考慮推進(jìn)速度效應(yīng)的高位定向鉆孔優(yōu)勢(shì)布置與效果分析

陳 龍，龔選平，白廷海，成小雨，程 成，3

（1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 河津 043300；3.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054）

工作面的瓦斯涌出控制是防止瓦斯事故的首要任務(wù)[1-3]。目前常采用瓦斯抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理，其中高位定向鉆孔抽采瓦斯得到了大量的應(yīng)用[4-8]，高位定向鉆孔的布置參數(shù)對(duì)其抽采效果有著直接的影響，但是由于煤層頂板覆巖性質(zhì)不同、工作面的推進(jìn)速度等不同，導(dǎo)致覆巖的垮落和裂隙發(fā)育不同，若鉆孔布置不合理則不能充分發(fā)揮高位定向鉆孔的優(yōu)勢(shì)，因此根據(jù)礦井的實(shí)際開采情況開展高位鉆孔優(yōu)化是提高瓦斯抽采效果、保障礦井安全生產(chǎn)的重要手段。

劉振明[9]等采用FLAC3D軟件模擬了斜溝煤礦某工作面開采后覆巖的滲透率變化規(guī)律，隨著工作面的推進(jìn)，覆巖的滲透率在動(dòng)態(tài)發(fā)展變化，根據(jù)研究結(jié)果對(duì)工作面的鉆孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；李樹剛[10]、楊宏偉[11]等采用微地震監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)煤層頂板的覆巖的破裂情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)高位鉆孔進(jìn)行了優(yōu)化；施式亮[12]、姚偉[13]等研究了高位鉆孔的抽采負(fù)壓和布置參數(shù)對(duì)采空區(qū)瓦斯的分布和運(yùn)移的影響規(guī)律，得到了合理的抽采負(fù)壓和鉆孔參數(shù)；龔選平[14]、王耀鋒[15]等分別采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法得到了覆巖裂隙帶及卸壓瓦斯的分布特征及演化規(guī)律，并對(duì)高位鉆孔的合理布置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用；劉洪永[16]等以淮北祁南礦為試驗(yàn)對(duì)象，研究了不同推進(jìn)速度下采動(dòng)優(yōu)勢(shì)瓦斯通道的變化情況，采動(dòng)優(yōu)勢(shì)瓦斯通道的發(fā)育高度和寬度隨著推進(jìn)速度的增加而減小；李樹剛[17]等研究了傾斜煤層的覆巖裂隙分布規(guī)律，并對(duì)工作面的高位導(dǎo)流鉆孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；尉瑞[18]等通過相似物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了采動(dòng)影響下覆巖裂隙帶及瓦斯富集運(yùn)移區(qū)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，并根據(jù)研究結(jié)果指導(dǎo)了礦井的瓦斯抽采。綜上所述，學(xué)者們對(duì)采動(dòng)覆巖的裂隙發(fā)育及高位鉆孔優(yōu)化做了大量的工作，但是對(duì)考慮采動(dòng)裂隙及礦井的實(shí)際日推進(jìn)速度的鉆孔優(yōu)化分析較少。為此，以王家?guī)X礦12302 工作面為試驗(yàn)工作面，采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)分析了采動(dòng)覆巖垮落和裂隙發(fā)育情況，根據(jù)礦井的實(shí)際抽采效果得到了不同推進(jìn)速度下的鉆孔優(yōu)勢(shì)層位和平距的定量關(guān)系，依據(jù)研究結(jié)果對(duì)高位鉆孔的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究成果為采動(dòng)覆巖瓦斯富集區(qū)的識(shí)別及高位鉆孔優(yōu)化提供理論支持。

1 采動(dòng)覆巖瓦斯富集區(qū)形成及分布特征

1.1 工作面概況

試驗(yàn)選取王家?guī)X礦12302 工作面，該工作面走向長(zhǎng)2 600 m，傾向長(zhǎng)310 m，煤層平均厚度6 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采煤方法采用長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤工藝，自然跨落法管理采空區(qū)頂板。該工作面主要采用高位定向長(zhǎng)鉆孔及采空區(qū)埋管進(jìn)行瓦斯抽采，但是在工作面回采的過程中，由于鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)、施工等問題，導(dǎo)致工作面瓦斯抽采效果不佳，存在回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏高隱患，因此如何確定合理的高位定向鉆孔參數(shù)及提高工作面的瓦斯抽采率是礦井亟需解決的問題。

