤层的初次来压步距为31～ 35 m，周期来压步距为12～ 20 m。在图5（c）采动40 m 后初次来压已经显现，顶板最大弯曲高度超过1.6 m。采动50 m 时甚至出现了顶板弯曲高度达到15 m 的情况，已远远超过了2+3 号煤层的采场高度，仿真结果和实际情况产生了较大出入。究其原因，作为国际通用的岩土工程专业分析软件，FLAC3D 采用的是有限差分方法，在大变形仿真层面具有一定优势。但当上覆岩层变形达到一定程度时，直接顶和老顶都会随悬露面积的增大而出现破断与垮落，此时基于连续介质力学原理提出的FLAC3D 仿真将不再适用，必须选择其他分析方法进行有针对性的研究。

2.2.3 采空区充填后的仿真结果分析

针对开挖50 m 时仿真结果与实际情况存在较大差异的情况，本文选择采空区充填的方法进行模拟。充填位置自切眼开始，到回采面煤壁10 m 处为止。充填长度为40 m，留有10 m 的采场范围。充填参数见表1，整合充填后的应力场、位移场和塑性区如图6 所示。

图6 回采50 m充填后的仿真模拟结果(y=105 m)Fig.6 The simulation results mining after 50 m and filling(y=105 m)

对比图6（a）和图5（d），发现充填后采空区上覆岩层的弯曲下沉情况得到较大程度的缓解，竖向位移值也更接近工程实际。随着采掘活动的进行，上覆岩层悬露面积增大，当承载的弯矩超过强度极限时，直接顶垮落和老顶断裂现象先后发生，“砌体梁”结构形成。在后续的分析过程中，裂隙带岩层将随着回采工作面的不断推进持续经历“稳定-暂时失稳-稳定”的周期来压。在这种情况下，图6（b）中的采场前后端面应力分布呈现出截然不同的状况，采场靠近煤壁侧压力仍然较高，后方采空区侧的压力则显著下降，甚至采空区中部垂向应力仅为4 MPa，说明采动裂隙“O”形圈内的应力得到泄放。综上可知，当回采面推进一定距离后，采空区内冒落矸石逐渐压实，上部未冒落的岩层也在不同程度上得到一定支撑，采空区支承应力远小于原岩应力。

在基于摩尔-库伦屈服准则本构方程的FLAC3D 模拟之中，破坏机制分为剪切破坏和拉伸破坏2 类，且每个屈服函数被赋予now 和past 两种状态[21]。在图6（c）中，当采掘进尺达到50 m时，竖向上采场覆岩移动破坏的上部边界高度达到02 号煤层底板，下部影响范围超过4 下号煤层所处位置。即在22302 工作面回采时，前文中表1 所提及的屯兰上组各煤层均不可避免地受采动影响，不仅形成了“一层采动，多层卸压”的情况，而且垮落带和裂隙带沟通了上部煤层，从而为瓦斯解吸、气体运移和异常涌出提供了条件。

2.2.4 仿真数据提取与O 形圈范围

工程实践表明，O 形圈范围内的应力值一般为原岩应力的30%～40%[22]。鉴于此，本文在煤层顶板以上100、120、140、160、220、240 m 高度布置应力测线，选取应力集中系数K 值（最大应力与原生应力的比值）≤0.4 作为O 形圈卸压范围的判定标准。以进尺为10、30 和50 m 仿真模拟结果为例，探究上覆岩层不同高度处的K 值分布情况，具体如图7 所示。

图7 不同开挖时应力集中系数曲线（10、30、50 m）Fig.7 Stress concentration factor curves(10,30,50 m)under different excavations

由图7 可知，不同开挖进尺的集中系数变化均呈现“M”趋势，采场前后端面出现应力集中，应力卸放现象集中于采场上覆煤岩区域。依据关键层理论[23]，对岩体活动局部岩层起作用的岩层为亚关键层。亚关键层需满足刚度判别条件和强度判别条件，经过分析，顶板以上8 m 处的细粒砂岩能同时满足其条件，故将其定为亚关键层。亚关键层的K值分布情况如图7 中C 线所示。当开挖进尺小于20 m 时，K 值小于等于0.4，顶板上覆岩层未发生垮落，O 型圈未形成。当开挖进尺30 m 时，顶板垮落，出现O 型圈。

在图7 中，当开挖长度为30 m 时，O 型圈宽度变化范围时63～78 m，最终宽度为15 m 随着开挖范围的增加，亚关键层K 值小于0.4 的曲线部分逐渐变宽。与此同时，最终宽度的增长速度随开挖尺度的增加却逐渐变小。充填50 m 后模型应力集中系数数值小于30 m 开挖情况，因充填后，上覆顶板应力集中情况缓和，O 型圈范围变化较小。不同采高时O 形圈形态特征参数见表2。

表2 不同开挖时O 形圈形态特征参数Table 2 The characteristic parameters of O-ring shape under different excavation conditions

3 上邻近层定向长钻孔布置方案

为降低上邻近层瓦斯和采空区瓦斯对安全生产的威胁，屯兰矿采用ZDY-12000-LD 钻机施工大孔径定向钻孔。借鉴走向高抽巷的布置经验，瓦斯抽采效果的最佳区域应选择“O”型圈中距离外部边界（1/3～2/3）宽度的范围内。选取应力集中系数k≤0.4 作为O 型圈的判定标准[22]，参照图6（b）确立了钻孔位置。在22302 工作面施工3 个钻场，共布设11 个定向长钻孔，具体的布孔方案见表3。

