覆岩裂隙带长钻孔瓦斯抽采技术

张 波

（山西晋煤集团晋圣永安宏泰煤业有限公司，山西 晋城 048205）

1 工程概况

山西晋煤集团晋圣永安宏泰煤业（简称“永安宏泰煤业”）二采区28#煤层地质构造简单，厚度为1.7~5 m，平均厚度3.3 m，随着开采深度的增加，矿井最大相对瓦斯涌出量达15 m3/t，已达到高瓦斯矿井标准。矿井现开采28#煤层3101 工作面，走向长1 148 m，斜长100 m，基本顶为中砂岩与粉砂岩，平均厚度14.38 m，直接顶为粉砂岩，平均厚度3.5 m，直接底为石灰岩，平均厚度6 m，根据煤层瓦斯参数测定，工作面瓦斯含量为14.5 m3/t，初始瓦斯压力为0.21 MPa。现以3101 工作面为研究对象，探究覆岩裂隙钻孔瓦斯的抽采技术。

2 覆岩裂隙钻孔抽采理论分析

2.1 覆岩裂隙钻孔抽采原理

覆岩裂隙钻孔抽采是治理煤矿瓦斯事故的重要技术之一[1-2]。工作面上方形成的采动应力场会影响上覆岩层的裂隙发育特性，在垂直方向上形成垮落带、裂隙带与弯曲下沉带即“三带”。在水平方向上形成煤壁支撑区，离层区与重新压实区[3-4]。在采场煤层回采过程中，工作面上方顶板因失去下方煤层支撑力，外加采动应力影响将会产生采动裂隙带。因瓦斯的体积分数相对于矿井空气的体积分数更轻，采动后的瓦斯向上流动，利用采动裂隙带作为瓦斯的抽采通道，见图1。

图1 工作面覆岩结构图

一般情况下，煤层的上覆岩层发生变形一般在采煤工作面的超前30~40 m 位置，此变形的水平移动剧烈程度要明显大于垂直方向的移动程度，由于缺少下方煤体的支撑，垂直方向的位移会迅速增加，上覆岩层作为组合岩体，不同层位之间的顶板岩层会发生不同程度的离层现象，使原始裂隙张开，并且在竖直方向上产生新裂隙，离层区间的岩层与水平方向的岩层在顶板运移的作用下也会发生相互的挤压，裂隙的张开度较大，其中冒落带与裂隙带是瓦斯的主要流动通道[5]。

2.2 覆岩裂隙带发育规律

采用UDEC 软件对永安宏泰煤业二采区28#煤层开采状态下的顶板裂隙发育规律进行研究，根据工作面地质条件建立长度为160 m、宽度为100 m 的数值模型，固定左右边界与下部边界，在上部边界施加8.75 MPa 的垂直应力，数值模型如图2 所示，选用的数值模拟参数如表1所示。

表1 数值模拟参数表

图2 数值模型图

图3 为工作面推进过程中覆岩裂隙发育图，根据图3 所示顶板裂隙随工作面推进过程中的发育状态，当28#煤层工作面推进30 m 时，老顶发生第一次断裂，上方的27#煤层以及上覆顶板发生冒落，冒落带高度约为8 m，老顶2 发生弯曲下沉且产生明显的离层特征。工作面推进60 m时，老顶2下沉接触到采空区矸石堆。“V”形穿层裂隙在中部形成，此时老顶3仍保持稳定状态。工作面推进80 m 时，老顶3 下沉接触到采空区矸石堆，此时工作面中部穿层裂隙迅速扩展，两端同时产生“V”形穿层裂隙，同时上部亚关键层1形成非贯通裂隙，裂隙带发育高度约为30 m。工作面推进 100 m时，亚关键层1下沉接触到采空区矸石堆，与上方亚关键层2 出现明显顺层裂隙，并且压实下部采空区裂隙带，裂隙带发育高度约为60 m。根据数值模拟结果，覆岩裂隙带发育高度约为30~60 m。

图3 工作面推进过程中覆岩裂隙发育图

3 瓦斯抽采方案与预抽工程

3.1 瓦斯抽采方案

基于以上覆岩裂隙带瓦斯抽采原理[6-7]，根据数值模拟结果确定覆岩裂隙钻孔施工范围为30~60 m。为增加覆岩裂隙钻孔的实际工程抽采使用效率，需要增加钻孔的孔径尺寸，采用133 mm 的大直径钻孔，PVC抽采管为110 mm，根据工作面顶板采空区裂隙发育高度范围，确定覆岩裂隙的钻孔实际参数。钻孔的起钻位置位于沿空巷道的挡板，以3 个钻孔作为同一组钻孔，共计施工5 组钻孔，每组钻孔的钻孔间距为30 m，组与组间的钻孔压茬为30 m，用水泥注浆方法进行封孔，并且需保证封孔深度为15 m，工作面累计的覆岩裂隙钻孔数量为15 个。钻孔布置如图4 所示，钻孔布置参数如表2所示。

表2 瓦斯抽采钻孔布置参数

图4 覆岩裂隙钻场布置图

3.2 瓦斯预抽工程

覆岩裂隙钻孔的抽采瓦斯体积分数较高，钻孔的工程使用周期较长，为检验永安宏泰煤业3101工作面的瓦斯抽采效果，进行覆岩裂隙钻孔瓦斯体积分数的数据监测，最终得到覆岩钻孔瓦斯抽采体积分数与上隅角瓦斯抽采体积分数随时间的变化趋势曲线，如图5、图6所示。

图5 覆岩钻孔瓦斯体积分数演化趋势图

图6 上隅角瓦斯体积分数演化趋势图

图5 中，共选取3 个覆岩裂隙钻孔，分别为10-1、10-2、10-3 号钻孔，钻孔的演化趋势曲线近似相等，其中10-1号钻孔的初始瓦斯抽采流量较低，但随着抽采时间的增加，瓦斯抽采体积分数由20%上升至60%，此演化过程代表顶板裂隙在观测期间逐渐发育，在观测的第8天以后，瓦斯体积分数发生下降，代表此区域内瓦斯已被大量抽采，10-2号钻孔与10-3号钻孔的瓦斯抽采趋势相同，初始瓦斯抽采体积分数均为60%，在第6~8天瓦斯抽采体积分数最高可达93%，在抽采的第8天以后，瓦斯体积分数发生明显下降，此趋势表明此处钻孔的顶板覆岩裂隙是在进行瓦斯监测前就已经产生的，也是在抽采过程中瓦斯流动的主要通道，整体演化过程表现倒“V”形特征。

为检验覆岩裂隙瓦斯抽采技术对工作面的瓦斯治理效果，对上隅角的瓦斯体积分数进行了长时间的观测，如图6 所示，在观测的前45 天，瓦斯体积分数呈现轻微的上升趋势，瓦斯体积分数从0.55%上升至0.67%，但在45天以后，上隅角的瓦斯体积分数迅速下降，最终瓦斯体积分数维持在0.3%~0.4%之间。

4 结语

1）煤层随工作面回采，在工作面周围将形成一个采动压力场，离层区内出现的层间离层是瓦斯流入覆岩钻孔的通道，为覆岩裂隙带抽采瓦斯提供了条件。

2）通过UDEC 软件，分析覆岩裂隙带发育规律，制定了覆岩裂隙瓦斯钻孔抽采方案，并进行工程实践。

3）3 个覆岩裂隙钻孔的瓦斯体积分数均呈现倒“V”形演化趋势，表明钻孔组交替压茬布置是科学合理的。