1.2 物理相似模型

根據(jù)王家?guī)X礦12302 工作面的地層情況及相似材料計(jì)算方法，建立1∶200 的走向物理相似模型，模型兩邊留設(shè)保護(hù)煤柱30 cm，高度120 cm，同時(shí)在模型上布置5 條測(cè)線監(jiān)測(cè)上覆巖層的垮落情況，5 條測(cè)線分別距煤層頂板10、30、50、70、90 cm，每條測(cè)線布置24 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)120 個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)對(duì)模型進(jìn)行分步開挖，模擬工作面推進(jìn)過程中上覆巖層的裂隙及垮落情況。物理相似模型如圖1。

圖1 物理相似模型測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Physical similar model measuring point arrangement

1.3 采動(dòng)覆巖破斷及運(yùn)移規(guī)律

不同推進(jìn)距離下采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育及垮落特征如圖2。

圖2 不同推進(jìn)距離下覆巖裂隙演化Fig.2 Fracture evolution of overlying rock at different advancing distances

由圖2 可以看出：工作面推進(jìn)至50 m 時(shí)，采空區(qū)覆巖基本頂發(fā)生初次來壓垮落，覆巖出現(xiàn)了少量的離層裂隙和破斷裂隙，覆巖垮落最大高度距煤層頂板12 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至80 m 時(shí)，采空區(qū)覆巖基本頂?shù)? 次周期來壓，來壓步距為30 m，此時(shí)上覆巖層進(jìn)一步垮落，離層裂隙和破斷裂隙逐漸增多，垮落最大高度增加至20 m 左右；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)并經(jīng)歷了幾次周期來壓后，覆巖的裂隙和垮落特征更加明顯，當(dāng)工作面推進(jìn)至170 m 時(shí)，上覆巖層形成了明顯的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，此時(shí)垮落高度約25 m 左右，裂隙發(fā)育高度達(dá)60 m；當(dāng)工作面推進(jìn)至360 m 時(shí)，覆巖經(jīng)歷了第12 次周期來壓，采空區(qū)覆巖中部形成了明顯的壓實(shí)區(qū)，兩側(cè)裂隙較為發(fā)育，卸壓瓦斯在自身密度和風(fēng)流的動(dòng)力下，升浮至此區(qū)域，形成了瓦斯富集區(qū)，通過對(duì)模型的測(cè)量，得出瓦斯富集區(qū)主要集中在距進(jìn)、回風(fēng)巷20～50 m，煤層頂板以上25～50 m 范圍內(nèi)。

煤層開采后上覆巖層5 條測(cè)線的垂直位移變化曲線圖3。

由圖3 可以看出，測(cè)線1 至測(cè)線5 覆巖的的下沉量和下沉范圍和逐漸增大，其中測(cè)線1 的最大下沉量為1.94 m，下沉量和下沉范圍小，測(cè)線2 至測(cè)線4 的下沉量分別為2.96、3.2、3.4 m，下沉量和下沉范圍較為接近，測(cè)線5 的下沉范圍最寬且最大下沉量達(dá)5.4 m，接近煤層厚度，表明測(cè)線5 位于煤層頂板采空區(qū)的冒落帶內(nèi)，測(cè)線2～測(cè)線4 位于煤層頂板采空區(qū)的裂隙帶內(nèi)，測(cè)線1 位于煤層頂板采空區(qū)的彎曲下沉帶內(nèi)，得出垮落帶高度為28.2 m，裂隙帶高度為118.6 m。

圖3 上覆巖層測(cè)點(diǎn)下沉量Fig.3 Subsidence of overlying strata

2 高位定向鉆孔優(yōu)勢(shì)布置劃分及定量關(guān)系

2.1 鉆孔優(yōu)勢(shì)層位/平距總體劃分

根據(jù)王家?guī)X礦采煤工作面的高位定向鉆孔實(shí)際抽采情況，篩選出鉆場(chǎng)內(nèi)抽采純量較好的鉆孔，得出的抽采純量與優(yōu)勢(shì)層位/平距關(guān)系如圖4。