表3 22302 工作面上邻近层定向长距离钻孔布置方案Table 3 No.22302 Face adjacent layer directional long-distance drilling layout scheme

本文以2 号钻场的1 号钻孔为例阐述布孔方案。图8 为该钻孔的设计轨迹，钻孔大部分区段位于“O”型圈范围内，设计深度594 m，内错轨道顺槽5 m。终孔钻孔所处层位为砂质泥岩，距2 号煤顶板高度约13 m。

图8 2 号钻场1 号钻孔设计轨迹图Fig.8 No.2 drilling field No.1 borehole design trajectory diagram

4 上邻近层定向长钻孔抽采效果考察

表3 的上邻近层定向长距离钻孔实际服务于22302 工作面不同的回采阶段。由于22302 工作面的顺槽长度约1 600 m，3 号钻场位于胶带顺槽1 000 m 处，因此初始时期由3 号钻场的两钻孔起主导抽采作用。以3 号钻场的1 号钻孔为例，钻孔长度为649 m，故钻孔终端实际位于开切眼上方。初采阶段位于图9 右侧，此时开切眼与3 号钻场的实际距离为570 m。由图9 可知，1 号钻孔的瓦斯抽采量和抽采浓度均处于相对比较低的水平，说明邻近层瓦斯运移现象尚未出现。伴随工作面的逐步推进，钻场与工作面的相对距离逐渐缩小，大范围应力卸放和瓦斯解吸现象同步出现，采掘活动导致顶板裂隙发育程度加剧，大量邻近层卸压瓦斯通过裂隙开始涌向回采面，钻孔内瓦斯浓度未出现显著波动，瓦斯抽采量却明显上升，由此计算所得的瓦斯抽采纯量随之增大，实际抽采效果与仿真模拟结论基本吻合。

图9 3 号钻场1 号钻孔瓦斯抽采量、浓度与相对距离关系Fig.9 Relationship between gas extraction amount,concentration and relative distance of No.1 borehole in No.3 drilling field

在考察过程中，22302 工作面定向长钻孔不仅有针对性地抽采了邻近层卸压瓦斯，同时也有效降低了回采工作面上隅角瓦斯浓度。为便于说明，将22302 和12510 工作面的上隅角瓦斯浓度进行对比（图10），目前，两工作面同时开采屯兰矿2 号煤层，分属于南北两翼，不同之处在于12510 工作面尚未施工上邻近层定向长钻孔。在3 个月的监测过程中，起始阶段22302 工作面上隅角瓦斯浓度与12510 相差不大，其值均介于0.5%～ 0.6%。究其原因，由于12510 和22302 工作面属于同期开采，该阶段上隅角浓度上升的主因是本煤层采空区瓦斯；随着开采活动的进行，大量邻近层瓦斯得到卸压解吸，并沿导通的离层裂隙与竖向裂隙向采场空间涌出，造成12510 工作面上隅角浓度明显上升。与之对应的是，22302 工作面上隅角瓦斯浓度仍维持在原有水平，上邻近层定向长钻孔开始发挥作用；伴随采掘工作面的推进，离层裂隙与竖向裂隙进一步发育，上邻近层定向长钻孔瓦斯抽放作用得到凸显，上隅角瓦斯浓度未见明显升高，甚至呈现出显著下降的趋势。如在2 月3 日当天，22301 工作面上隅角瓦斯浓度值为0.28%，与同日期12510工作面0.81%的上隅角瓦斯浓度形成了鲜明对比。

图10 上邻近层定向长钻孔抽采上隅角瓦斯浓度对比Fig.10 Comparison of gas concentration in upper corner of directional long borehole in upper adjacent layer

5 结论

（1）在屯兰近距离突出危险煤层群开采过程中，上覆采掘的扰动影响随时空演化。当进尺达到50 m 时，回采面周期来压，竖向上采场覆岩移动破坏的上部边界高度达到02 号煤层底板，高达30 m，下部影响范围超过4下号煤层所处位置。上组煤各煤层均不同程度地受到采掘扰动影响，应力泄放促进瓦斯解吸，同时穿层裂隙将邻近层与本煤层导通。邻近层瓦斯有涌入采场的危险，必须对卸压瓦斯进行抽采。

（2）利用上邻近层定向长钻孔进行瓦斯抽采时，当开挖进尺小于20 m 时，K 值小于等于0.4，顶板上覆岩层未发生垮落，O 型圈未形成。当开挖进尺30 m 时，顶板垮落，出现O 型圈。当开挖长度为30 m 时，O 型圈宽度变化范围时63～ 78 m，最终宽度为15 m 随着开挖范围的增加，亚关键层K 值小于0.4 的曲线部分逐渐变宽。

（3）通过工程实际考察，定向长钻孔瓦斯抽采量由最低的0.35 到最高的1.03，增加了65%。相应地，上隅角最高处浓度为0.58%相较最低处的0.16%下降了72%，顶板定向长钻孔可有效减少邻近层卸压瓦斯涌出量，降低上隅角瓦斯浓度，保障工作面安全生产，实现煤与瓦斯共采。