圖4 抽采純量與優(yōu)勢(shì)層位/平距關(guān)系Fig.4 Relationship between extraction scalar and dominant horizon/horizontal distance

由圖4 可知，抽采純量較好的鉆孔的層位分布范圍較寬，在0～10 m 范圍內(nèi)，鉆孔的抽采效果一般，最大抽采純量不超過0.75 m3/min，而在20～45 m范圍內(nèi)的鉆孔抽采純量較高，抽采純量最大可超過2 m3/min，且絕大部分抽采純量搞的鉆孔的層位均分布在20～45 m 范圍內(nèi)；抽采純量較好鉆孔的平距分布范圍較層位大，在平距15 m 以內(nèi)，鉆孔的抽采純量最高不超過0.6 m3/min，大部分抽采效果較好的鉆孔的平距在15～55 m 范圍內(nèi)。

2.2 鉆孔優(yōu)勢(shì)層位/平距定量關(guān)系

工作面的日推進(jìn)速度對(duì)覆巖的垮落及裂隙發(fā)育有著很大的影響，由于工作面的速度不同，上覆巖層的垮落及裂隙發(fā)育情況不同，因此可以根據(jù)工作面的推進(jìn)速度來劃分抽采效果好的鉆孔的優(yōu)勢(shì)層位和平距，根據(jù)王家?guī)X礦日推進(jìn)情況，分別篩選出日推進(jìn)距離＜4、4～8、＞8 m 時(shí)抽采效果較好的鉆孔層位和平距，并對(duì)鉆孔層位和平距的關(guān)系進(jìn)行擬合，不同日推進(jìn)速度下的鉆孔抽采純量與鉆孔層位關(guān)系如圖5，不同日推進(jìn)速度下的鉆孔抽采純量與平距關(guān)系如圖6，鉆孔的優(yōu)勢(shì)層位/平距及其定量關(guān)系見表1。

表1 不同日推進(jìn)距離下鉆孔優(yōu)勢(shì)層位/平距Table 1 Dominant horizons/distances of boreholes under different advancing speeds

圖5 不同推進(jìn)速度下鉆孔抽采純量與層位關(guān)系Fig.5 Relationship between extraction effect and horizon at different advancing speeds

圖6 不同推進(jìn)速度下鉆孔抽采純量與平距關(guān)系Fig.6 Relationship between extraction effect and horizontal distance at different advancing speeds

由圖5 和圖6 及表1 可知，不同日推進(jìn)距離下抽采效果較好鉆孔的優(yōu)勢(shì)層位、平距不同，整體上呈現(xiàn)隨著日推進(jìn)距離的增大，鉆孔的優(yōu)勢(shì)層位和平距逐漸增大。不同日推進(jìn)距離下的優(yōu)勢(shì)鉆孔層位和平距符合一次線性方程y=ax±b，且擬合效果較好，R2均在0.6 以上，表明日推進(jìn)距離與鉆孔優(yōu)勢(shì)層位和平距具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

3 考慮推進(jìn)速度的高位定向鉆孔優(yōu)化

王家?guī)X礦12302 工作面1 月1 日至4 月25 日的日推進(jìn)距離如圖7。

圖7 12302 工作面日推進(jìn)距離Fig.7 12302 working face daily advancing distance

由圖7 可知，115 d 統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)，其中有12 d 未生產(chǎn)，日推進(jìn)距離在4～8 m 之間的有75 d，占生產(chǎn)日的比例的73%，表明只要工作面正常推進(jìn)生產(chǎn)，工作面的推進(jìn)距離大部分都在4～8 m/d 之間，因此根據(jù)礦井近期的推進(jìn)速度對(duì)工作面的高位鉆孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)日推進(jìn)距離在4～8 m 時(shí)的鉆孔優(yōu)勢(shì)層位和平距定量關(guān)系，同時(shí)也考慮鉆孔分布的均勻性，在工作面8 號(hào)鉆場(chǎng)布置5 個(gè)鉆孔，其中8-5 鉆孔作為對(duì)比孔，其余4 個(gè)鉆孔參數(shù)均在瓦斯富集區(qū)或優(yōu)勢(shì)鉆孔的層位、平距范圍內(nèi)，鉆孔孔徑均為133 mm，采用兩堵一注封孔方式封孔，封孔完成后接入礦井抽采管路進(jìn)行抽采，并對(duì)本次設(shè)計(jì)的鉆孔抽采效果進(jìn)行考察。在施工過程中根據(jù)實(shí)際施工情況對(duì)鉆孔的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，8 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)見表2，鉆孔實(shí)鉆軌跡示意如圖8。

表2 8 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)表Table 2 Drilling parameters of No.8 drilling site

圖8 日推進(jìn)距離4～8 m/d 時(shí)的高位鉆孔實(shí)鉆示意圖Fig.8 Schematic diagrams of high-level drilling actual drilling at a daily advancement distance of 4 to 8 m/d

4 瓦斯抽采及治理效果考察

8 號(hào)鉆場(chǎng)的單孔瓦斯抽采純量如圖9，不同日期高位定向鉆孔的單日瓦斯抽采量及工作面瓦斯涌出量和瓦斯抽采率如圖10，高位定向鉆孔抽采期間的工作面上隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖11。

圖9 鉆孔瓦斯抽采量Fig.9 Borehole gas drainage scalar

圖10 抽采量和瓦斯涌出量及抽采率Fig.10 Drainage, gas emission volume and extraction rate

圖11 上隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.11 Upper corner and return airflow gas concentration

由圖9 可知，各組鉆孔的抽采純量具有一定的波動(dòng)性，8-1 鉆孔最大瓦斯抽采流量達(dá)3.18 m3/min，相比于鉆孔優(yōu)化前其它鉆場(chǎng)的最大單孔瓦斯抽采純量提高了51%，8-1、8-2、8-3、8-4、8-5 鉆孔的平均瓦斯抽采純量分別為2.01、1.55、1.73、0.76、0.68 m3/min，相比于8-5 鉆孔，其余4 個(gè)鉆孔的抽采純量高，從而驗(yàn)證了此方法的合理性和可行性。

由圖10 可知，高位定向鉆孔的單日瓦斯抽采量最大可達(dá)8.8 m3/min，瓦斯抽采率最大為82%，整個(gè)抽采期間平均瓦斯抽采率為68%，高位定向鉆孔的瓦斯抽采量占比較大，在控制工作面瓦斯涌出方面起到了至關(guān)重要的作用。

由圖11 可知，上隅角最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.35%～0.7%之間，回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.11%～0.35%之間，上隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)均在0.8%以下，達(dá)到了工作面瓦斯治理預(yù)期的目標(biāo)。

5 結(jié) 語

1）隨著工作面的推進(jìn)，覆巖的垮落和裂隙發(fā)育處于動(dòng)態(tài)變化過程中，最終趨于穩(wěn)定，通過對(duì)模型的測(cè)定，得出瓦斯富集區(qū)主要集中在距進(jìn)、回風(fēng)巷20～50 m，煤層頂板以上25～50 m 范圍內(nèi)，覆巖垮落帶高度為28.2 m，裂隙帶高度為118.6 m。

2）不同日推進(jìn)速度下鉆孔優(yōu)勢(shì)層位和平距符合一次線性方程y=ax±b，隨著日推進(jìn)速度的增大，直線的斜率逐漸降低，截距增大；結(jié)合瓦斯富集區(qū)的位置和工作面近期的日推進(jìn)距離對(duì)工作面的高位定向孔進(jìn)行了優(yōu)化，抽采效果表明對(duì)比孔的抽采純量低于其余4 個(gè)鉆孔，驗(yàn)證了方法的合理性和可行性。

3）考慮日推進(jìn)速度的高位鉆孔實(shí)施后，最大單孔瓦斯抽采純量較其它鉆場(chǎng)的最大單孔瓦斯抽采純量提高了51%，整個(gè)抽采期間高位定向鉆孔的平均瓦斯抽采率為68%，在控制瓦斯涌出起到了關(guān)鍵的作用；上隅角和回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)均保持在0.8%以下，能夠保證礦井的安全高效生產(chǎn)。